[发明专利]一种基于振动信号分析的齿轮箱整机状态评估方法和系统

权利要求书

1.一种基于振动信号分析的齿轮箱整机状态评估方法，其特征在于，包括：在齿轮箱内选取振动测点，获取齿轮箱运行时各振动测点的振动信号，根据各振动测点的振动信号，评估齿轮箱的运行状态；

若所述齿轮箱的运行状态在预设的齿轮箱故障运行状态区间内，则根据基于最优品质因子的共振稀疏分解法，对振动测点的振动信号进行分析处理，提取高共振分量和低共振分量，并进行经验模态分解，得到第一个本征模态分量，进行希尔伯特解调，并得到对应的包络谱，根据该包络谱进行频率成分搜索，从而判断故障程度和故障部位；

所述最优品质因子的共振稀疏分解法通过共振稀疏分解法，从振动信号中提取高共振分量和低共振分量，通过复合指标KSI优化共振稀疏分解中的品质因子；所述复合指标KSI根据高共振分量的平滑指数和低共振分量的峭度计算；

所述评估齿轮箱的运行状态包括：

对每个测点，计算振动信号X(n)对应的振动烈度，选取最大值作为该轴承座的有效振动烈度值，根据有效振动烈度值与国家标准对比，确定相应测点的运行状态；

所述振动烈度对应的计算表达式包括：

若X(n)为振动位移信号，单位是μm，则在频域f_min至f_max上的振动烈度计算公式为：

其中f_min和f_max是频域范围的最小值和最大值，f_s对应采样频率，N对应采样点数，k_a则是最接近且不小于计算频率下限f_min的谱线序号，而k_b则是最接近且不大于计算频率上限f_max的谱线序号，X(k)则对应于快速傅里叶变换，即：

若为振动速度信号，单位是mm/s，则在频域f_min至f_max上的振动烈度计算公式为：

若X(n)为振动加速度信号，单位是m/s²，则在频域f_min至f_max上的振动烈度计算公式为：

所述获取齿轮箱运行时各振动测点的振动信号包括选取齿轮箱的各个轴承座作为振动测点，根据设置的采样参数，获取各个轴承座上的水平、垂直、轴向这三个方向的振动加速度信号；

所述评估齿轮箱的运行状态还包括：

将有效振动烈度相应方向的加速度信号通过积分得到速度信号；再根据齿轮箱的不同类型，选取表4：ANST设备频段报警表A，速度总值-峰值mm/s、表5：ANST设备频段报警表B，速度总值-峰值mm/s、表6：ANST设备频段报警表C，速度总值-峰值mm/s、表7：ANST设备频段报警表D，速度总值-峰值mm/s，即美国国家标准协会标准，作为评价标准；

然后把振动速度信号通过滤波实现六频段分频，根据表4、表5、表6、表7中的“频段起始频率”和“频段截止频率”确定滤波频段的上下限，并且提取所在频段内的速度峰值；根据表8：ANST设备状态报警类型与等级分类表，结合选取的评价标准中的“频段报警”确定对应频段的运行状态，运行状态包括良好、一般、警告、危险的识别阈值；根据得到的速度峰值与对应的阈值对比，确定相应频段的运行状态，运行状态包括良好、一般、警告、危险；

所述评估齿轮箱的运行状态还包括：

将齿轮箱的各个测点的振动信号的相应频段给出一个权重值q_i,j，其中i表征齿轮箱的各个振动测点，j表征相应测点的对应频段，所有的权重值相加是1；根据各个振动测点的对应频段的运行状态，运行状态包括良好、一般、警告、危险，确定得分，然后乘以相应的权重系数，并相加，得到一个用于评价齿轮箱的运行状态的总分值；

所述齿轮箱故障运行状态区间为齿轮箱运行状态总分值的故障分值区间；

所述评估齿轮箱的运行状态还包括：

根据采集到的振动加速度信号计算时域指标特征量，该时域指标特征量包括有量纲特征量和无量纲特征量，根据所述时域指标特征量初步判断齿轮箱的运行状态；

所述复合指标KSI的计算表达式为：

KSI＝α₁×SI+α₂×Kur

式中，SI为高共振分量X₁的平滑指数，Kur为低共振分量X₂的峭度，α₁为SI的权重，α₂为Kur的权重；

峭度Kur和平滑指数SI的计算公式为：

式中，x_i表示离散信号，N表示离散信号信号的长度，x_a则表示信号的均方根；

所述基于最优品质因子的共振稀疏分解法，对振动测点的振动信号进行分析处理，提取高共振分量和低共振分量，具体包括以下步骤：

S1：对共振稀疏分解中的关键参数进行初始化，该关键参数包括品质因子；

S2：对振动信号进行共振稀疏分解，分别获取高共振分量和低共振分量；

S3：根据所述高共振分量和低共振分量计算复合指标KSI的数值，以复合指标KSI最大为目标，并以此为适应度的估计值，以品质因子为变量，通过选择、交叉、变异、迭代，以最大遗传代数定义为终止条件，反复对振动信号进行共振稀疏分解，当达到终止条件时，结束优化过程，输出最优品质因子，该最优品质因子为复合指标KSI最大对应的品质因子；

S4：采用所述最优品质因子取代步骤S1中初始化的品质因子，对振动信号进行步骤S2的处理，获取提取高共振分量和低共振分量；

步骤S2中，所述高共振分量和低共振分量的具体计算表达式为：

X₁＝S₁w₁^*,X₂＝S₂w₂^*

式中，w₁^*、w₂^*为最小的目标函数J所对应的高共振变换系数和低共振变换系数，s₁、s₂是利用双通道分解滤波器组对分析信号进行TQWT后的高、低品质因子可调小波的滤波器组；

所述目标函数J的计算表达式为：

式中，w₁、w₂分别是信号X₁和X₂在基函数库s₁、s₂下的变换系数；λ₁为第一正则化参数，λ₂为第二正则化参数。

2.一种基于振动信号分析的齿轮箱整机状态评估系统，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1所述的方法的步骤。