单一键相条件下复杂齿轮系统多转子振动相位获取方法

本发明涉及转子振动相位的故障监测，具体涉及一种单一键相条件下复杂齿轮系统多转子振动相位获取方法。

背景技术：

1、在石油、石化、航空、船舶等多个领域，旋转机械得到了广泛应用。旋转机械中常采用复杂齿轮传动系统进行传动，且为保证转子系统的稳定安全运行，常需要采用振动监测手段获取转子的振动相关信息。

2、在振动监测领域，转子工频振动相位是分析转子类故障的一个重要依据。目前，求取转子振动相位的方法多通过振动传感器获取振动信号，通过键相传感器直接获取目标转子键相信号，并结合互相关法、互功率法或全相位fft法等转子振动相位计算方法来计算转子的振动相位。因此，转子振动相位计算通常需要振动信号以及键相信号两部分，并结合转子振动相位计算方法，计算转子振动相位。

3、现有技术中，多数方法是通过键相传感器直接测得目标转子键相信号，并结合振动信号，通过转子振动相位计算方法计算转子振动相位。然而，旋转机械在实际生产应用中，由于转子系统的复杂结构以及工作环境等要求，安装键相传感器的位置有限，目标转子处往往不具备直接安装键相传感器的条件，无法直接测得转子的键相信号，故无法计算转子的振动相位。

4、因此，当键相传感器安装位置受限时，研究获取目标转子的键相信号的方法是有必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了单一键相条件下复杂齿轮系统多转子振动相位获取方法，能够通过可测转子键相信号逆推目标转子键相信号，并结合振动信号，采用转子振动相位计算方法计算目标转子的振动相位。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

3、s1、获取可测转轴的脉冲信号，将脉冲信号转换为可测转轴的角度变化曲线。

4、根据传动比最简分数形式以及脉冲点个数，对可测转轴的角度变化曲线进行分段处理，根据多个目标转轴与单一可测转轴之间的舍入后传动比数值，初步获取多个目标转轴的多段逆推角度变化曲线。

5、根据相关公式修正每个目标转轴的每段逆推角度变化曲线，最终将目标转轴的多段逆推角度变化曲线进行拼接还原，获取修正后的多个目标转轴的逆推角度变化曲线。

6、s2、转轴每旋转一圈，角度曲线上升360°，据此根据s1中获取的目标转轴逆推角度变化曲线，获取目标转轴逆推键相信号。

7、s3、将复杂齿轮系统振动信号结合s2中获取的多个目标转轴逆推键相信号，并采用互相关法计算多个目标转轴的逆推振动相位。

8、进一步地，s1中，获取可测转轴的脉冲信号，将脉冲信号转换为可测转轴的角度变化曲线，具体采用如下步骤：

9、通过传感器获取转轴的脉冲信号，将脉冲信号转换为角度信号，通过公式（1）和（2）将脉冲信号转换为角度信号，公式（2）中为脉冲点对应的转轴旋转角度，再根据插值方法获取，其中为转轴角度随时间变化曲线，的准确性取决于转轴旋转一圈对应的脉冲个数，通过增大，提高可测转轴旋转角度的准确性。

10、（1）

11、其中，为采样数据点，为采样数据点总数，为采样数据点对应的时间点，为脉冲信号，为脉冲点对应的数据点。

12、（2）

13、其中，为脉冲点对应的转轴旋转角度，为脉冲点对应时间，表示第个脉冲点对应的数据点，为转轴旋转一圈对应的脉冲个数，的大小应满足360能被除尽，为脉冲点总个数；为转轴角度随时间变化曲线，根据通过插值方法获得。

14、进一步地，s1中，获取可测转轴的脉冲信号，将脉冲信号转换为可测转轴的角度变化曲线，具体采用如下步骤：

15、使用齿轮编码器获取脉冲信号，该编码器为弦波模拟输出，分辨率256，即=256。

16、首先通过编码器获取原始信号，采用带通滤波，消除趋势项并滤去高频噪声影响。

17、根据公式（3）选取过滤后信号的每个弦波波峰作为脉冲点，获得脉冲信号。

18、（3）

19、其中，为脉冲信号，为编码器过滤后信号，为采样数据点对应时间点，为采样数据点，为采样数据点总数。

20、选取齿轮系统转动后第一个脉冲点作为0°起点，根据公式（1）和（2）计算转轴对应旋转角度，再根据插值方法获取，该角度变化曲线作为实际角度变化曲线。

21、（1）

22、其中，为采样数据点，为采样数据点总数，为采样数据点对应的时间点，为脉冲信号，为脉冲点对应的数据点。

23、（2）

24、其中，为脉冲点对应的转轴旋转角度，为脉冲点对应时间，表示第个脉冲点对应的数据点，为转轴旋转一圈对应的脉冲个数，的大小应满足360能被除尽，为脉冲点总个数；为转轴角度随时间变化曲线，根据通过插值方法获得。

