基于微型傳感器的齒輪壓力角方向局域振動信號獲取方法技術

本發明專利技術提出了一種基于微型傳感器的齒輪壓力角方向局域振動信號獲取方法，包括：S1，在齒輪端面安裝雙軸加速度傳感器，通過該加速度傳感器采集齒輪X軸和Y軸振動加速度信號值，并將所得信號經過線性相位濾波器進行濾波；S2，對濾波后信號進行群延遲修正，獲取低頻轉速信號數據和高頻振動加速度信號數據；S3，通過希爾伯特變換得到該加速度傳感器的瞬時角位置信號，進而合成得到齒輪壓力角方向上振動加速度信號。獲取的信號直接反映了齒輪激勵源的振動與沖擊情況，且不受傳遞路徑的影響，對早期故障更加敏感，為齒輪故障的預示與診斷提供了新的途徑。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術提出了一種，包括：S1，在齒輪端面安裝雙軸加速度傳感器，通過該加速度傳感器采集齒輪X軸和Y軸振動加速度信號值，并將所得信號經過線性相位濾波器進行濾波；S2，對濾波后信號進行群延遲修正，獲取低頻轉速信號數據和高頻振動加速度信號數據；S3，通過希爾伯特變換得到該加速度傳感器的瞬時角位置信號，進而合成得到齒輪壓力角方向上振動加速度信號。獲取的信號直接反映了齒輪激勵源的振動與沖擊情況，且不受傳遞路徑的影響，對早期故障更加敏感，為齒輪故障的預示與診斷提供了新的途徑。【專利說明】
本專利技術涉及機械傳動信號分析領域，尤其涉及一種基于微型傳感器的齒輪壓力角 方向局域振動信號獲取方法。
技術介紹
齒輪傳動由于其傳動平穩，傳動比精確，效率高，使用的功率、速度和尺寸范圍大 等優點，廣泛應用于風力發電、航空、船舶、冶金、石化、礦山和起重運輸等領域的機械結構 中。然而，由于齒輪箱通常工作在低速重載的惡劣環境下，其內部齒輪的磨損和疲勞裂紋等 故障時有發生，由此可能引發連鎖反應，導致整個傳動系統的停機，造成巨大的經濟損失和 惡劣的社會影響。因此，監測齒輪箱狀態，正確識別齒輪箱的早期故障具有重要的意義。 目前，針對齒輪箱的振動監測方法大都是在齒輪箱殼體或軸承座上布置加速度傳 感器。由于故障齒輪嚙合沖擊經界面傳遞過程中能量衰減，在這些位置上拾取的故障振動 特征信號微弱。現有技術不能適應齒輪嚙合傳動特點，跟蹤故障激勵源，故無法真實地反映 齒輪箱的故障信息。所以亟需本領域技術人員解決相應的技術問題。
技術實現思路
本專利技術旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種基于 微型傳感器的齒輪壓力角方向局域振動信號獲取方法。 為了實現本專利技術的上述目的，本專利技術提供了一種基于微型傳感器的齒輪壓力角方 向局域振動信號獲取方法，包括： Sl，在齒輪端面安裝雙軸加速度傳感器，通過該加速度傳感器采集齒輪X軸和Y軸 振動加速度信號值，并將所得信號經過線性相位濾波器進行濾波； S2,對濾波后信號進行群延遲修正，獲取低頻轉速信號數據和高頻振動加速度信 號數據； S3,通過希爾伯特變換得到該加速度傳感器的瞬時角位置信號，進而合成得到齒 輪壓力角方向上振動加速度信號。 所述的，優選的，所述 Sl包括： 加速度傳感器X軸方向所感知的振動加速度用&表示，Y軸方向所感知的振動加速 度用ay表示;從重力豎直向下方向沿齒輪轉動方向指向加速度傳感器Y軸測量正向的夾角 用Θ表示，此角度表示齒輪所處角位置;齒輪嚙合壓力角為α;則a x與ay沿嚙合壓力角方向上 的投影加速度分量分別為： axa = _ax · cos(a+0)， aya = ay · sin(a+0)， 被測齒輪沿壓力角方向的振動加速度aa為： aa = axa+aya = ay · sin(a+0)-ax · cos(a+0)， 對某個齒輪而言，壓力角α為一常數值，齒輪角位置Θ隨齒輪轉動而周期性變化；由 于重力沿加速度傳感器測量方向上的分力隨齒輪轉動而發生變化，故加速度傳感器獲得的 信號包含低頻正弦信號與高頻振動加速度信號兩部分，低頻正弦信號的頻率即為轉頻， 通過對加速度傳感器所獲取的信號中的低頻成分進行分離與處理可計算出齒輪 的實時角位置Θ，進而計算出沿嚙合壓力角方向的振動加速度信號， 從微型加速度傳感器X軸方向與Y軸方向采集的離散數字信號分別用數組Sx與Sy表 示，信號長度為m個采樣點，上標T表示向量/矩陣轉置： sx=T, Sy=T， 將所得信號Sx通過線性相位高通濾波器，濾波器抽頭權系數用數組WxH表示，濾波 器階數為N，濾波器群延遲為τ χΗ個采樣點： WxH=t〇 濾波后的信號用SxH表示，即原始信號與濾波器抽頭權數組的卷積運算結果： Sy分別通過線性相位低通濾波器和線性相位高通濾波器，濾波器抽頭權系數分別 用數組WyL和WyH表示，濾波器階數為N，濾波器群延遲分別為TyL和TyH個采樣點： WyL=T， WyH= T， 濾波后的信號分別用SyL和SyH表示，即原始信號與濾波器抽頭權數組的卷積運算 結果： 所述的，優選的，所述 Sl中加速度值的采集過程還包括： 當被測齒輪為斜齒輪時，由于嚙合力包含沿齒輪軸向的分力？