一種用于主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械狀態監測和故障診斷技術領域，設及一種無轉速信號的時域同步 平均方法，尤其是一種用于直升機主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法。
【背景技術】
[0002] 主減速器齒輪箱作為直升機傳動系統的關鍵部件，結構復雜，長期處于高速、交變 重載的惡劣環境下，又由于其無冗余設計，容易產生故障和損壞，其健康狀況直接關系到直 升機的飛行安全。因此，為了提高直升機運行安全性W及防止事故發生就必須對齒輪箱進 行狀態監測和故障診斷。
[0003] 提取有效的故障特征是齒輪箱故障診斷的前提，它直接制約了齒輪箱故障診斷的 效率和準確性。目前，基于時標的時域同步平均是最為有效的齒輪箱振動信號特征提取處 理方法，該方法可W有效消除復雜周期信號的隨機干擾和噪聲，從復雜系統的振動信號中 提取出與轉頻相關的周期信號，得到了廣泛應用，尤其適合于齒輪箱故障分析。然而，該種 方法不僅需要拾取振動分析信號，同時還需要通過轉速傳感器或光學編碼器來拾取回轉軸 的時標信號，來鎖定各信號段的起始點。直升機主減速器齒輪箱由于結構原因無法安裝時 標信號傳感器（轉速傳感器或光學編碼器），限制了時域同步平均方法在直升機主減速器 齒輪狀態監測與故障診斷中的應用。因此，進行無轉速信號時域同步平均方法的研究具有 十分重要的意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有時域同步平均方法的缺點，提供一種用于直升機主減 速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法，該方法只需已知近似轉速值和齒輪齒數，無 需時標信號，可自動對原始振動信號進行時域同步平均，具有能夠有效地消除隨機干擾和 噪聲，執行速度快、無需人為干預的特點。
[0005] 為了達到上述目的，本發明的解決方案是：
[0006] 一種用于主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、對主減速器齒輪箱振動信號進行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖； [000引步驟二、根據已知近似轉速和齒輪齒數，檢測獲取前S階齒輪曬合頻率諧波的峰 值，其中檢測頻段寬度為齒輪曬合頻率諧波的±5%;
[0009] 步驟=、計算前五階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數KMdet,選擇截止 階數最高的曬合頻率諧波交下一步處理；
[0010] 步驟四、窄帶解調選中的曬合頻率諧波，計算轉軸的角度位置；
[0011] 步驟五、判斷轉速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執行下一步，如果 超出，則選擇更低一階的曬合諧波頻率，重新執行步驟四；
[0012] 步驟六、根據轉軸的角度位置計算轉速時刻，按轉軸旋轉周期將原始振動數據分 段，對每個旋轉周期的數據進行重采樣。
[0013] 依據上述特征，所述傅里葉變換的公式為：
[0014]
[0015] 依據上述特征，所述局部信噪比SNRk的公式為：
[0016]
[0017] 其中，PkTM為第k階曬合頻率諧波處帶寬為2B內信號總功率，P kb為第k階曬合頻 率諧波處帶寬2B內噪聲功率，頻帶帶寬B:
[001 引
[0019] 其中，fi、f2為曬合齒輪兩旋轉軸轉速，N1、馬為曬合兩齒輪副的齒數。
[0020] 依據上述特征，所述截止階數的公式：
[0021]
[002引式中，巧"為3地，N,h=Ni或者N2,依據選擇軸來確定；Ni、N2為曬合兩齒輪副的齒 數。
[0023] 依據上述特征，所述步驟六中的重采樣公式為：
[0024]
r二0，1，2，.'.，N
[002引 5=A(M/N)
[0026] 其中，N為重采樣后的點數，M為重采樣之前原始數據段的點數，Xf為重采樣后數 據，Xt為按照轉軸旋轉周期對原始振動數據分段后的數據。
[0027] 采用上述方案后，本發明采用評估曬合頻率諧波處的局部信噪比和截止階數自動 選取滿足條件的某階曬合頻率諧波作為窄帶濾波的中屯、頻率，無需任何時標信號，而且能 有效提高原始信號的信噪比，為直升機主減速器齒輪箱狀態監測與故障診斷提供了依據。
【附圖說明】
[002引圖1本發明流程圖；
[0029] 圖2齒輪曬合頻率諧波窄帶濾波譜圖
【具體實施方式】
[0030] W下結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0031] 為了從直升機主減速器齒輪箱振動信號中有效地提取有用振動特征，本發明自動 選取齒輪曬合頻率的特定諧波，并對其進行窄帶解調，從而估計轉軸的角度位置（能轉化 成時標），再根據轉軸旋轉周期時標對原始振動信號進行分段與重采樣，最終通過時域平均 有效地降低振動噪聲，為直升機主減速器齒輪箱的故障特征提取提供了方法，為后續狀態 監測和故障診斷奠定了基礎。
[0032] 如圖I所示，本發明提供一種用于直升機主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步 平均方法，包括如下步驟：
