[發(fā)明專利]一種行星齒輪箱健康狀態(tài)評估方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610036846.X
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105716857B
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙建民;宋文淵;李海平;溫亮;倪祥龍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍軍械工程學(xué)院
• 主分類號: G01M13/02
• 分類號: G01M13/02
• 代理公司: 石家莊新世紀(jì)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司13100
• 代理人: 張杰

1.一種行星齒輪箱健康狀態(tài)評估方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)采集待診斷設(shè)備的原始振動信號；采集與待診斷設(shè)備結(jié)構(gòu)相同的設(shè)備的正常狀態(tài)下信號、太陽輪故障狀態(tài)下信號、行星輪故障狀態(tài)下信號和齒圈故障狀態(tài)下信號；

(2)將所述原始振動信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，得到K個固有模態(tài)函數(shù)c₁，c₂，…，c_K；

(3)計算原始振動信號X的能量值得到原始振動信號能量值其中，x_Xi為原始振動信號的離散序列，是與系統(tǒng)采樣頻率對應(yīng)的采集點處的振動信號幅值，N表示采集點的總數(shù)；分別計算K個固有模態(tài)函數(shù)c₁，c₂，…，c_K的能量值得到K個固有模態(tài)函數(shù)能量值其中分別為固有模態(tài)函數(shù)c₁，c₂，…，c_K的離散序列，是與系統(tǒng)采樣頻率對應(yīng)的采集點處的振動信號幅值，N表示采集點的總數(shù)；

(4)分別計算所述K個固有模態(tài)函數(shù)能量值與原始振動信號能量值E_x(t)的比值，得到K個比值，將所述K個比值按從大到小的順序排列，得到比值排列，從所述比值排列中選擇前P個比值其中P為大于1小于K的整數(shù)；

(5)將所述比值排列中剩余的K-P個比值對應(yīng)的固有模態(tài)函數(shù)疊加到一起，作為第P+1個固有模態(tài)函數(shù)；

(6)特征向量提取：

進行組合特征參數(shù)計算，并提取特征向量；

分別計算P+1個固有模態(tài)函數(shù)的組合特征參數(shù)，得到P+1個固有模態(tài)函數(shù)組合特征參數(shù)由固有模態(tài)函數(shù)組合特征參數(shù)得到固有模態(tài)函數(shù)特征向量

抽取P+1個所述正常狀態(tài)下信號，分別計算P+1個正常狀態(tài)下信號的組合特征參數(shù)，得到P+1個正常狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)由正常狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)得到正常狀態(tài)下信號特征向量

抽取P+1個所述太陽輪故障狀態(tài)下信號，分別計算P+1個太陽輪故障狀態(tài)下信號的組合特征參數(shù)，得到P+1個太陽輪故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)由太陽輪故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)得到太陽輪故障狀態(tài)下信號特征向量

抽取P+1個所述行星輪故障狀態(tài)下信號，分別計算P+1個行星輪故障狀態(tài)下信號的組合特征參數(shù)，得到P+1個行星輪故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)由行星輪故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)得到行星輪故障狀態(tài)下信號特征向量

抽取P+1個所述齒圈故障狀態(tài)下信號，分別計算P+1個齒圈故障狀態(tài)下信號的組合特征參數(shù)，得到P+1個齒圈故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)由齒圈故障狀態(tài)下信號組合特征參數(shù)得到齒圈故障狀態(tài)下信號特征向量

(7)歐式距離計算：

計算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向量與所述正常狀態(tài)下信號特征向量之間的歐式距離D₁；計算公式如下：

D12=(fnewit-fnewin)T(fnewit-fnewin)=||(fnewit-fnewin)||2=Σi=1P+1(fnewit-fnewin)2;]]>

計算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向量與所述太陽輪故障狀態(tài)下信號特征向量之間的歐式距離D₂；計算公式如下：

D22=(fnewit-fnewis)T(fnewit-fnewis)=||(fnewit-fnewis)||2=Σi=1P+1(fnewit-fnewis)2;]]>

計算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向量與所述行星輪故障狀態(tài)下信號特征向量之間的歐式距離D₃；計算公式如下：

D32=(fnewit-fnewiq)T(fnewit-fnewiq)=||(fnewit-fnewiq)||2=Σi=1P+1(fnewit-fnewiq)2;]]>

計算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向量與所述齒圈故障狀態(tài)下信號特征向量之間的歐式距離D₄；計算公式如下：

D42=(fnewit-fnewir)T(fnewit-fnewir)=||(fnewit-fnewir)||2=Σi=1P+1(fnewit-fnewir)2;]]>

(7)行星齒輪箱健康狀態(tài)評估:

比較所述歐式距離D₁、歐式距離D₂、歐式距離D₃和歐式距離D₄的大小，選擇所述歐式距離D₁、歐式距離D₂、歐式距離D₃和歐式距離D₄中最小的一個進行行星齒輪箱健康狀態(tài)評估；

如果歐式距離D₁最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為正常狀態(tài)；

如果歐式距離D₂最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為太陽輪故障狀態(tài)；

如果歐式距離D₃最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為行星輪故障狀態(tài)；

如果歐式距離D₄最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為齒圈故障狀態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種行星齒輪箱健康狀態(tài)評估方法，其特征在于所述組合特征參數(shù)計算方法如下：

