一种行星轮系轮齿状态评估方法、装置、设备和介质

1.本发明属于行星齿轮箱故障诊断技术领域，具体涉及一种基于rms时域同步平均技术的行星轮系轮齿状态评估方法、装置、设备和介质。


背景技术：

2.行星轮系具有重量轻、体积小、承载能力高、结构紧凑、以及传动效率高等优点，在航空航天、冶金开采以及风力发电机组等大型机械设备中得到广泛应用。由于工作环境恶劣，行星轮系易发生局部故障。当某轮齿出现局部故障时，由于局部承载能力的降低，将会使得故障进一步发展，诱发其它轮齿出现故障；故障发展严重时，将造成设备停机，产生经济损失。
3.分析振动信号特征实现行星轮系故障诊断是目前最成熟的技术方法，得到了广泛的应用。相比于定轴轮系，行星轮系中啮合副众多，各啮合副的振动信号相互耦合叠加，并且因行星架的旋转引入了路径调制作用，使得整个轮系的振动信号极为复杂。局部故障发生时，会激发故障冲击振动信号，但早期故障特征信号很微弱，往往淹没于整个轮系的啮合振动信号。传统的故障诊断方法多基于特征频率识别，只利用了冲击振动信号的频率信息，忽略了相位信息和幅值信息，难以实现局部故障类型的识别与损伤程度的判断，无法准确评估轮齿状态。因此，有必要研究一种准确且直观的轮齿状态评估方法，为行星齿轮箱的维护提供针对性建议。
4.行星轮系中各啮合副产生的振动信号，由受迫振动和啮合冲击振动组成，受迫振动表现为以啮合频率为基频的谐波函数，因周期性的刚度激励而产生；啮合冲击振动表现为单边衰减信号，因周期性的刚度突变而产生。健康状态行星轮系中每个轮齿刚进入啮合状态时，不仅存在着刚度突增而产生的刚度冲击，还存在着冲击性最强的啮入冲击；当出现局部故障时，故障轮齿参与啮合将产生幅值更大的故障冲击振动信号。


