一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法
阅读：1024发布：2020-05-31
专利汇可以提供一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 提供了一种 直升机 主减速器 行星 齿轮 振动 信号 分离方法，属于直升机振动 信号处理 ，其包括：获取 加速 度 传感器 的 位置 参数及 行星轮 的位置参数；确定分离 角 矩阵和行星齿轮的 啮合 时序；获取多个振动传感器的原始振动信号，根据 行星架 循环周期对多个所述原始振动信号进行分割并进行重 采样 获得多个行星架周期信号；对多个行星架周期信号采用 加窗 方法获得多个行星轮 轮齿 的振动信号；将所述振动信号拼接获得行星轮重构振动信号。本申请的直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法可以从复杂的行星 传动系统 的振动信号中，提取出单个行星轮的信号，并使每个行星齿轮的轮齿信号分离出来，为行星轮的故障诊断奠定 基础 。，下面是一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法专利的具体信息内容。
1.一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，其特征在于，包括
S1：获取加速度传感器的位置参数及行星轮的位置参数；
S2：确定分离角矩阵和行星齿轮的啮合时序；
S3：获取多个振动传感器的原始振动信号，根据行星架循环周期对多个所述原始振动信号进行分割并进行重采样获得多个行星架周期信号；
S4：对多个行星架周期信号采用加窗方法获得多个行星轮轮齿的振动信号；
S5：将所述振动信号拼接获得行星轮重构振动信号。
2.如权利要求1所述的直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，其特征在于，所述加速度传感器的位置参数θA和行星轮的位置参数θP的获取方法为：
式中，NA为加速度传感器个数，NP为行星轮个数。
3.如权利要求2所述的直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，其特征在于，所述分离角矩阵D的确定方法为：
其中，分离角度 转速传感器和加速度传感器Aj的夹角为
转速传感器和行星轮Pi的夹角为 mod为模函数。
4.如利要求3所述的直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，其特征在于，在一个行星架循环中，轮齿啮合Nr次，则第n个行星架循环中，与各振动传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮轮齿编号：
NUMn＝NUM1+mod((N-1)Nr,Np)。
5.如权利要求4所述的直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，其特征在于，重采样的点数
一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法
技术领域
背景技术
[0003] 在直升机主减速器中含有行星齿轮，行星齿轮的振动会对主减速器产生较大影响。因此，通常会对齿轮箱、旋翼和发动机等关键部件进行健康监测、故障诊断与预测。
[0004] 目前，关于行星轮系故障诊断主要采用谱分析方法、时频分析法和粒子滤波方法等方法，但在这些方法中，基本是将行星轮系视为一个整体，在频谱中寻找故障特征频率成分，或者通过其他特征指标反映行星轮系健康状况，并未深入到各个部件，在实际中仍然无法有效解决信号成分相互淹没的问题。发明内容
[0005] 本申请的目的是提供了一种直升机主减速器行星齿轮振动信号分离方法，以解决上述任一问题。
[0011] S5：将所述振动信号拼接获得行星轮重构振动信号。
[0012] 在本申请中，所述加速度传感器的位置参数θA和行星轮的位置参数θP的获取方法为：
[0013]
[0014]
[0015] 式中，NA为加速度传感器个数，NP为行星轮个数。
[0016] 在本申请中，所述分离角矩阵D的确定方法为：
[0017]
[0018] 其中，分离角度 转速传感器和加速度传感器Aj的夹角为 转速传感器和行星轮Pi的夹角为 mod为模函数。
[0019] 在本申请中，在一个行星架循环中，轮齿啮合Nr次，则第n个行星架循环中，与各振动传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮轮齿编号：NUMn＝NUM1+mod((N-1)Nr,Np)。
[0020] 在本申请中，上述重采样的点数
[0022] 为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