3，故獲取沿壓力角 方向的齒輪局部振動信號需要采用三軸微型加速度傳感器； 通過該加速度傳感器采集齒輪X軸、Y軸和Z軸振動加速度信號值，經過線性相位濾 波器濾波，對濾波器群延遲的采樣點進行數據采樣。 所述的，優選的，所述 Sl中加速度值的采集過程還包括： 傳感器X軸測量方向為齒輪切向，Y軸測量方向為齒輪徑向，Z軸測量方向為齒輪軸 向，其感知的加速度分別為ax，a y，az;齒輪螺旋角為β，法面壓力角為αη;從重力豎直向下方 向沿齒輪轉動方向指向加速度傳感器Y軸測量正向的夾角用Θ表示;則被測齒輪沿壓力角方 向的振動加速度a a為： 所述的，優選的，所述 S2包括： 由于濾波器對信號相位的延遲作用，濾波后的信號存在不同長度的群延遲，為同 步濾波后的信號，以便后續合成計算，需要對信號進行群延遲修正，即分別將SxH，SyL和SyH 三組信號從時域上向前移動TxH，TyL和TyH個采樣點，修正后的信號分別為X軸高頻振動加速 度信號，低頻轉速信號與Y軸高頻振動加速度信號，分別用SxA，SR和SyA表不： - 所述的，優選的，所述 S3包括：對低頻轉速信號進行希爾伯特變換得到復數解析信號，再對復解析信號求幅角提 取轉速信號的瞬時相位，即傳感器的瞬時角位置，用SP表示： sp = Arg(Hilbert(SR))， 則投影合成的沿齒輪嚙合壓力角方向的振動加速度Sa由下式計算： Sa = SxAX sin(sp+α)-SyAX cos(sp+α)， 其中乘號X表示向量外積，加號+表示向量中每一標量元素均與同一標量相加。 綜上所述，由于采用了上述技術方案，本專利技術的有益效果是： 通過在齒輪端面安裝微型多向加速度傳感器，將傳感器各測量方向所感知的加速 度數值實時投影到壓力角方向，其投影數值的加和即為齒輪傳動過程中沿壓力角方向的嚙 合局部沖擊。齒輪傳動靠輪齒嗤合力傳遞扭矩，而嗤合力總是沿壓力角方向，故所獲取的信 號直接反映了齒輪激勵源的振動與沖擊情況，且不受傳遞路徑的影響，對早期故障更加敏 感，為齒輪故障的預示與診斷提供了新的途徑。 本專利技術的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本專利技術的實踐了解到。【附圖說明】 本專利技術的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：圖1是本專利技術雙軸加速度傳感器安裝示意圖；圖2是本專利技術齒輪嚙合壓力角度示意圖；圖3是本專利技術采集頻率信號示意圖；圖4是本專利技術振動信號獲取方法示意圖；圖5是本專利技術三軸加速度傳感器安裝示意圖。【具體實施方式】下面詳細描述本專利技術的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本專利技術，而不能理解為對本專利技術的限制。 在本專利技術的描述中，需要理解的是，術語"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、"后"、 "左"、"右本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于微型傳感器的齒輪壓力角方向局域振動信號獲取方法，其特征在于，包括：S1，在齒輪端面安裝雙軸加速度傳感器，通過該加速度傳感器采集齒輪X軸和Y軸振動加速度信號值，并將所得信號經過線性相位濾波器進行濾波；S2，對濾波后信號進行群延遲修正，獲取低頻轉速信號數據和高頻振動加速度信號數據；S3，通過希爾伯特變換得到該加速度傳感器的瞬時角位置信號，進而合成得到齒輪壓力角方向上振動加速度信號。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵毅敏，郭放，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：重慶;50