一种基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击提取方法及系统

本发明涉及机械传动检测领域，具体涉及一种基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击提取方法及系统。

背景技术：

1、随着当代机械向高速化、轻量化、精密化以及自动化方向发展，齿轮传动过程中所产生的振动、噪声等动力学行为，已引起人们的广泛注视。其中啮合冲击是导致齿轮传动产生振动、冲击和噪声的主要原因，因此对齿轮传动过程中的啮合冲击进行提取和分析有很大的意义。

2、现有的嵌入式啮合冲击提取方法仍然存在许多不足。一方面，加速度传感器的灵敏度方向固定，随着齿轮在运行过程中不断转动，传感器敏感方向与啮合线夹角也随之变动，当此夹角为90°时，加速度传感器对啮合冲击敏感度为零，对啮合冲击测量效果较差。另一方面，齿轮在齿轮箱内随轴转动，啮合点会随着齿轮转动在啮合线上移动，安装在齿轮上的原位传感器也会随着齿轮转动而转动，由此，啮合冲击信号在从啮合点传递到原位传感器的过程中会存在多普勒效应,对测量信号频率产生频移影响，尤其在大齿轮及测量精度要求较高的场合下，多普勒效应对测量结果将会产生较大影响。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法及系统。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法，包括以下步骤：

3、采用至少两个加速度传感器采集待测齿轮的啮合振动信号；

4、提取至少两个加速度传感器采集的啮合振动信号的高频振动加速度分量以及低频重力加速度分量；

5、提取所述低频重力加速度分量中的瞬时相位以及瞬时频率；

6、基于任一加速度传感器对应的所述瞬时频率、瞬时相位对同一加速度传感器对应的高频振动加速度分量进行多普勒频移补偿，还原啮合点产生振动信号的真实频率；

7、将所述真实频率作为至少两个加速度传感器的高频振动加速度分量的频率，得到对应加速度传感器补偿后的高频振动加速度分量信号；

8、将至少两个加速度传感器补偿后的高频振动加速度分量信号以及对应加速度传感器的低频重力加速度分量中的瞬时相位进行融合，得到齿轮啮合冲击信号。

9、该方法通过多普勒频移补偿还原啮合点产生振动信号的真实频率，消除了频移影响，提高了齿轮啮合冲击信号提取的精度。

10、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，所述加速度传感器设置于齿轮端面上，所有加速度传感器设置于以齿轮中心点为圆心的同一圆周上，且相邻的两加速度传感器之间的安装夹角以齿轮中心点为顶点呈90°，且相邻的两加速度传感器的敏感度方向夹角呈90°。

11、该可选方案通过加速度传感器的组合排布，弥补了传感器敏感方向与啮合线方向呈夹角时对啮合冲击测量不准确的问题，提高了对啮合冲击的测量效果。

12、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，用于高频振动加速度分量信号融合的加速度传感器为至少一对安装夹角、敏感度方向夹角均互为90度的加速度传感器。

13、该可选方案中可在齿轮端面上仅设置安装夹角、敏感度方向夹角均互为90度的两个加速度传感器；也可在齿轮端面上设置4个加速度传感器，但相邻的两个加速度传感器的安装夹角、敏感度方向夹角均互为90度，计算时，加速度传感器成对使用，且成对使用的加速度传感器的安装夹角、敏感度方向夹角均互为90度。

14、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，对所述低频重力加速度分量进行小波变换，提取到该低频重力加速度分量的瞬时相位；

15、对该瞬时相位进行相位解卷绕，将瞬时相位转化为加速度传感器的瞬时转角；

16、将瞬时转角对时间求导得到瞬时角速度，基于该瞬时角速度得到低频重力加速度分量的瞬时频率。

17、该可选方案可快速准确的提取到低频重力加速度分量中的瞬时相位以及瞬时频率。

18、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，计算啮合点瞬时速度以及加速度传感器瞬时速度；

19、基于多普勒效应，利用所述啮合点瞬时速度、加速度传感器瞬时速度在啮合点与传感器连接线方向上的速度分量得到啮合点产生啮合冲击信号时的真实频率。

20、该可选方案可快速准确的还原啮合点发出信号时的频率，提高了齿轮啮合冲击信号提取的精度。

21、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，所述啮合点瞬时速度方向沿啮合线；所述加速度传感器瞬时速度vs＝ωr，方向沿加速度传感器运动切线方向；

22、啮合点产生啮合冲击信号时的真实频率为：

23、

24、其中，a为加速度传感器的中心点，r为齿轮中心点o到a点的距离，c为啮合线与齿轮基圆半径的一个交点；b为过a点向啮合线做垂线，与啮合线的交点；ab指a点与b点之间的直线距离，bc指b点与c点之间的直线距离，vs'为加速度传感器瞬时速度vs在啮合点与加速度传感器连接线方向上的速度分量，vm'为啮合点瞬时速度vm在啮合点与加速度传感器连接线方向上的速度分量，θ为瞬时转角，φ(t)为瞬时相位，unwrap(·)为相位解卷绕，ω为瞬时角速度，f(θ)为瞬时转角为θ时啮合点到c点的距离，v为啮合冲击信号传播速度，fm为任一加速度传感器的低频重力加速度分量中的瞬时频率。

25、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，通过动态投影法将至少两个加速度传感器补偿后的高频振动加速度分量信号结合所述瞬时相位投影在啮合线方向相加得到啮合点产生的啮合冲击信号。

26、在该基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的一种可选方案中，当使用两个加速度传感器时，根据以下公式计算啮合点产生的啮合冲击信号：

27、

28、其中，为两个加速度传感器补偿后的高频振动加速度分量信号，φ为瞬时相位，α为齿轮压力角，θ为瞬时转角，

29、本发明还提出了一种原位齿轮啮合冲击信号提取系统，包括设置于齿轮端面上的至少两个加速度传感器，所有所述加速度传感器设置于以齿轮中心点为圆心的同一圆周上，且相邻的两加速度传感器之间的安装夹角呈90°，相邻的两加速度传感器的敏感度方向夹角呈90°；所述加速度传感器与上位机通信连接，向上位机发送其所采集的齿轮啮合振动信号，所述上位机根据上述的基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法对原位齿轮啮合冲击信号进行提取。该系统具备上述基于多普勒效应补偿的原位齿轮啮合冲击信号提取方法的所有优点。

30、本发明的有益效果是：本发明通过对多传感器的组合排布及多普勒频移补偿，有效的还原出了啮合点产生的啮合冲击信号，提高了齿轮啮合冲击信号提取的精度，特别适用于大齿轮及测量精度要求较高的场合。

31、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。