(1)特征參數(shù)的提取：

分別提取固有模態(tài)函數(shù)的特征參數(shù)、正常狀態(tài)下信號的特征參數(shù)、太陽輪故障狀態(tài)下信號的特征參數(shù)、行星輪故障狀態(tài)下信號的特征參數(shù)和齒圈故障狀態(tài)下信號的特征參數(shù)；所述特征參數(shù)包括最大值、最小值、峰峰值、均值、均方值、均方根、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、能量、方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、偏斜度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)、余隙系數(shù)、頻率均值MF、中心頻率FC、均方根頻率RMSF、頻率標(biāo)準(zhǔn)差STDF、FM0、ER、FM4、FM4*、M6A、M6A*、M8A、M8A*、NB4、NB4*、NA4、NA4*和EOP；

(2)特征參數(shù)的選擇：

假設(shè)目標(biāo)設(shè)備有U種健康狀態(tài)，每種健康狀態(tài)下采集M_n個樣本，每個樣本提取出K個特征參數(shù)，那么可以得到一個特征矩陣{f_m,u,k,m＝1,2,…,M_n；u＝1,2,…,U；k＝1,2,…,K}，其中f_m,u,k是第u種健康狀態(tài)下第m個樣本的第k個特征參數(shù)，那么特征參數(shù)選擇程序可以按照如下步驟進行：

(2-1)計算同一健康狀態(tài)各樣本原始振動信號之間的平均歐氏距離

其中，m₁，m₂＝1，2，…，M_n；m₁≠m₂；

進而可以計算U種健康狀態(tài)原始信號之間的平均距離

(2-2)通過分析振動信號頻譜可知，信號幅值差距小的情況下設(shè)備處于正常狀態(tài)的可能性極大，所以定義同一健康狀態(tài)下樣本間距離的波動指標(biāo)如下

(2-3)計算同一健康狀態(tài)所有樣本各個特征參數(shù)的平均值

類似地，可以得到不同健康狀態(tài)之間各個特征參數(shù)平均值之間的平均距離

其中，u₁,u₂＝1,2,…,U；u₁≠u₂；

(2-4)定義不同健康狀態(tài)下特征參數(shù)平均值的波動指標(biāo)如下

其中，u₁,u₂＝1,2,…,U；u₁≠u₂；

(2-5)綜合考慮振動信號本身的變化以及特征參數(shù)值的變化，定義波動指標(biāo)λ_k如下：

(2-6)計算不同健康狀態(tài)之間各個特征參數(shù)平均值之間的平均距離和U種健康狀態(tài)原始信號之間的平均距離的比值，同時考慮波動指標(biāo)λ_k的影響

對所得到的結(jié)果進行歸一化處理，得到歸一化數(shù)值

假設(shè)目標(biāo)設(shè)備有S種工況狀態(tài)，每種工況狀態(tài)下采集M_n個樣本，每個樣本提取出K個特征參數(shù)，那么可以得到一個特征矩陣{f_m,s,k,m＝1,2,…,M_n；s＝1,2,…,S；k＝1,2,…,K}，其中f_m,s,k是第s種健康狀態(tài)下第m個樣本的第k個特征參數(shù)，那么特征參數(shù)選擇程序可以按照如下步驟進行：

(2-7)計算同一工況狀態(tài)各樣本原始振動信號之間的平均歐氏距離

其中，m₁，m₂＝1，2，…，M_n；m₁≠m₂；

進而可以計算S種工況狀態(tài)原始信號之間的平均距離

(2-8)定義同一工況狀態(tài)下樣本間距離的波動指標(biāo)如下

(2-9)計算同一工況狀態(tài)所有樣本各個特征參數(shù)的平均值

類似地，可以得到不同工況狀態(tài)之間各個特征參數(shù)平均值之間的平均距離

其中，s₁，s₂＝1，2，…，S；s₁≠s₂；

(2-10)定義不同健康狀態(tài)下特征參數(shù)平均值的波動指標(biāo)如下

其中，s₁，s₂＝1，2，…，S；s₁≠s₂；

(2-11)綜合考慮振動信號本身的變化以及特征參數(shù)值的變化，定義波動指標(biāo)λ¹_k如下：

(2-12)計算不同工況狀態(tài)之間各個特征參數(shù)平均值之間的平均距離和S種工況狀態(tài)原始信號之間的平均距離的比值，同時考慮波動指標(biāo)λ¹_k的影響

對所得到的結(jié)果進行歸一化處理，得

與的差值V_k,選擇V_k≥0的V_k所對應(yīng)的特征參數(shù)；

假設(shè)有H個V_k≥0的特征參數(shù)，則得到的是H個對外界工況變化不敏感而對設(shè)備本身健康狀態(tài)變化敏感的特征參數(shù)f₁,f₂,…,f_H；

(3)特征參數(shù)加權(quán)

把所述特征參數(shù)f₁,f₂,…,f_H作為目標(biāo)設(shè)備有U種健康狀態(tài)，每種健康狀態(tài)下采集M_n個樣本，每個樣本提取出的H個特征參數(shù)，按照與步驟(2)中(2-1)～(2-9)方法執(zhí)行，得到H個歸一化數(shù)值作為敏感程度系數(shù)，即各特征參數(shù)的加權(quán)系數(shù)a₁,a₂,…,a_H，最終得到一個組合特征參數(shù)f_new＝a₁f₁+a₂f₂+…+a_Hf_H；組合特征參數(shù)f_new＝a₁f₁+a₂f₂+…+a_Hf_H。