[0033] 1)對主減速器齒輪箱振動信號進行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖。傅里葉 變換的公式為：
[0034]
[0035] 其中，x(t)為主減速器齒輪箱振動信號。
[0036] 。根據已知近似轉速和齒輪齒數，檢測獲取前立階齒輪曬合頻率諧波的峰值，該 峰值可用于估計曬合諧波具體值，及下一步驟局部信噪比的估計。其中檢測頻段寬度為齒 輪曬合頻率諧波的±5%。
[0037] 3)估計前五階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數選擇截止階數 最高的曬合頻率諧波。
[003引齒輪第k階曬合頻率諧波的局部信噪比SNRk:
[0039]
[0040] 其中，PkT。為第k階曬合頻率諧波處帶寬為2B內信號總功率，Pkb為第k階曬合頻 率諧波處帶寬2B內噪聲功率，頻帶帶寬B:
[0041]
[004引其中，fi、f2為曬合齒輪兩旋轉軸轉速，N1、馬為曬合兩齒輪副的齒數。
[0043] 上述步驟（2)中，截止階數K"der:
[0044]
[0045] 式中，巧W為3地，N,h=N1或者N2 (依據選擇軸來確定）。
[0046] 4)窄帶解調選中的曬合頻率諧波，估計轉軸的角度位置。
[0047] 通過W第k階曬合頻率諧波的為中屯、的帶通濾波器，獲得信號 >'(叫==.\'/<(：0扔(/') + /)(/')，采用化化61'1：變換對7(1：)進行解調獲得轉速波動。
[0048] 5)判斷轉速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執行下一步，如果超出， 則選擇更低一階的曬合諧波頻率，重新執行步驟四。
[0049] 6)估計轉速時刻，按轉軸旋轉周期將原始振動數據分段，對每個旋轉周期的數據 進行重采樣，再進行疊加平均。
[0化日]重采樣公式為；
[o05U
r二 0,1,2,...,N
[0052] 5=A(M/N)
[0053] 其中，N為重采樣后的點數，M為重采樣之前原始數據段的點數，A為原始信號的 采樣間隔，Xt為按照旋轉周期對原始振動數據分段后的數據。
[0054] 可W理解的是，對本領域普通技術人員來說，可W根據本發明的技術方案及其發 明構思加W等同替換或改變，而所有該些改變或替換都應屬于本發明所附的權利要求的保 護范圍。
【主權項】
1. 一種用于主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法，其特征在于包括如下步 驟： 步驟一、對主減速器齒輪箱振動信號進行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖； 步驟二、根據已知近似轉速和齒輪齒數，檢測獲取前三階齒輪嚙合頻率諧波的峰值，其 中檢測頻段寬度為齒輪嚙合頻率諧波的±5% ; 步驟三、計算前五階嚙合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數K ，選擇截止階數 最高的嚙合頻率諧波交下一步處理； 步驟四、窄帶解調選中的嚙合頻率諧波，計算轉軸的角度位置； 步驟五、判斷轉速波動是否超出最大允許值，如果沒有超出，則執行下一步，如果超出， 則選擇更低一階的嚙合諧波頻率，重新執行步驟四； 步驟六、根據轉軸的角度位置計算轉速時刻，按轉軸旋轉周期將原始振動數據分段，對 每個旋轉周期的數據進行重采樣。2. 根據權利要求1所述的無轉速信號時域同步平均方法，其特征在于所述傅里葉變換 的公式為：3. 根據權利要求1所述的無轉速信號時域同步平均方法，其特征在于所述局部信噪比 SNRk的公式為：其中，P1^t為第k階嚙合頻率諧波處帶寬為2B內信號總功率，Pkb為第k階嚙合頻率諧 波處帶寬2B內噪聲功率，頻帶帶寬B:其中，f\、f2為嚙合齒輪兩旋轉軸轉速，NpN2為嚙合兩齒輪副的齒數。4. 根據權利要求1所述的無轉速信號時域同步平均方法，其特征在于所述截止階數 Kmfa的公式：式中，為3dB，Nsh=Ni或者N2，依據選擇軸來確定；&、N2為嚙合兩齒輪副的齒數。5. 根據權利要求1所述的無轉速信號時域同步平均方法，其特征在于所述步驟六中的 重采樣公式為：8=A(M/N) 其中，N為重采樣后的點數，M為重采樣之前原始數據段的點數，&為重采樣后數據，Xt 為按照轉軸旋轉周期對原始振動數據分段后的數據。
【專利摘要】本發明公開了一種用于主減速器齒輪箱的無轉速信號時域同步平均方法，包括如下步驟：一、對主減速器齒輪箱振動信號進行傅里葉變換，得到傅里葉變換頻譜圖；二、根據已知近似轉速和齒輪齒數，檢測獲取前三階齒輪嚙合頻率諧波的峰值；三、計算前五階嚙合頻率諧波的局部信噪比SNRk和截止階數Korder，選擇截止階數最高的嚙合頻率諧波交下一步處理；四、窄帶解調選中的嚙合頻率諧波，計算轉軸的角度位置；五、根據轉軸的角度位置計算轉速時刻，按轉軸旋轉周期將原始振動數據分段，對每個旋轉周期的數據進行重采樣。本發明只需已知近似轉速值和齒輪齒數，無需時標信號，便可自動對原始振動信號進行時域同步平均。
【IPC分類】G01M13/02
【公開號】CN104964822
【申請號】CN201510336548
【發明人】唐林牧, 沈勇, 鄭國 , 王景霖, 何召華, 單添敏, 林澤力
【申請人】中國航空工業集團公司上海航空測控技術研究所
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年6月17日