专利名称：一种齿轮箱复合故障诊断方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及齿轮箱故障检测领域，具体涉及一种齿轮箱复合故障诊断方法及系统。
背景技术：
齿轮箱由于其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑，成为常用的变速传动部件，在各种机械设备中得到了广泛的应用。由于齿轮常在高速、重载和强冲击等恶劣环境条件下运行，极易发生磨损、疲劳、断齿和裂纹等多种故障，并进一步诱发其它故障，从而导致巨大经济损失。因此，对齿轮箱的运行状态进行监测并及时识别出其发生的故障，具有重要的工程意义。
在齿轮运行中由于齿轮的制造与安装误差、剥落、裂纹等故障会直接成为振动的激励源，这些激励源都以齿轮轴的回转为周期，齿轮振动信号中含有该轴的回转频率及其倍频。因此障齿轮的振动信号往往表现为回转频率对啮合频率的调制，在谱图上形成以啮合频率为中心，等间隔分布的边频带。实际上参与调制的信号还包括啮合频率的倍频，由于调频和调幅的共同作用，最后形成的频谱表现为以啮合频率及其各次谐波为中心的一系列非对称边频带群。齿轮箱故障诊断的核心是对采集的振动信号的分析处理，然而当前齿轮箱故障诊断方法主要是针对单一的故障模式，如齿轮断齿、点蚀、齿根裂纹以及等齿轮的制造与安装误差。针对单一齿轮故障的诊断方法有频域分析、倒频谱分析和窄带解调分析等。 在齿轮的频域诊断中是通过边频带反映的故障源信息，即不同的齿轮故障对应的边频带特征不同来诊断。例如齿轮的剥落、齿根裂纹或部分断齿等局部故障引起的边频带较宽且平坦，即边频带阶数多且幅值大小均匀；齿轮点蚀等分布故障引起的边频带，其边频阶数少且集中在啮合频率及其倍频的两侧；齿轮不平衡、不对中、机械松动等故障引起的调制边频带不对称。然而，由于边频成分往往具有不稳定性，在实际工作环境下，尤其是当几种故障并存时，边频的变化将呈现出综合效果，其变化规律很难用上述某一种典型情况描述，因此传统频域边频带分析很难识别出齿轮箱的多个故障。传统倒频谱方法在齿轮故障诊断中另一种常用方法，倒频谱受传输途径的影响很小，能将原来谱图中成族的边频带简化为单根谱线，可以识别出复杂频谱图中的周期结构，分离和提取出信号的周期成分，但是当齿轮振动信号信噪比较低时，倒频谱分析往往显得无能为力。此外，齿轮多故障存在时，利用倒频谱图中的单根谱线无法准确判断齿轮故障类型和故障原因。窄带解调技术被广泛应用于齿轮故障诊断，它以某一阶齿轮啮合频率为中心频率，通过选取适当的带宽，对振动信号进行带通滤波后解调分析，获取齿轮故障特征信息。如果中心频率和带宽选取不当时，可能会导致对齿轮运行状态的错误判断。本发明专利提出一种新型的针对齿轮箱复合故障特征提取的诊断方法。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种齿轮箱复合故障诊断方法及系统，其通过简单的振动信号测量，采用双树复小波变换高效、可靠地分解得到多个子带复信号，进而采用能量算子解调方法解调每一个子带信号，提取齿轮相关特征并识别诊断。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的
本发明一种齿轮箱复合故障诊断方法，包括如下步骤
(I)采用加速度振动传感器拾取齿轮箱振动信号，该加速度传感器安装在待测齿轮箱输入轴端盖上；
(2)对采集的风电机组齿轮箱振动信号进行1/4采样平移双树复小波变换，得到信号的多个子带分解信号；即
首先、构造1/4采样平移双树复小波变换所用双树滤波器组，该双树滤波器组的第一层分解使用的滤波器组与原始双树复小波分解第一层的滤波器组相同，而后续的高层分解所用滤波器组均采用延迟1/4采样构造，即后一层滤波器组在前一层滤波器组的基础上延迟1/4个采样周期；
其次、利用构造好的双树滤波器组，采用两个并列的离散小波变换对拾取的齿轮箱振动信号进行并行分解，得到齿轮箱振动的多个子带分解信号；上述多个子带分解信号包含有一个低频子带分解信号和一系列高频子带分解信号；其中每个子带分解信号的实部和虚部分别由第一个离散小波变换和第二个离散小波变换构成；
(3)逐一对分解得到的多个子带分解信号进行能量算子解调处理，提取出齿轮复合故障相关特征并进行识别诊断。
上述步骤(2)中所述双树滤波器组的第一层分解使用的滤波器组为双正交滤波器。
上述步骤(2)中所述双树滤波器组的高层分解使用的滤波器组为线性相位Q平移滤波器。
上述步骤(2)中所述所述双树滤波器组的分解层数介于3 5层之间。
上述步骤(3)中所述能量算子解调的方法为
权利要求