技术实现要素：

5.本发明提供了基于rms时域同步平均技术的行星轮系轮齿状态评估方法、装置、设备和介质，判断行星轮系是否出现局部故障，分析故障类型，评估故障严重程度，为现场设备维护提供指导性建议。
6.为达到上述目的，本发明所述基于rms时域同步平均技术的行星轮系轮齿状态评估方法，包括以下步骤：
7.s1、根据行星轮系参数，建立内、外啮合副的有限元仿真模型，求解内外啮合副的模态，获取内、外啮合副的固有频率；
8.s2、采集行星轮系振动信号，将行星轮系振动信号中的谐波信号去除，得到残差信号；
9.s3、对残差信号进行protrugram分析，识别冲击振动信号所处频带，并结合固有频率区分、内外啮合冲击振动；
10.s4、根据s3识别得到的固有频带构建零相移带通滤波器，对残差信号进行滤波，提取冲击振动信号；
11.s5、对s4得到的冲击振动信号进行rms时域同步平均分析，消除路径调制的影响，根据是否出现异常峰值判断是否出现故障，根据异常峰值的相位和幅值，局部故障的类型和损伤程度。
12.进一步的，所述s1中，建立的内、外啮合副有限元仿真模型中设置弹簧单元模拟轮齿啮合关系，所述弹簧单元的刚度设置为啮合副时变啮合刚度的平均值设置。
13.进一步的，所述s2中，利用vold
‑
kalman滤波阶次跟踪滤波器将行星轮系振动信号中的谐波信号去除。
14.进一步的，所述s3中，protrugram分析的过程为：固定滤波带宽，使滤波中心频率在频域上移动，形成一系列带宽相同的滤波器组，对残差信号进行滤波，计算滤波后信号的包络谱峭度值，生成峭度
‑
频率图，根据峭度
‑
频率图确定冲击振动信号所处频带。
15.进一步的，所述s5中，根据异常峰值的相位和幅值判断固定类型的过程为：
16.若异常峰值紧随该轮齿的正常峰值出现或与正常峰值重合，则该轮齿存在齿顶断齿故障；若异常峰值出现在两个正常峰值之间，则该轮齿存在齿面剥落故障；若异常峰值出现在轮齿啮合状态后期时，则该轮齿存在齿根故障。
17.一种行星轮系轮齿状态评估装置，包括：
18.采集模块，用于采集行星轮系振动信号，并将采集的采集行星轮系振动信号传递至处理模块；
19.处理模块，用于根据采集行星轮系振动信号评估行星轮系轮齿状态，并传递至显示模块；
20.显示模块，用于显示状态评估结果。
21.一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的状态评估方法的步骤。
22.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的状态评估方法的步骤。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
24.由于rms值相比于算术平均值更能表征信号的能量大小，通过均方根差(root mean square，rms)时域同步平均分析，可以凸显信号的冲击特征，rms值越大，表示信号的冲击性越强。当平均次数设置为内齿圈齿数的整数倍时，即r＝iz
r
，可以消除路径调制的影响，最终rms时域平均结果中能够清晰观察到每个轮齿啮合所产生的冲击峰值。根据是否存在异常峰值，判断是否出现故障；根据异常峰值的相位，区分故障类型；根据异常峰值相比于健康峰值的幅值比例，评估故障损伤严重程度，结果直观，可视化性强，便于现场维护人员参考。
25.本发明所述的基于rms时域同步平均技术的行星轮系轮齿状态评估方法，通过冯
·
卡尔曼滤波(vold
‑
kalman)滤波去除谐波信号，对残差信号进行protrugram分析，而后结合模态分析结果构造零相移带通滤波器，对滤波后信号运用rms时域同步平均技术，分析行星轮系中的冲击振动信号。
26.相比于传统的基于故障特征频率识别的方法，本发明充分利用了冲击振动信号的
频率信息、相位信息、幅值信息，可以直观判断故障轮齿的个数，局部故障的类型，以及故障损伤严重程度。
附图说明
27.图1是本发明的流程图；
28.图2a是行星轮系外啮合副有限元仿真模型；
29.图2b是行星轮系内啮合副有限元仿真模型；
30.图3a是行星轮系健康状态的时域信号；
31.图3b是行星轮系故障状态的时域信号；
32.图4a是故障状态振动信号的局部阶次谱；
33.图4b是故障状态振动信号的阶次包络谱；
34.图5是残差信号的protrugram分析结果；
35.图6是滤波后子信号的阶次包络谱；
36.图7a是外啮合冲击的rms时域平均结果；
37.图7b是内啮合冲击的rms时域平均结果；
38.图8为本发明提供的状态评估装置的模块结构示意图；
39.图9为本发明提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.实施例1
43.参照图1，基于rms时域同步平均技术的行星轮系轮齿状态评估方法，包括以下步骤：
44.步骤1、根据行星轮系各齿轮参数，建立内外啮合副的有限元仿真模型，并进行模态分析以求解内、外啮合副的固有频率；行星轮系各齿轮参数包括齿数、模数和齿宽；
45.内外啮合副有限元仿真模型要设置弹簧单元模拟轮齿啮合关系，求解啮合副整体的固有频率，弹簧单元的刚度设置为啮合副时变啮合刚度的平均值设置。
46.步骤2、采集行星轮系振动信号，利用vold
‑
kalman滤波阶次跟踪滤波器对行星轮系振动信号进行vold
‑
kalman阶次跟踪滤波，去除能量较大的谐波信号，得到残差信号；行星轮系中的信号分为两种，谐波信号和冲击信号，谐波信号的能量大，能反映故障的冲击信号能量小，故首先去除能量大的谐波信号，减少干扰。
47.步骤3、对步骤2得到的残差信号进行protrugram分析。固定滤波带宽，使滤波中心频率在频域上移动，形成一系列带宽相同的滤波器组，对残差信号进行滤波，计算滤波后信号的包络谱峭度值，生成峭度
‑
频率图，在固有频率周围会表现为小山状的凸起，从而指示冲击振动信号所处频带，并结合步骤1得到的固有频率，区分内外啮合冲击振动：当外啮合副的某阶固有频率在别得到的冲击振动所处频带内时，则识别到的冲击振动频带为外啮合冲击；当内啮合副的某阶固有频率在别得到的冲击振动所处频带内时，则识别到的冲击振动频带为内啮合冲击。如识别得到的冲击振动所处频带为[2500hz，3000hz]，而外啮合副的某阶固有频率为2800hz，则认为识别到的冲击性强的[2500hz 3000hz]频带对应为外啮合冲击；
[0048]
步骤4、根据步骤3识别得到的固有频带设置中心频率及带宽，构建零相移带通滤波器，对步骤2得到的残差信号进行滤波，保留冲击频带的信号，滤除其他信号，提高冲击信号的信噪比；
