一種行星齒輪箱健康狀態(tài)評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于行星齒輪箱健康狀態(tài)評估技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種行星齒輪箱健康狀 態(tài)評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 行星齒輪箱通常被廣泛用于風(fēng)機(jī)、直升機(jī)、起重機(jī)等大型復(fù)雜機(jī)械裝備中。目前對 機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估研究多數(shù)W定軸傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對象。但許多新設(shè)備的 傳動(dòng)系統(tǒng)由復(fù)雜的行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和平行軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成，且實(shí)際運(yùn)行狀況通常是變化 的，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和工況的變化使得行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的退化模式、特征頻率等內(nèi)容較定軸傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜，理論分析和計(jì)算的難度也隨之增加，運(yùn)就給相應(yīng)的健康狀態(tài)評估工作帶來 了巨大的困難。行星齒輪箱振動(dòng)信號的特征提取是其健康狀態(tài)評估的關(guān)鍵步驟，提取出對 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)對監(jiān)測設(shè)備的性能W及 退化過程非常重要，近年來有很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在運(yùn)一領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究和積極的 探索。化Simir等提出了一個(gè)基于特征選擇和近鄰準(zhǔn)則的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)評估模型，改 善了電子工業(yè)的健康狀態(tài)評估流程;成都電子科技大學(xué)的Liu和如等采用混合核特征選擇 和核Fisher分類的降維方法對行星齒輪箱故障等級進(jìn)行診斷，實(shí)驗(yàn)證明，二者結(jié)合比單獨(dú) 應(yīng)用其中一個(gè)的效果更好;軍械工程學(xué)院的張星輝等提出了一種新的特征參數(shù)和一種新的 特征參數(shù)提取方法，分別是基于AR模型的能量比和可W提高齒輪故障產(chǎn)生脈沖幅值的窄帶 干擾消除方法，并成功應(yīng)用于齒輪箱的健康狀態(tài)評估和壽命預(yù)測等等。旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn) 行的過程中會(huì)產(chǎn)生大量帶有其運(yùn)行狀態(tài)信息的振動(dòng)信號，如果設(shè)備發(fā)生故障，在其頻譜上 就會(huì)有所反應(yīng)，通常是特定頻率信號幅值的增加。原則上，通過將目前采集的振動(dòng)信號與之 前正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號進(jìn)行對比分析就可W對設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，但在實(shí)際操作 過程中運(yùn)樣的對比并不是很有效，因?yàn)閷Υ罅空駝?dòng)信號直接進(jìn)行對比分析是非常困難的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能對行星齒輪箱實(shí)現(xiàn)故障定位的行星齒 輪箱健康狀態(tài)評估方法。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種行星齒輪箱健康狀態(tài)評估方法， 其包括如下步驟： (1) 采集待診斷設(shè)備的原始振動(dòng)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(dòng)信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到K個(gè)固有模態(tài)函數(shù)
(3) 計(jì)算原始振動(dòng)信號X的能量值得到原始振動(dòng)信號能量值
其中，XXi為原 始振動(dòng)信號的離散序列，是與系統(tǒng)采樣頻率對應(yīng)的采集點(diǎn)處的振動(dòng)信號幅值，N表示采集點(diǎn) 的總數(shù);分別計(jì)算K個(gè)固有模態(tài)函勤
的能量值得到K個(gè)固有模態(tài)函數(shù)能量值
其中
分別為固 有模態(tài)函數(shù)拘，％，:'-':弟^的離散序列，是與系統(tǒng)采樣頻率對應(yīng)的采集點(diǎn)處的振動(dòng)信號幅 值，N表示采集點(diǎn)的總數(shù)； (4)分別計(jì)算所述K個(gè)固有模態(tài)函數(shù)能量值
與原始振動(dòng)信號能量值 的比值，得到K個(gè)比值，將所述K個(gè)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(gè)比值
：其中P為大于1小于K的整數(shù)； 巧)將所述比值排列中剩余的K-P個(gè)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(gè)固有模態(tài)函數(shù)； (6)特征向量提?。?進(jìn)行組合特征參數(shù)計(jì)算，并提取特征向量； 分別計(jì)算P+1個(gè)固有模態(tài)函數(shù)的組合特征參數(shù)，得到P+1個(gè)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)I
得到 固有模態(tài)函數(shù)特征向量
； 抽取P+1個(gè)所述正常狀態(tài)下信號，分別計(jì)算P+1個(gè)正常狀態(tài)下信號的組合特征參數(shù)，得 至化+1個(gè)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(gè)所述太陽輪故障狀態(tài)下信號，分別計(jì)算P+1個(gè)太陽輪故障狀態(tài)下信號的組合 特征參數(shù)，得到P+1個(gè)太陽輪故障狀態(tài)下信號組合特征參i