1.一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是包括如下步骤 (1)采用加速度振动传感器拾取齿轮箱振动信号，该加速度传感器安装在待测齿轮箱输入轴端盖上； (2)对采集的风电机组齿轮箱振动信号进行1/4采样平移双树复小波变换，得到信号的多个子带分解信号；即 首先、构造1/4采样平移双树复小波变换所用双树滤波器组，该双树滤波器组的第一层分解使用的滤波器组与原始双树复小波分解第一层的滤波器组相同，而后续的高层分解所用滤波器组均采用延迟1/4采样构造，即后一层滤波器组在前一层滤波器组的基础上延迟1/4个采样周期； 其次、利用构造好的双树滤波器组，采用两个并列的离散小波变换对拾取的齿轮箱振动信号进行并行分解，得到齿轮箱振动的多个子带分解信号；上述多个子带分解信号包含有一个低频子带分解信号和一系列高频子带分解信号；其中每个子带分解信号的实部和虚部分别由第一个离散小波变换和第二个离散小波变换构成； (3)逐一对分解得到的多个子带分解信号进行能量算子解调处理，提取出齿轮复合故障相关特征并进行识别诊断。
2.根据权利要求I所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(2)中所述双树滤波器组的第一层分解使用的滤波器组为双正交滤波器。
3.根据权利要求I所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(2)中所述双树滤波器组的高层分解使用的滤波器组为线性相位Q平移滤波器。
4.根据权利要求I 3中任意一项所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(2)中所述所述双树滤波器组的分解层数介于3 5层之间。
5.根据权利要求I所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(3)中所述能量算子解调的方法为 式中，Xi(t)表示待处理的一子带分解信号，Ψ表示能量算子。
6.根据权利要求I所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(3)中采用人工和计算机相结合的方式对提取出的齿轮复合故障相关特征并进行识别诊断，即 将提取出的齿轮复合故障相关特征与预先存储在计算机的特征数据库中的已知齿轮复合故障特征进行比较；当提取出的齿轮复合故障相关特征与已知齿轮复合故障特征相同时，计算机自动识别出该待测齿轮箱的具体故障模式；当提取出的齿轮复合故障相关特征与已知齿轮复合故障特征不相同时，计算机将该无法判别的齿轮复合故障相关特征进行存储，存储下的无法自动判别的齿轮箱的具体故障模式需要采用人工排查方式才能逐步出判断齿轮箱的具体故障模式。
7.根据权利要求6所述的一种齿轮箱复合故障诊断方法，其特征是步骤(3)中，对于该无法判别的齿轮复合故障相关特征，在采用人工排查方式确定了齿轮箱的具体故障模式之后，需要将该齿轮复合故障相关特征以及对应的齿轮箱的具体故障模式扩展存储至计算机的特征数据库中。
8.一种齿轮箱复合故障诊断系统，其特征是其主要由加速度振动传感器、1/4采样平移双树复小波变换模块、能量算子解调处理模块、模式识别模块和特征数据库构成；加速度振动传感器，安装在待测齿轮箱输入轴端盖上，用于拾取齿轮箱振动信号；1/4采样平移双树复小波变换模块，包括2个并列的双树滤波器组，用于对采集的风电机组齿轮箱振动信号进行1/4采样平移双树复小波变换，得到信号的多个子带分解信号； 上述每个双树滤波器组包括第一层分解滤波器组和后续高层分解滤波器组，该第一层分解滤波器组与原始双树复小波分解第一层的滤波器组相同，而后续的高层分解所用滤波器组均采用延迟1/4采样构造，即后一层滤波器组在前一层滤波器组的基础上延迟1/4个采样周期；能量算子解调处理模块；逐一对分解得到的多个子带分解信号进行能量算子解调处理，提取出齿轮复合故障相关特征；模式识别模块，将能量算子解调处理模块提取出的齿轮复合故障相关特征与特征数据库中已知齿轮复合故障特征进行比较，识别出待测齿轮箱的具体故障模式。
9.根据权利要求8所述的一种齿轮箱复合故障诊断系统，其特征是所述双树滤波器组的第一层分解使用的滤波器组为双正交滤波器。
10.根据权利要求8所述的一种齿轮箱复合故障诊断系统，其特征是所述双树滤波器组的高层分解使用的滤波器组为线性相位Q平移滤波器。
11.根据权利要求8 10中任意一项所述的一种齿轮箱复合故障诊断系统，其特征是: 所述双树滤波器组的分解层数介于3 5层之间。
全文摘要
本发明公开一种齿轮箱复合故障诊断方法及系统，首先，对测量并存储齿轮箱振动信号；其次，采用1/4采样平移双树复小波变换分解；最后，在分解得到的多个子带信号中采用能量算子解调方法提取多个故障特征，进而进行识别出复合故障模式。本发明融合利用双树复小波和能量算子解调的互补特性，获得的齿轮箱复合故障特征提取识别能力高；借助于双树复小波变换的并行实现和能量算子解调算法的快速性，完全可以应用于工作状态下齿轮箱部分巡检和在线监控，避免突发性事故发生；可适于不同型号的齿轮箱部分。
文档编号G01M13/02GK102937522SQ20121031531
公开日2013年2月20日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者王衍学, 向家伟, 蒋占四, 杨晓清 申请人:桂林电子科技大学