25、进一步地，s1中，根据传动比最简分数形式以及脉冲点个数，对可测转轴的角度变化曲线进行分段处理，根据多个目标转轴与单一可测转轴之间的舍入后传动比数值，初步获取多个目标转轴的多段逆推角度变化曲线，具体为：

26、复杂齿轮系统中含有多个齿轮副与多个转轴，单一可测转轴与多个目标转轴之间存在不同的齿数关系，通过齿数关系获取传动比关系，根据公式（4）获取多个目标转轴的逆推角度变化曲线，根据多个目标转轴与单一可测转轴之间的舍入后传动比数值，进一步获得公式（5）：

27、（4）

28、其中，为目标转轴个数，为第个目标转轴的逆推角度随时间变化曲线，为第个目标转轴与可测转轴之间的实际传动比，为可测转轴的实际角度随时间变化曲线。

29、（5）

30、其中，为计算机舍入后的传动比数值。

31、进一步地，s1中，根据相关公式修正每个目标转轴的每段逆推角度变化曲线，最终将目标转轴的多段逆推角度变化曲线进行拼接还原，获取修正后的多个目标转轴的逆推角度变化曲线，具体为：

32、在复杂齿轮系统中，传动比通常为无限小数，把传动比输入计算机中时，计算机会存在舍入误差，目标转轴逆推角度变化曲线误差会随时间累积。计算机舍入误差如公式6所示：

33、（6）

34、其中，为第个目标转轴对应的计算机舍入误差。

35、针对计算机舍入误差，考虑到目标转轴与可测转轴脉冲点总会对齐，首先使用公式（7）将传动比化简为最简分数形式；采用分段的处理方式，使用公式（8）、（9）、（10）对可测转轴角度变化曲线进行分段处理，获取多段可测转轴角度变化曲线，并使每段可测转轴角度变化曲线由0°开始变化；目标转轴的每段角度变化曲线根据公式（11）、（12）进行计算，得到每个目标转轴修正后的多段逆推角度变化曲线；再根据公式（13）将每个目标转轴的每段逆推角度变化曲线拼接还原，获取每个目标转轴最终的逆推角度变化曲线。

36、（7）

37、其中，表示第个目标转轴与可测转轴的传动比化简为最简分数形式。

38、（8）

39、其中，为分段总数，为脉冲点总个数，为向下取整符号。

40、（9）

41、其中，为第段可测转轴角度曲线对应的时间。

42、（10）

43、其中，为可测转轴的第段角度曲线。

44、公式（10）使每段可测转轴角度曲线都从0°开始变化。

45、（11）

46、其中，为第个目标转轴的第段角度变化曲线，同样由0°开始变化。

47、（12）

48、其中，为第个目标转轴的第段修正后角度曲线

49、（13）

50、其中，为第个目标转轴的修正后逆推角度变化曲线。

51、考虑到实际生产应用中对计算速度的要求，保证误差值在允许范围内，进行间隔取点，缩减脉冲点总数，进而缩短分段总数，最终缩短计算时间。未间隔取点前，角度误差值即偏离程度可用公式（14）计算，采用间隔取点后，根据公式（15）选择合适间隔点数，将选择后的间隔点数带入公式（16）、（17），得到间隔取点后脉冲点对应的数据点，以及间隔取点后转轴单圈旋转对应脉冲数。

52、然后，整体按照公式（7）~（13）的流程计算，其中将公式（8）中的替换为,为间隔取点后脉冲点的总数；将公式（9）、（10）中的替换为；将公式（12）中的替换为。

53、（14）

54、其中，为第个目标转轴对应角度误差值。

55、（15）

56、其中，为间隔点数，为允许误差。

57、（16）

58、其中，为间隔取点后脉冲点对应的数据点。

59、（17）

60、其中，为间隔取点后转轴单圈旋转对应脉冲数

61、通过上述方式获取目标转轴逆推角度变化曲线。

62、有益效果：

63、1：本发明提供了单一键相条件下复杂齿轮系统多转子振动相位获取方法，是基于单一键相条件下，根据复杂齿轮系统中不同转轴之间的传动比关系，逆推多个目标转轴振动相位的方法，能够在键相传感器安装受限的场合，通过单一可测转轴的键相信号逆推多个目标转轴的键相信号，进而结合振动信号以及相位计算方法，获得多个目标转轴的振动相位，该方法适用于键相传感器在目标转轴处安装受限的场合；针对转子系统的复杂结构以及工作环境等要求，可以通过在可测转轴处安装键相传感器，逆推目标转轴的键相信号，并结合振动信号，通过振动相位计算方法计算目标转轴振动相位。

64、2：本发明提供了单一键相条件下复杂齿轮系统多转子振动相位获取方法，适用于需要同时获取多个转子振动相位的场合；本方法针对不同目标转轴只需更改为对应目标转轴与可测转轴的传动比最简分数形式，其余根据公式计算即可。