;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(gè)所述行星輪故障狀態(tài)下信號，分別計(jì)算P+1個(gè)行星輪故障狀態(tài)下信號的組合 特征參數(shù)，得到P+1個(gè)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(gè)所述齒圈故障狀態(tài)下信號，分別計(jì)算P+1個(gè)齒圈故障狀態(tài)下信號的組合特征 參數(shù)，得到P+1個(gè)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i
得到齒圈故障狀態(tài)下信號特征向量
(7)歐式距離計(jì)算： 計(jì)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
之間的歐式距離化;計(jì)算公式如下：
計(jì)算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向；
與所述太陽輪故障狀 態(tài)下信號特征向J
之間的歐式距離1? ;計(jì)算公式如下：
計(jì)算所述固有模態(tài)函數(shù)特征向i
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1?;計(jì)算公式如下：
計(jì)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1?;計(jì)算公式如下：
(7 )行星齒輪箱健康狀態(tài)評估： 比較所述歐式距離化、歐式距離化、歐式距離化和歐式距離〇4的大小，選擇所述歐式距 離化、歐式距離化、歐式距離化和歐式距離〇4中最小的一個(gè)進(jìn)行行星齒輪箱健康狀態(tài)評估； 如果歐式距離化最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為正常狀態(tài)； 如果歐式距離化最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為太陽輪故障狀態(tài)； 如果歐式距離化最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為行星輪故障狀態(tài)； 如果歐式距離〇4最小，則行星齒輪箱健康狀態(tài)為齒圈故障狀態(tài)。
[0005]所述組合特征參數(shù)計(jì)算方法如下： (1) 特征參數(shù)的提?。?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、中屯、頻率FC、均方根頻率RMSF、頻率標(biāo)準(zhǔn)差STDF、FMO、邸、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N種健康狀態(tài)，每種健康狀態(tài)下采集Mn個(gè)樣本，每個(gè)樣本提取出K個(gè)特 征參數(shù)，那么可W得到一個(gè)特征矩陣m=l，2，'''，Mn; n=l，2，'''，N; k=l，2,…，K}，其 中fm,n,k是第n種健康狀態(tài)下第m個(gè)樣本的第k個(gè)特征參數(shù)，那么特征參數(shù)選擇程序可W按照 如下步驟進(jìn)行： (2-1)計(jì)算同一健康狀態(tài)各樣本原始振動(dòng)信號之間的平均歐氏距離
(式1) 進(jìn)而可W計(jì)算N種健康狀態(tài)原始信號之間的平均距離沮p^): 巧2)
套距小的情況下設(shè)備處于正常狀態(tài)的可 能性 曼動(dòng)指標(biāo)如下 (式3) 數(shù)的平均值 (式4) 參數(shù)平均值之間的平均距離 (式5) 坡動(dòng)指標(biāo)如下 (式6) 參數(shù)值的變化，定義波動(dòng)指標(biāo)％如下： (式7) 均值之間的平均距離游詩日N種健康狀態(tài) 原始 信標(biāo).％的影響 (式8) 數(shù)值 (式9) 假設(shè)目標(biāo)設(shè)備有巧巾工況狀態(tài)，每種工況狀態(tài)下采集Mn個(gè)樣本，每個(gè)樣本提取出K個(gè)特 征參數(shù)，那么可W得到一個(gè)特征矩陣{fm,s,k, m=l，2，'''，Mn; s=l，2，'''，S; k=l，2,…，K}，其 中fm,s,k是第S種健康狀態(tài)下第m個(gè)樣本的第k個(gè)特征參數(shù)，那么特征參數(shù)選擇程序可W按照 如下步驟進(jìn)行： (2-7)計(jì)算同一工況狀態(tài)各樣本原始振動(dòng)信號之間的平均歐氏距離
(：式 10) 巧11) (：式 12) 值 巧U) 值之間的平均距離 巧14) 養(yǎng)如下 巧15) 勺變化，定義波動(dòng)指標(biāo)/?如下： (式 16) (2-12)計(jì)算不同工況狀態(tài)之間各個(gè)特征參數(shù)平均值之間的平均距離丑唯> 和巧巾工況狀 態(tài)原始信號之間的平均距離及1產(chǎn)的比值，同時(shí)考慮波動(dòng)指標(biāo)的影響
巧17) 日一化處理，得 (：式 18) 與兩的差值巧，選擇Vk含O的朽所對應(yīng)的特征參數(shù)； 假設(shè)有H個(gè)Vk含O的特征參數(shù)，則得到的是H個(gè)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)fi，f2，…，時(shí)； (3)特征參數(shù)加權(quán) 把所述特征參數(shù)fi，f 2，…，時(shí)作為目標(biāo)設(shè)備有N種健康狀態(tài)，每種健康狀態(tài)下采集Mn個(gè) 樣本，每個(gè)樣本提取出的H個(gè)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(gè)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)日1，日2,…，BH,最終得到一個(gè)組合 特征參數(shù)f new=aif l+32f 2+…+祉時(shí);組合特征參數(shù)f new=aif l+32f 2+…+祉時(shí)。
[0006] 本發(fā)明的有益效果是： 提取振動(dòng)信號中能反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的特征參數(shù)容易實(shí)現(xiàn)，而且提取出的特征通 常要比原始信號本身更加穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)減少數(shù)據(jù)的維度，因而使行星齒輪箱健康狀態(tài)評 估方法更有效。本發(fā)明適用于非線性和非平穩(wěn)性振動(dòng)信號的處理，且能從噪聲污染嚴(yán)重的 振動(dòng)信號中提取出所需的特征參數(shù)用于健康狀態(tài)