基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，包括：S1，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴振动加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；S2，对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数据；S3，通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿轮压力角方向上振动加速度信号。获取的信号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况，且不受传递路径的影响，对早期故障更加敏感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。
【专利说明】
基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机械传动信号分析领域，尤其涉及一种基于微型传感器的齿轮压力角 方向局域振动信号获取方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮传动由于其传动平稳，传动比精确，效率高，使用的功率、速度和尺寸范围大 等优点，广泛应用于风力发电、航空、船舶、冶金、石化、矿山和起重运输等领域的机械结构 中。然而，由于齿轮箱通常工作在低速重载的恶劣环境下，其内部齿轮的磨损和疲劳裂纹等 故障时有发生，由此可能引发连锁反应，导致整个传动系统的停机，造成巨大的经济损失和 恶劣的社会影响。因此，监测齿轮箱状态，正确识别齿轮箱的早期故障具有重要的意义。
[0003] 目前，针对齿轮箱的振动监测方法大都是在齿轮箱壳体或轴承座上布置加速度传 感器。由于故障齿轮啮合冲击经界面传递过程中能量衰减，在这些位置上拾取的故障振动 特征信号微弱。现有技术不能适应齿轮啮合传动特点，跟踪故障激励源，故无法真实地反映 齿轮箱的故障信息。所以亟需本领域技术人员解决相应的技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于 微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法。
[0005] 为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于微型传感器的齿轮压力角方 向局域振动信号获取方法，包括：
[0006] Sl，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴 振动加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波；
[0007] S2,对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信 号数据；
[0008] S3,通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿 轮压力角方向上振动加速度信号。
[0009] 所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述 Sl包括：
[0010] 加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用&表示，Y轴方向所感知的振动加速 度用ay表示;从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角 用Θ表示，此角度表示齿轮所处角位置;齿轮啮合压力角为α;则a x与ay沿啮合压力角方向上 的投影加速度分量分别为：
[0011 ] axa = _ax · cos(a+0)，
[0012] aya = ay · sin(a+0)，
[0013] 被测齿轮沿压力角方向的振动加速度aa为：
[0014] aa = axa+aya = ay · sin(a+0)-ax · cos(a+0)，
[0015] 对某个齿轮而言，压力角α为一常数值，齿轮角位置Θ随齿轮转动而周期性变化；由 于重力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的 信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，低频正弦信号的频率即为转频，
[0016] 通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮 的实时角位置Θ，进而计算出沿啮合压力角方向的振动加速度信号，
[0017] 从微型加速度传感器X轴方向与Y轴方向采集的离散数字信号分别用数组Sx与Sy表 示，信号长度为m个采样点，上标T表示向量/矩阵转置：
[0018] sx=[sx(0) Sx(I) ... sx(m)]T,
[0019] Sy=[Sy(0) Sy(I) ... Sy(m)]T，
[0020] 将所得信号Sx通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组WxH表示，滤波 器阶数为N，滤波器群延迟为τ χΗ个采样点：
[0021] WxH=[WxH(0) Wxh(I) ... Wxh(N)]t〇
[0022] 滤波后的信号用SxH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：
[0023]
[0024] Sy分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别 用数组WyL和WyH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为TyL和TyH个采样点：
[0025] WyL=[WyL(0) WyL(I) ... WyL(N)]T，
[0026] WyH= [WyH(O) WyH(I)…WyH(N)]T，
[0027] 滤波后的信号分别用SyL和SyH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算 结果：
[0028]
[0029]
[0030] 所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述 Sl中加速度值的采集过程还包括：
[0031] 当被测齿轮为斜齿轮时，由于啮合力包含沿齿轮轴向的分力？3，故获取沿压力角 方向的齿轮局部振动信号需要采用三轴微型加速度传感器；
[0032] 通过该加速度传感器采集齿轮X轴、Y轴和Z轴振动加速度信号值，经过线性相位滤 波器滤波，对滤波器群延迟的采样点进行数据采样。
[0033] 所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述 Sl中加速度值的采集过程还包括：
[0034] 传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴 向，其感知的加速度分别为ax，a y，az;齿轮螺旋角为β，法面压力角为αη;从重力竖直向下方 向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用Θ表示;则被测齿轮沿压力角方 向的振动加速度a a为：
[0035]
[0036] 所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述 S2包括：
