[發明專利]基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障信號提取方法

有效

• 申請號: 202110324209.3
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113074941B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 陳向民;段萌;舒國強;張亢;盧緒祥;晉風華;李錄平
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 姚瑤

本發明公開了一種基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障信號提取方法、診斷方法、系統及存儲介質，該診斷方法包括：采集變轉速下的齒輪振動信號和轉速信號；用自適應時變梳狀濾波器對齒輪振動信號進行時變梳狀濾波獲取時變梳狀濾波信號；根據轉速信號對時變梳狀濾波信號進行等角度重采樣得到角域重采樣信號；對角域重采樣信號進行頻譜分析得到階次譜，并根據階次譜中嚙合階次周圍的調制邊頻階次診斷變轉速下的齒輪故障。本發明精確提取變轉速下的包含齒輪故障信息的齒輪嚙合振動頻率成分及調制邊頻成分，同時去除其他信號成分的干擾，能有效凸顯變轉速下的齒輪故障特征。

技術領域

本發明屬于機械設備狀態監測和故障診斷領域，具體涉及一種變轉速下的齒輪故障信號提取方法及其故障診斷方法及系統，更具體地涉及一種基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障信號提取方法、診斷方法、系統及存儲介質。

背景技術

齒輪是旋轉機械設備中一種廣泛使用的零部件，常用于傳遞扭矩、改變速度、更改方向等。在實際應用中，由于工作強度大、運行環境復雜，且常處于重載荷下持續運行，齒輪極易因疲勞磨損而產生剝落、裂紋、斷齒等局部故障，從而影響整個設備的安全運行。因此，對齒輪進行監測與故障診斷對保證整個設備的可靠運行具有重要意義。

當齒輪出現局部故障時，齒輪的嚙合頻率及其倍頻周圍會出現以轉頻及其倍頻為間隔的調制邊頻帶，該邊頻帶的數量及其幅值大小蘊含了齒輪的相關故障信息，對齒輪嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分的精準提取可為齒輪的故障定量分析和可靠性評估提供重要依據。在恒定轉速條件下，可通過共振解調、小波分析、EMD等類似于帶通濾波的方法將齒輪嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分準確提取出來，進而診斷齒輪故障。但在轉速變化情況下，齒輪的嚙合頻率及其調制邊頻均會隨著轉速變化而變化，使得其頻譜出現頻率模糊現象，此時，傳統的帶通濾波方法不能有效提取包含齒輪故障信息的嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分，特別是在轉速大范圍波動情況下。

對于變轉速下的齒輪振動信號的分析，較為常用的一種方法是通過對時域等時間間隔采集的非平穩信號進行等角度重采樣，將其轉變為角域平穩信號，然后再對角域信號進行分析，進而提取齒輪故障特征。但在低信噪比或早期故障情況下，此時，背景噪聲相對較強，齒輪的故障特征極易被淹沒，不易察覺，從而容易造成漏診。因此，在進行等角度重采樣之前需對包含齒輪故障信息的齒輪嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分進行提純處理。

基于上述分析，針對變轉速下的齒輪故障特征的時變特點，亟需研發一種適合于變轉速下的時變濾波方法以將齒輪嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分有效分離出來的技術手段。

發明內容

本發明的目的是針對強背景噪聲、變轉速下的齒輪故障診斷，提供一種基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障信號提取方法、診斷方法、系統及存儲介質。本發明所述方法可以根據齒輪轉速的變化特點，自適應地設計時變梳狀濾波器，能精確提取變轉速下的包含齒輪故障信息的齒輪嚙合振動頻率成分及其調制邊頻成分，同時去除其他信號成分的干擾，能有效凸顯變轉速下的齒輪故障特征。

一方面，本發明提供一種基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障信號提取方法，包括如下步驟：

步驟S1：采集變轉速下的齒輪振動信號x(t)和轉速信號f_r(t)，t＝t₁,t₂,…,t_N，N為信號采樣長度；

步驟S2：用自適應時變梳狀濾波器對齒輪振動信號進行時變梳狀濾波，以獲取時變梳狀濾波信號，所述時變梳狀濾波信號為提純后的齒輪嚙合振動成分及其調制邊頻成分。

二方面，本發明提供一種基于自適應時變梳狀濾波的變轉速齒輪故障診斷方法，包括如下步驟：

步驟S1：采集變轉速下的齒輪振動信號x(t)和轉速信號f_r(t)，t＝t₁,t₂,…,t_N，N為信號采樣長度；