一種低速重載齒輪裂紋故障在線檢測方法與流程
2023-09-21 01:22:50 1
本發明涉及機械故障診斷技術領域，特別涉及一種低速重載齒輪裂紋故障在線檢測方法。
背景技術：
在礦山機械、風力發電、大型船舶等領域，齒輪通常在低速重載的工況下運轉，惡劣的工作環境導致低速重載齒輪裂紋乃至斷齒故障時有發生。從消除事故隱患，降低人員財產損失，提升企業的經濟效益等角度考慮，對低速重載齒輪進行在線檢測具有重大現實意義。目前，基于振動測量與分析的技術在齒輪故障診斷領域取得了成功，各種新技術、新方法不斷湧現。然而在低速重載齒輪的故障診斷領域仍面臨以下問題：(1)齒輪的振動信息從故障源到傳感器經過一個複雜的傳遞路徑(齒輪-軸-軸承-箱體)，信號信噪比低；(2)低速重載齒輪振動信號的特徵頻率低，振動及速度不敏感，容易淹沒在其他設備的振動信號及其背景噪聲中。上述原因導致基于振動測量與分析的技術用於低速重載齒輪的在線檢測效果不理想，不能及時發現低速重載齒輪的早期裂紋等故障。因此，有必要尋找一種全新的適合低速重載齒輪的狀態檢測方法。
技術實現要素：
為克服現有技術缺點，本發明的目的在於提供了一種低速重載齒輪裂紋故障在線檢測方法，用於及時發現齒輪的裂紋缺陷及其演變趨勢。
為達到上述目的，本發明採取的技術方案為：
一種低速重載齒輪裂紋故障在線檢測方法，包括以下步驟：
步驟一，在主動齒輪軸處安裝扭矩傳感器和光電轉速傳感器；
步驟二，利用數據採集設備，同步採集光電轉速傳感器測得的轉速脈衝信號t(t)與扭矩傳感器測得的扭矩信號y(t)，轉速脈衝信號t(t)對應的轉速脈衝離散信號tn＝t(n),n＝1,2,3…n，扭矩離散信號yn＝y(n)，n＝1,2,3…n，其中採樣間隔為ds，fs為採樣頻率，採樣點數為n；
步驟三，對扭矩信號y(t)進行去均值處理，得到扭矩隨時間的波動，
式中，表示去均值之後的扭矩信號；
步驟四，利用轉速脈衝離散信號tn對扭矩離散信號yn作時域同步平均處理tsa，目標頻率分別為低速軸和高速軸轉頻；
步驟五，計算時域同步平均信號的均方根值作為齒輪狀態監測的指標；
步驟六，繪製齒輪的狀態監測趨勢。
以目標頻率為輸入軸轉頻，時域同步平均處理tsa實現步驟如下：
1)利用轉速脈衝信號t(t)的上升沿將扭矩離散信號yn分成p段，上升沿對應前一段的結束時刻和後一段的起始時刻；
2)對分割後的每一段信號進行插值處理，保證每段點數相同，插值處理之後每段信號點數為m；
3)對插值後的p段信號相加，取平均值，時域同步平均信號表示為：
式中，表示經過時域同步平均後的信號，表示經過插值之後的分割信號，p表示分割段數。
本發明的有益效果：
正常齒輪傳動過程中，由於動剛度的影響，齒輪的傳遞扭矩在小範圍內波動；當齒輪發生裂紋故障時，故障齒的扭轉動剛度降低，齒輪的傳遞扭矩波動增大，並且出現以故障齒輪的旋轉周期為間隔的衝擊。基於此現象，相比基于振動信息的齒輪狀態檢測方法，本發明方法具有很好的抗幹擾性和準確性，能及時發現齒輪的早期故障，在低速重載齒輪的研發試驗等領域具有很高的應用價值。
附圖說明
圖1為本發明方法流程圖。
圖2為實施例齒輪轉速脈衝信號與輸入軸扭矩信號。
圖3為時域同步平均處理tsa方法流程。
圖4為實施例時域同步平均處理tsa處理後的輸入軸扭矩信號。
圖5為實施例拆箱前8小時輸入軸齒輪狀態監測趨勢圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述。
某企業需要對車橋主減齒輪進行運行狀態在線監測，從而及時發現齒輪的早期故障，鎖定齒輪設計薄弱環節。通常選擇基于振動信息對齒輪進行狀態監測，但在低速重載工況下齒輪的振動信號的信噪比低、易受幹擾，不能及時發現齒輪的早期故障，下面通過本發明解決低速重載齒輪的狀態監測問題。
參照圖1，一種低速重載齒輪裂紋故障在線檢測方法，包括以下步驟：
步驟一，在齒輪的電機軸和齒輪軸聯軸器處安裝扭矩傳感器，在齒輪輸入軸安裝光電轉速傳感器；
步驟二，利用數據採集設備，同步採集光電轉速傳感器測得的轉速脈衝信號t(t)與扭矩傳感器測得的扭矩信號y(t)，如圖2所示；轉速脈衝信號t(t)對應的轉速脈衝離散信號tn＝t(n),n＝1,2,3…n，扭矩離散信號yn＝y(n)，n＝1,2,3…n，其中採樣間隔為ds，fs為採樣頻率，採樣點數為n；
步驟三，對扭矩信號y(t)進行去均值處理，得到扭矩隨時間的波動，
式中，表示去均值之後的扭矩信號；
步驟四，利用轉速脈衝離散信號tn對扭矩離散信號yn作時域同步平均處理tsa，目標頻率分別為低速軸和高速軸轉頻；
以輸入軸為目標頻率的tsa處理流程如圖3所示，處理結果如圖4所示，以目標頻率為輸入軸轉頻，時域同步平均處理tsa實現步驟如下：
1)利用轉速脈衝信號t(t)的上升沿將扭矩離散信號yn分成p段，上升沿對應前一段的結束時刻和後一段的起始時刻；
2)對分割後的每一段信號進行插值處理，保證每段點數相同，插值處理之後每段信號點數為m；
3)對插值後的p段信號相加，取平均值，時域同步平均信號表示為：
式中，表示經過時域同步平均後的信號，表示經過插值之後的分割信號，p表示分割段數；
步驟五，計算時域同步平均信號的均方根值作為齒輪狀態監測的指標；
步驟六，繪製齒輪的狀態監測趨勢，輸入軸齒輪的狀態趨勢如圖5所示，齒輪的失效形式為疲勞裂紋。
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利的保護範圍。