[0023] 图1为本申请的信号分离方法流程图。
[0024] 图2为本申请中行星齿轮坐标系示意图；
[0025] 图3为本申请中采集的原始信号；
[0026] 图4为本申请中的重采样信号；
[0027] 图5为本申请中不同传感器提到的信号；
[0028] 图6为本申请中某一传感器提取的四圈信号；
[0029] 图7至图11分别为本实施例中每个传感器分离传来的行星轮信号。
具体实施方式
[0030] 为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0031] 振动分离的目的是在原始振动信号中隔离出单个行星轮的动态行为。振动分离的基本假设是，当行星轮Pi与传感器Aj对齐时，传感器Aj获取的振动信号由行星轮Pi对应的行星轮-齿圈啮合副和行星轮-太阳轮啮合副所主导。由于行星轮围绕太阳轮公转运动，引起行星轮Pi啮合区振动信号在传感器Aj中周期性强弱变化，当行星轮Pi与传感器Aj对齐时，两者距离最近，振动信号由于传递路径引起的衰减最小，该假设符合行星轮系实际情况。
[0032] 振动信号分离方法的主要思想是求解在第n个行星架循环中，行星轮Pi与齿圈上安装的传感器Aj的对准时间和对齐时参与啮合的行星轮轮齿编号，根据对准时间在传感器Aj信号进行数据提取，然后以参与啮合的行星轮轮齿编号为依据，使用提取出的数据进行振动分离向量重构，振动分离向量表达了行星轮的动力学特征。
[0033] 如图1，本申请的行星轮系振动分离方法过程如下：
[0034] 1、获取加速度传感器的位置参数及行星轮的位置参数
[0035] 振动信号分离的参数主要包含两类：位置参数与结构参数。其中，位置参数是指初始时刻行星轮相对于转速传感器的角位置，结构参数是指行星轮系中各齿轮的齿数及行星轮的个数。
[0036] 位置参数确定必须在一定的坐标系下进行，首先建立行星轮系的坐标系，如图2所示。定义齿圈、行星轮和太阳轮的齿数分别为Nr，Np和Ns。行星架上有NP个行星轮，沿着齿圈共安装NA个加速度计传感器(测量振动的传感器)，转速传感器安装在行星架轴附近，位置图中OPR(once-per-revolution)所示。从转速传感器开始，将行星轮按顺时针方向依次编号为Pi(i＝1,2…NP)，振动传感器逆时针依次编号为Aj(j＝1,2…NA)。定义转速传感器和传感器Aj的夹角为 转速传感器和行星轮Pi的夹角为 则行星轮系的位置参数可用向量θA与θP表示
[0037]
[0038]
[0039] 2、确定分离角矩阵和行星齿轮的啮合时序
[0040] 为了实现提取信号的精确映射重构，需要对啮合时序进行分析，以行星轮为例进行分析。
[0041] 在图1所示的行星轮系坐标图中，转速传感器和加速度传感器Aj的夹角为 转速传感器和行星轮Pi的夹角为 定义行星轮Pi与加速度传感器Aj的分离角度为[0042]
[0043] 式中，mod为模函数， 表示行星轮Pi从初始位置运动到传感器Aj过程中，行星架转过的角度，即相遇时刻在一个行星架循环中的相位，定义分离角矩阵[0044]
[0045] 齿圈上相邻两个轮齿对应的圆心角
[0046]
[0047] 则第一个行星架循环内，与各传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮轮齿编号：NUM1＝round(mod(D,2π)/Δθ)
[0048] 每一个行星架循环中，轮齿啮合Nr次，则第n个行星架循环中，与各振动传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮轮齿编号
[0049] NUMn＝NUM1+mod((N-1)Nr,Np)
[0050] 3、获取多个振动传感器的原始振动信号，根据行星架循环周期对多个所述原始振动信号进行分割并进行重采样获得多个行星架周期信号
[0051] 数据重采样的目的是确保每个行星架循环的数据点数相同。数据提取位置由提取索引 表示， 的物理意义为传感器Aj各行星架循环数据某个数据点对应的下标，该数据点与行星轮Pi和传感器Aj对齐的时刻对应。
[0052] 在每一个行星架循环中 ，有Nr个行星轮/齿圈的轮齿啮合周期(ToothMeshingPeriod，TMP)。实际中由于轴转速的轻微波动，每个行星架循环的数据点数不能保证完全相等，需要对各行星架循环数据进行重采样处理，使所有的循环周期中包含相同的数据点数，以满足时间同步平均技术的要求。重采样点数 的选择需满足两个要求：
[0053] ① 接近原始信号中数据点数。
[0054] ② 可以等分为Nr个数据段，每一个数据段都包含NTP个点。
[0055] 定义行星架周期的最小数据点数为 然后求NTP的最大整数值，使得下式成立，使 最小。
[0056] 得到NTP后，重采样点数 可由下式得出
[0057]
