[发明专利]基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障信号提取方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障信号提取方法、诊断方法、系统及存储介质，该诊断方法包括：采集变转速下的齿轮振动信号和转速信号；用自适应时变梳状滤波器对齿轮振动信号进行时变梳状滤波获取时变梳状滤波信号；根据转速信号对时变梳状滤波信号进行等角度重采样得到角域重采样信号；对角域重采样信号进行频谱分析得到阶次谱，并根据阶次谱中啮合阶次周围的调制边频阶次诊断变转速下的齿轮故障。本发明精确提取变转速下的包含齿轮故障信息的齿轮啮合振动频率成分及调制边频成分，同时去除其他信号成分的干扰，能有效凸显变转速下的齿轮故障特征。

技术领域

本发明属于机械设备状态监测和故障诊断领域，具体涉及一种变转速下的齿轮故障信号提取方法及其故障诊断方法及系统，更具体地涉及一种基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障信号提取方法、诊断方法、系统及存储介质。

背景技术

齿轮是旋转机械设备中一种广泛使用的零部件，常用于传递扭矩、改变速度、更改方向等。在实际应用中，由于工作强度大、运行环境复杂，且常处于重载荷下持续运行，齿轮极易因疲劳磨损而产生剥落、裂纹、断齿等局部故障，从而影响整个设备的安全运行。因此，对齿轮进行监测与故障诊断对保证整个设备的可靠运行具有重要意义。

当齿轮出现局部故障时，齿轮的啮合频率及其倍频周围会出现以转频及其倍频为间隔的调制边频带，该边频带的数量及其幅值大小蕴含了齿轮的相关故障信息，对齿轮啮合振动频率成分及其调制边频成分的精准提取可为齿轮的故障定量分析和可靠性评估提供重要依据。在恒定转速条件下，可通过共振解调、小波分析、EMD等类似于带通滤波的方法将齿轮啮合振动频率成分及其调制边频成分准确提取出来，进而诊断齿轮故障。但在转速变化情况下，齿轮的啮合频率及其调制边频均会随着转速变化而变化，使得其频谱出现频率模糊现象，此时，传统的带通滤波方法不能有效提取包含齿轮故障信息的啮合振动频率成分及其调制边频成分，特别是在转速大范围波动情况下。

对于变转速下的齿轮振动信号的分析，较为常用的一种方法是通过对时域等时间间隔采集的非平稳信号进行等角度重采样，将其转变为角域平稳信号，然后再对角域信号进行分析，进而提取齿轮故障特征。但在低信噪比或早期故障情况下，此时，背景噪声相对较强，齿轮的故障特征极易被淹没，不易察觉，从而容易造成漏诊。因此，在进行等角度重采样之前需对包含齿轮故障信息的齿轮啮合振动频率成分及其调制边频成分进行提纯处理。

基于上述分析，针对变转速下的齿轮故障特征的时变特点，亟需研发一种适合于变转速下的时变滤波方法以将齿轮啮合振动频率成分及其调制边频成分有效分离出来的技术手段。

发明内容

本发明的目的是针对强背景噪声、变转速下的齿轮故障诊断，提供一种基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障信号提取方法、诊断方法、系统及存储介质。本发明所述方法可以根据齿轮转速的变化特点，自适应地设计时变梳状滤波器，能精确提取变转速下的包含齿轮故障信息的齿轮啮合振动频率成分及其调制边频成分，同时去除其他信号成分的干扰，能有效凸显变转速下的齿轮故障特征。

一方面，本发明提供一种基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障信号提取方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集变转速下的齿轮振动信号x(t)和转速信号f_r(t)，t＝t₁,t₂,…,t_N，N为信号采样长度；

步骤S2：用自适应时变梳状滤波器对齿轮振动信号进行时变梳状滤波，以获取时变梳状滤波信号，所述时变梳状滤波信号为提纯后的齿轮啮合振动成分及其调制边频成分。

二方面，本发明提供一种基于自适应时变梳状滤波的变转速齿轮故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集变转速下的齿轮振动信号x(t)和转速信号f_r(t)，t＝t₁,t₂,…,t_N，N为信号采样长度；