[發明專利]一種基于DRS處理及主成分分析的齒輪退化指標提取方法

有效

• 申請號: 202011045863.2
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112179651B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 臧家林;王欣;張福海;楊少杰;王俊
• 申請（專利權）人: 核電運行研究（上海）有限公司
• 主分類號: G01M13/021
• 分類號: G01M13/021;G01M13/028
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 孫成林

本發明公開了一種基于DRS處理及主成分分析的齒輪退化指標提取方法，包括如下步驟：步驟1：通過振動加速度傳感器采集齒輪運行產生的振動信號x(n)，將采集的振動信號在信號長度對應的第kT時刻添加長度為N的窗函數w_N(n)，構造加窗時域信號x_k(n)，滿足x_k(n)＝x(n+kT)w_N(n)；步驟2：通過窄帶濾波的方法從降噪信號中分別提取齒輪1?4倍嚙合頻率對應邊頻信息，對提取結果進行希爾伯特解調，獲取1?4倍嚙合頻率邊頻包絡譜信息；步驟3：計算1?4倍嚙合頻率邊頻包絡信息的RMS值，并對所求的RMS數據構造相應矩陣，基于各數據的均值及方差對矩陣進行標準化處理。其有益效果在于：利用振動加速度傳感器采集設備的齒輪振動信號，獲取該信號的時域圖及頻譜圖。

技術領域

本發明屬于設備狀態監測領域，具體涉及一種基于DRS處理及主成分分析的齒輪退化指標提取方法。

背景技術

齒輪作為機械設備中重要的結構部件和傳動部件，在航空航天、交通運輸、農業生產、電力傳輸等領域起著不可或缺的重要作用。然而由于齒輪工作條件復雜等原因，齒輪及齒輪箱很容易在運行過程中產生損傷，進而引起齒輪運行故障，影響齒輪的傳動精度，甚至影響設備的運行可靠性，造成重大安全隱患。因此提取齒輪運行性能指標，對齒輪運行狀態進行實時監測顯得十分重要。

齒輪由于生產制造缺陷、安裝誤差，以及運行過程中產生磨損、裂紋等現象均會導致齒輪運行時產生振動。齒輪振動信號主要表現為調制特征，即齒輪嚙合頻率被齒輪所在軸的轉頻調制，齒輪軸轉頻即為調制信號。在振動信號的頻譜中表現為以齒輪嚙合頻率為中心，調制信號以邊頻的形式，在嚙合頻率左右等間隔對稱分布，且齒輪故障程度不同，齒輪轉頻對嚙合頻率的調制程度也不同。因此提取齒輪振動信號的調制頻率，能有效檢測齒輪運行的狀態特征。J.Antoni提出離散隨機分離(Discrete random separation,簡寫DRS)方法,可從齒輪振動信號中分離調制頻率，實現齒輪故障特征的提取。而Karl Pearson提出的主成分分析法(Principal Component Analysis，簡寫PCA)通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，從而實現原始數據的降維和特征融合。本發明基于DRS方法提取齒輪嚙合的調制信號，并利用主成分分析方法將齒輪嚙合的邊頻有效值(即RMS值)進行融合，獲取齒輪退化指標。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于DRS處理及主成分分析的齒輪退化指標提取方法，根據齒輪運行時產生的振動特征，提取評估齒輪運行狀態的退化指標，對設備齒輪運行狀態進行實時監測和分析。

本發明的技術方案如下：一種基于DRS處理及主成分分析的齒輪退化指標提取方法，包括如下步驟：

步驟1：通過振動加速度傳感器采集齒輪運行產生的振動信號x(n)，將采集的振動信號在信號長度對應的第kT時刻添加長度為N的窗函數w_N(n)，構造加窗時域信號x_k(n)，滿足x_k(n)＝x(n+kT)w_N(n)；

步驟2：通過窄帶濾波的方法從降噪信號中分別提取齒輪1-4倍嚙合頻率對應邊頻信息，對提取結果進行希爾伯特解調，獲取1-4倍嚙合頻率邊頻包絡譜信息；

步驟3：計算1-4倍嚙合頻率邊頻包絡信息的RMS值，并對所求的RMS數據構造相應矩陣，基于各數據的均值及方差對矩陣進行標準化處理。

所述的步驟1包括，將采集的振動信號在kT-N-Δ對應的時刻添加長度為N的窗函數w_N(n)，構造對應的加窗時域信號x_kd(n)，并滿足

所述的步驟1包括，基于最小均方差預測誤差的原則構建DRS最優濾波器，并對加窗信號進行DRS處理，提高信號信噪比。

所述的步驟1中基于最小均方差預測誤差原則的最優濾波器基于如下頻響特征進行構造：