[0058] 4、对多个行星架周期信号采用加窗方法获得多个行星轮轮齿的振动信号[0059] 数据提取与组合的目的是在预处理之后的振动信号中提取出行星轮与传感器对齐时对应的振动数据并保存在组合集中，组合集是一个四维矩阵，用于保存提取数据以及数据的相关信息。数据提取与组合需要明确数据提取位置、提取长度、提取数据对应的行星轮编号。
[0060] ①确定提取位置
[0061] 行星轮角Pi的初始角度 传感器Aj的安装位置角度为 行星轮Pi与传感器Aj的分离角度 定义为
[0062]
[0063] 式中mod为模函数。分离角度 表示行星轮Pi从初始位置运动到传感器Aj过程中，行星架转过的角度。每个行星架周期经过重采样，有 个数据点，每两个点之间的间隔为 在实际采样过程中，可能未在分离角度 处进行采样，数据处理中取与Pi与Aj对准时刻距离最近的点代替，该数据点的索引是：
[0064]
[0065] 式中round函数是最近取整函数。
[0066] 提取索引 可理解为行星轮轮齿中心和传感器对准时的数据点。在振动分离向量中，以提取索引为中心的NTP个数据点表示了行星轮和齿圈轮齿一个完整的啮合时间区间。
[0067] ②提取长度lE
[0068] 确保一个轮齿的全部TMP在一个行星架周期内被提取到的一种方法是，采用和多个TMP相对应的额外的数据点。设Mv为一个奇数，该奇数表示所需要的数据的TMP数目。那么相应的提取数据点数给定为：lE＝MvNTP
[0069] 提取的数据段的起始位置给定为：
[0070] 从而可得到数据点的范围为：RANGE:
[0071] 任意传感器Aj和行星轮Pi的组合都可以确定一个数据提取位置，因此，对于有NP个行星轮NA个传感器的行星轮系故障诊断系统，共有NA×NP个数据提取位置。
[0072] ③组合集
[0073] 组合集是用于存放提取数据及相关信息的四维矩阵，该四维矩阵的前三个维度分别表示传感器编号、行星轮编号和行星架循环编号，三个维度唯一确定的列向量用于存放对应的提取数据。
[0074] 5、将所述振动信号拼接获得行星轮重构振动信号
[0075] 振动分离向量重构的目的是在组合集的基础上，重构得到各齿轮部件的振动特征信号，重构得到的振动特征信号称为振动分离向量。
[0076] 振动分离向量重构的步骤为：时间同步平均、加窗映射、求和重构。
[0077] 时间同步平均在构造组合集和齿圈组合集之后进行。具体思路为选定传感器Aj和行星轮Pi，对组合集中相应的数据层中的数据进行平均处理，得到TSA集。TSA集中的数据相比组合集中的提取数据，噪声较小，振动特征更明显。
[0078] 加窗映射是在得到TSA集合之后，对TSA集中数据匹配索引，按照匹配索引 对TSA数据加窗处理后映射到组合保持矩阵中的相应位置，得到组合保持矩阵。其中，匹配索引的计算依据是数据提取时刻轮齿啮合关系。
[0079] 求和重构是对组合保持矩阵进行行求和，得到行星轮的振动分离向量。
[0080] 为了使上述振动信号分离方法更加清楚，下面以实际工程中的某型直升机主减速器采用的行星齿轮传动系统为例进行介绍，在行星齿轮传动系统中，已知行星轮4个，齿数34，太阳轮1个，齿数28，齿圈1个，齿数96。在主减速器上安装有5个振动传感器，1个转速传感器。主减速器的信号采集频率为20k/s，对主减速器采集的信号进行振动分离。
[0081] 第一步：确定参数设置
[0082] 根据传感器的安装位置和行星轮的安装位置，可以得出行星轮系的位置参数为：
[0083] 振动传感器位置参数：θA＝[118.1°，233.9°，256.2°，313.6°，350.1°][0084] 行星轮位置参数为：θP＝[29°，119°，209°，299°]
[0085] 第二步：啮合时序分析
[0086] 通过计算可得，分离矩阵为：
[0087]
[0088] 第一个行星架循环内，与5个传感器对应的齿圈轮齿啮合的行星轮轮齿编号为[4,3,2,2,1]，其他行星架循环周期的啮合顺序可以此类推。
[0089] 第三步：数据采集与重采样
[0090] 原始信号长度为400000点，如图3，每个行星架周期的重采样点数 为3936点，如图4。
[0091] 第四步数据提取
[0092] 以A1传感器的信号为例，图5和图6所示为第一至第四循环中数据提取与组合过程，每个循环中四个截取位置分别对应各行星轮的数据提取区域，其中心表示提取索引N_ij^*，宽度表示数据提取长度lE。
[0093] 第五步：振动分离向量重构
[0094] 对每个传感器中抽取的信号进行重构，可以重构每个行星轮的信号，重构的信号如图7-图11所示。
[0095] 本申请的振动信号分离方法是针对行星轮系故障诊断提出的信号处理方法，以转速脉冲信号为依据，可以从复杂的行星传动系统的振动信号中提取出单各个齿轮部件的振动特征信号，并使每个行星齿轮的轮齿信号分离出来，为行星轮的故障诊断奠定基础。
[0096] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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