[0037] 由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同 步滤波后的信号，以便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正，即分别将SxH，SyL和SyH 三组信号从时域上向前移动TxH，TyL和TyH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速 度信号，低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用SxA，SR和SyA表不：
[0038] -
[0039]
[0040]
[0041] 所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，优选的，所述 S3包括：
[0042]对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提 取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用SP表示：
[0043] sp = Arg(Hilbert(SR))，
[0044] 则投影合成的沿齿轮啮合压力角方向的振动加速度Sa由下式计算：
[0045] Sa = SxAX sin(sp+α)-SyAX cos(sp+α)，
[0046] 其中乘号X表示向量外积，加号+表示向量中每一标量元素均与同一标量相加。 [0047]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0048] 通过在齿轮端面安装微型多向加速度传感器，将传感器各测量方向所感知的加速 度数值实时投影到压力角方向，其投影数值的加和即为齿轮传动过程中沿压力角方向的啮 合局部冲击。齿轮传动靠轮齿嗤合力传递扭矩，而嗤合力总是沿压力角方向，故所获取的信 号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况，且不受传递路径的影响，对早期故障更加敏 感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。
[0049] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0050] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0051 ]图1是本发明双轴加速度传感器安装示意图；
[0052]图2是本发明齿轮啮合压力角度示意图；
[0053]图3是本发明采集频率信号示意图；
[0054]图4是本发明振动信号获取方法示意图；
[0055]图5是本发明三轴加速度传感器安装示意图。
【具体实施方式】
[0056]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0057] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底" "内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。
[0058] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语"安装"、"相连"、 "连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语的具体含义。
[0059]本专利针对齿轮箱传动过程齿轮受力特点，提出一种沿齿轮压力角方向的齿轮局 域振动信号的获取方法。通过在齿轮端面安装微型多向加速度传感器，将传感器各测量方 向所感知的加速度数值实时投影到压力角方向，其投影数值的加和即为齿轮传动过程中沿 压力角方向的嗤合局部冲击。齿轮传动靠轮齿嗤合力传递扭矩，而嗤合力总是沿压力角方 向，故所获取的信号直接反映了齿轮激励源的振动与冲击情况，且不受传递路径的影响，对 早期故障更加敏感，为齿轮故障的预示与诊断提供了新的途径。
[0060] 直齿轮布置方式如图1所示，在齿轮端面布置双轴微型加速度传感器，传感器X轴 测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向。齿轮运转过程中，轮齿受到的啮合力沿齿 轮压力角方向，传感器的两个测量方向所在平面即齿轮端面与齿轮压力角方向平行，啮合 力沿两个测量方向的投影分力可被微型传感器所感知并采集。
[0061] 如图2所示，加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用ax表示，Y轴方向所感知 的振动加速度用a y表示。从(重力）竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测 量正向的夹角用Θ表示，此角度表示齿轮所处角位置。齿轮啮合压力角为α。则a x与ay沿啮合 压力角方向上的投影加速度分量为：
[0062] axa = -ax · cos(a+0)
[0063] aya = ay · sin(a+0)
[0064] 被测齿轮沿压力角方向的振动加速度aa为：
[0065] aa = axa+aya = ay · sin(a+0)-ax · cos(a+0)
[0066] 对某个齿轮而言，压力角a为一常数值，齿轮角位置Θ随齿轮转动而周期性变化。由 于重力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的 信号包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，如图3所示，低频正弦信号的频率即 为转频。
[0067] 通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮 的实时角位置Θ，进而计算出沿啮合压力角方向的振动加速度信号，计算流程如下所示：
[0068] 从微型加速度传感器X轴方向与Y轴方向采集的离散数字信号分别用数组Sx与Sy表 示，信号长度为m个采样点：
[0069] sx=[sx(0) Sx(I) ... sx(m)]T
[0070] Sy=[Sy(0) Sy(I)…Sy(m)]T
[0071] 将所得信号Sx通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组WxH表示，滤波 器阶数为N，滤波器群延迟为和τ χΗ个采样点：
[0072] Wxh=[wxh(0) Wxh(I) ... Wxh(N)Jt
[0073] 滤波后的信号用SxH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：
[0074]
[0075] Sy分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别 用数组WyL和WyH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为TyL和TyH个采样点：
[0076] WyL= [WyL(O) WyL(I)…WyL(N)]T
[0077] WyH= [WyH(O) WyH(I)…WyH(N)]1"
[0078] 滤波后的信号分别用SyL和SyH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算 结果：
[0079:
[0080：