[0049]
步骤5、对步骤4得到的滤波后信号进行rms时域同步平均分析，消除路径调制的影响，在rms时域平均结果中，每个轮齿进入啮合状态时会产生峰值。若行星轮系处于健康状态，z个轮齿对应产生z个峰值，并且各峰值的幅值近乎相等。若存在故障，故障轮齿啮合时将产生异常峰值。根据是否出现异常峰值判断是否出现故障，根据异常峰值的相位，分析局部故障的类型，根据异常峰值相比正常峰值的幅值比例，判断故障损伤程度，实现行星轮系各轮齿健康状态的评估。
[0050]
其中，异常峰值的判断方式如下：
[0051]
将rms时域平均结果中的正常峰值相应的极大值和最小值之差(极差)记为d
i
，若某峰值相应的极差d
j
比正常峰值极差大20％以上，则认为该峰值为异常峰值。
[0052]
根据异常峰值的相位，分析局部故障的类型的具体方法如下：
[0053]
若异常峰值出现在轮齿刚进入啮合状态时，即紧随该轮齿的正常峰值出现(或与正常峰值重合)，则认为该轮齿存在齿顶断齿故障；若异常峰值出现在两个正常峰值之间，则认为该轮齿存在齿面剥落故障。若异常峰值出现在轮齿啮合状态后期时，即紧邻下个轮齿的正常峰值出现，则认为该轮齿存在齿根故障；总体而言，根据异常峰值相对于其两侧相邻的健康峰值的位置，判断轮齿的故障区域。
[0054]
根据异常峰值相比正常峰值的幅值比例，判断故障损伤程度，具体方法如下：
[0055]
若异常峰值的极差d
j
比正常峰值的极差d
i
大20％～50％，则评估为轮齿轻度损伤；若异常峰值的极差d
j
比正常峰值的极差d
i
大50％～100％，则评估为轮齿中度损伤；若异常峰值的极差d
j
比正常峰值的极差d
i
大100％以上，则评估为轮齿重度损伤，必须马上停机检修及维护。
[0056]
其中，rms时域同步平均分析，是用rms值替代传统时域平均方法中的算术平均值，
在保留梳状滤波器特性的同时，凸显冲击特性。当平均次数r为内齿圈齿数z
r
整数倍时，可以消除路径调制的影响。
[0057]
以辊压机行星齿轮箱的试验振动数据为例进行分析，验证本发明所述方法的有效性，齿轮箱中间级的行星轮上依次设置了三种损伤严重程度的齿顶断齿故障，两种损伤严重程度的齿面剥落故障，以及两种深度的齿根裂纹故障。行星轮系参数如表1所示。
[0058]
表1
[0059][0060]
参照图2a和图2b，为行星齿轮箱内外啮合副的有限元仿真模型，对该模型进行模态分析求解内外啮合副的固有频率。
[0061]
参照表2，为内、外啮合副固有频率的求解结果。
[0062]
表2
[0063][0064]
参照图3a和图3b，为行星齿轮箱的原始振动信号，故障状态振动信号中无明显的冲击现象，从时域上无法区分健康状态与故障状态。
[0065]
参照图4a和图4b，从故障状态行星轮系振动信号的阶次谱及阶次包络谱，均无法观察到故障特征频率。
[0066]
参照图5，经vold
‑
kalman滤波后，对残差信号进行protrugram分析，识别冲击振动所处频带，并结合表2，实现内外啮合冲击的区分。
[0067]
参照图6，根据图5的识别结果，构造零相移带通滤波器，提取内外啮合冲击信号。滤波后子信号的阶次包络谱如图6所示，出现了明显的行星轮故障特征阶次及其倍阶(o
p2
、2o
p2
、3o
p2
)，表明行星轮上出现了故障。
[0068]
参照图7a和图7b，对提取到的内外啮合冲击信号按行星轮故障特征周期进行rms时域同步平均分析，平均次数设置为2倍的内齿圈齿数。从图中可直观观察到，外啮合冲击
rms时域平均结果中出现了5个异常峰值，即图7a中用虚线标出的5个异常峰值，前三个异常峰值出现在轮齿刚进入啮合状态时，对应为齿顶断齿故障，幅值逐渐增大，符合轻度、中度、重度齿顶断齿故障轮齿的啮合次序。后两个异常峰值出现在两个正常峰值之间，表明轮齿进入或接近单齿啮合区时产生异常峰值，对应为齿面剥落故障。内啮合冲击rms时域平均结果中出现了两个异常峰值，而与外啮合副异常峰值对应的轮齿位置没有出现异常峰值，由于行星轮的故障面与太阳轮外啮合，而与内齿圈啮合的工作面无故障，因此内啮合冲击rms时域平均结果中不出现齿顶断齿、齿面剥落故障所引起的异常峰值，行星轮上的轮齿两个面分别与太阳轮和内齿圈啮合，在本试验中，模拟故障在与太阳轮的啮合面上，和行星轮的啮合面为健康面，理论上内啮合冲击不会出现故障引起的异常峰值，符合实际情况，这两个异常峰值对应为齿根裂纹故障，符合轻度、中度裂纹故障轮齿的啮合次序。
[0069]
实施例2
[0070]
本发明提供的行星轮系轮齿状态评估装置，如图8所示，包括采集模块、处理模块和显示模块。
[0071]
其中，采集模块，用于采集行星轮系振动信号，并将采集的行星轮系振动信号传递至处理模块；处理出模块，用于根据行星轮系振动信号评估行星轮系轮齿状态，并传递至显示模块；显示模块，用于显示状态评估结果。
[0072]
实施例3
[0073]
本发明提供的一种计算机设备，如图9所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的状态评估方法的步骤。例如图1所示的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0074]
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
[0075]
所述状态评估装置/终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述状态评估装置/终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0076]
所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0077]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述状态评估装置/终端设备的各种功能。
[0078]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0079]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得
一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0080]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。