[0081] 由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同 步滤波后的信号，以便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正，即分别将s xH，syL和syH三 组信号从时域上向前移动TxH，T yL和TyH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速度 信号，低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用SxA，SR和SyA表不：
[0082] SxA= [Sxh(Txh) Sxh(txh+1) ... SxH(m)]T
[0083] sr=[sl(tl) sl(tl+1) ... sl(ih)]t
[0084] SyA= [SyH( TyH) SyH(TyH+l)…SyH(m)]T
[0085] 对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角 提取转速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用SP表示：
[0086] sp = Arg(Hilbert(SR))
[0087] 则投影合成的沿齿轮啮合压力角方向的振动加速度Sa由下式计算：
[0088] Sa = SxAX sin (sp+α)-SyA X cos (sp+a)
[0089] 其中乘号X表示向量外积，加号+表示向量中每一标量元素均与同一标量相加。
[0090] 以上计算流程如图4所示，最终获得沿压力角方向的齿轮局部振动信号。
[0091] 当被测齿轮为斜齿轮时，由于啮合力包含沿齿轮轴向的分力？3，故获取沿压力角 方向的齿轮局部振动信号需要采用三轴微型加速度传感器，如图5所示。
[0092] 传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴 向，其感知的加速度分别为3\，&7， &2。齿轮螺旋角为0，法面压力角为％。从(重力）竖直向下 方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用Θ表示。则被测齿轮沿压力角 方向的振动加速度a a为：
[0093]
[0094」在本说明爷的描述中，参考术诰"一个买施例"、"一些买施例"、"不例"、"具体不 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0095]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【主权项】
1. 一种基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法，其特征在于，包括： S1，在齿轮端面安装双轴加速度传感器，通过该加速度传感器采集齿轮X轴和Y轴振动 加速度信号值，并将所得信号经过线性相位滤波器进行滤波； 52, 对滤波后信号进行群延迟修正，获取低频转速信号数据和高频振动加速度信号数 据； 53, 通过希尔伯特变换得到该加速度传感器的瞬时角位置信号，进而合成得到齿轮压 力角方向上振动加速度信号。2. 根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法， 其特征在于，所述S1包括： 加速度传感器X轴方向所感知的振动加速度用ax表示，Y轴方向所感知的振动加速度用 ay表示;从重力竖直向下方向沿齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用Θ表 示，此角度表示齿轮所处角位置;齿轮晒合压力角为α;则ax与ay沿晒合压力角方向上的投影 加速度分量分别为： axa = -ax · cos(a+白）， 曰ya =曰y · sin(a+白）， 被测齿轮沿压力角方向的振动加速度aa为： 曰α =曰 χα+曰ya =曰y · sin(a +白）一曰X · COS(a +白）， 对某个齿轮而言，压力角α为一常数值，齿轮角位置Θ随齿轮转动而周期性变化；由于重 力沿加速度传感器测量方向上的分力随齿轮转动而发生变化，故加速度传感器获得的信号 包含低频正弦信号与高频振动加速度信号两部分，低频正弦信号的频率即为转频， 通过对加速度传感器所获取的信号中的低频成分进行分离与处理可计算出齿轮的实 时角位置Θ，进而计算出沿晒合压力角方向的振动加速度信号， 从微型加速度传感器X轴方向与Υ轴方向采集的离散数字信号分别用数组Sx与Sy表示， 信号长度为m个采样点，上标T表示向量/矩阵转置： Sx=[Sx(0) Sx(l) ... Sx(m)]T， Sy=[S^O) Sy(l) . . . Sy(m)]T， 将所得信号Sx通过线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数用数组WxH表示，滤波器阶 数为N，滤波器群延迟为τχΗ个采样点： WxH=[WxH(0) WxH(l) ... WxH(N)]T。 滤波后的信号用SxH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：Sy分别通过线性相位低通滤波器和线性相位高通滤波器，滤波器抽头权系数分别用数 组WyL和WyH表示，滤波器阶数为N，滤波器群延迟分别为TyL和TyH个采样点： WyL=[WyL(〇) WyL(l) ... WyL(N)]T， WyH=[WyH(〇) WyH(l) ... WyH(N)]T， 滤波后的信号分别用SyL和SyH表示，即原始信号与滤波器抽头权数组的卷积运算结果：3. 根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法， 其特征在于，所述S1中加速度值的采集过程还包括： 当被测齿轮为斜齿轮时，由于晒合力包含沿齿轮轴向的分力Fa,故获取沿压力角方向的 齿轮局部振动信号需要采用Ξ轴微型加速度传感器； 通过该加速度传感器采集齿轮X轴、Y轴和Z轴振动加速度信号值，经过线性相位滤波器 滤波，对滤波器群延迟的采样点进行数据采样。4. 根据权利要求3所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法， 其特征在于，所述S1中加速度值的采集过程还包括： 传感器X轴测量方向为齿轮切向，Y轴测量方向为齿轮径向，Z轴测量方向为齿轮轴向， 其感知的加速度分别为ax，ay，az;齿轮螺旋角为β，法面压力角为an;从重力竖直向下方向沿 齿轮转动方向指向加速度传感器Y轴测量正向的夹角用Θ表示;则被测齿轮沿压力角方向的 振动加速度aa为：5. 根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法， 其特征在于，所述S2包括： 由于滤波器对信号相位的延迟作用，滤波后的信号存在不同长度的群延迟，为同步滤 波后的信号，W便后续合成计算，需要对信号进行群延迟修正，即分别将SxH，SyL和SyH^组信 号从时域上向前移动ΤχΗ，TyL和TyH个采样点，修正后的信号分别为X轴高频振动加速度信号， 低频转速信号与Y轴高频振动加速度信号，分别用SxA，SR和SyA表不：6. 根据权利要求1所述的基于微型传感器的齿轮压力角方向局域振动信号获取方法， 其特征在于，所述S3包括： 对低频转速信号进行希尔伯特变换得到复数解析信号，再对复解析信号求幅角提取转 速信号的瞬时相位，即传感器的瞬时角位置，用SP表示： sp=Arg(Hilbert(SR))， 则投影合成的沿齿轮晒合压力角方向的振动加速度Sa由下式计算： Sa = SxAXsin(Sp+曰）-SyAXc〇S(Sp+曰）， 其中乘号X表不向量外积，加号+表不向量中每一标量兀素均与同一标量相加。
【文档编号】G01H1/12GK105841792SQ201610148953
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】邵毅敏, 郭放
【申请人】重庆大学