一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法

本发明属于振动信号，具体涉及一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法。

背景技术：

1、对行星齿轮箱振动特性研究面临着振动信号存在多条传动路径难以进行振动信号分解的技术难题。行星齿轮箱作为机械传动系统中的关键部件，广泛应用于风力发电、航空航天、船舶推进等领域。然而，由于行星齿轮箱结构的复杂性以及工作环境的多变性，其振动信号通常包含多种频率成分和噪声干扰，使得信号振动特征尤其是齿轮裂纹故障信号的提取与识别变得尤为困难。为了实现对行星齿轮箱振动信号的精确分离与分析，研究者们提出了多种方法。

2、目前，常见的行星齿轮箱振动信号分离方法主要包括时频分析法、经验模态分解（emd）、变分模态分解（vmd）等。时频分析法通过将信号映射到时频平面，可以直观地展示信号中各频率成分随时间的变化，但对于非平稳信号，时频分析的分辨率有限。emd方法通过分解信号为一系列内禀模态函数（imf），能够较好地适应非线性、非平稳信号的分离，但容易受到模态混叠的影响。vmd方法作为一种自适应的信号分解技术，可以避免模态混叠问题，并能较好地分离不同频率成分，但其计算复杂度较高。

3、尽管这些方法在行星齿轮箱振动信号分离中取得了一定的成果，但仍然存在信号特征提取准确性不足的问题。由于行星齿轮箱的结构复杂，信号往往包含多个调制频率，现有方法难以准确分离出正确状态及齿轮裂纹故障状态下的特征频率。

4、综上所述，现有的行星齿轮箱振动信号分离方法虽然各有所长，但在实际应用中仍面临挑战。因此，亟需发展更为有效的信号分离方法，以提升行星齿轮箱信号分离的可靠性。

技术实现思路

1、在针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，通过行星齿轮箱动力学模型、anc滤除非相关路径信号方法识别最相关传递路径，结合多路径字典并通过fbs算法实现最相关路径的信号分离。

2、为实现上述技术目的，本发明提供如下的技术方案：

3、一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，包括：

4、s1、基于集中质量法建立行星轮系动力学模型；基于传动部件的相互运动关系，推导耦合零部件的相对运动方程，建立行星齿轮箱动力学集中质量模型；根据所建立的集中质量模型，得到行星齿轮箱在正常情况和裂纹故障情况下的振动信号特征；

5、s2、基于非线性界面能量等效损失模型，建立从裂纹故障源到目标点的多界面的能量传递损失模型，结合功率流法构建传递路径贡献度评价指标，得到各传递路径的贡献度，识别出行星齿轮箱振动信号的主要传递路径和非相关传递路径；

6、s3、通过anc（自适应噪声消除adaptive noise cancellation）非相关路径方法滤除非相关路径上的传递信号；

7、s4、通过分析步骤s1中得到的正常情况和裂纹故障情况下的振动信号特征及步骤s2中得到的传递路径贡献度，确定最相关传递路径；

8、s5、基于多路径字典的振动信号分离方法从测点信号中分离出最相关传递路径上的传递信号，实现振动信号的分离。

9、进一步地，步骤s1中，建立行星轮系动力学模型具体为：基于集中质量法，将太阳轮、行星轮、内齿圈、行星架等视为集中质量点，齿轮啮合等效为具有刚度和阻尼的弹簧，建立行星轮系动力学模型。

10、进一步地，步骤s1中，获得的正常情况和裂纹故障情况下的振动信号特征，分为内啮合振动信号特征和外啮合振动信号特征；行星轮-太阳轮啮合振动为内啮合，内齿圈-行星轮啮合振动为外啮合。

11、进一步地，步骤s2中，传递路径包括：

12、路径1：行星轮→内齿圈→箱体→传感器；

13、路径2：行星轮→行星轮中心轴→行星架→箱体→传感器；

14、路径3：行星轮→太阳轮→太阳轮中心轴→箱体→传感器；

15、路径4：太阳轮→行星轮→行星轮中心→行星架→箱体→传感器；

16、路径5：太阳轮→行星轮→内齿圈→箱体→传感器；

17、路径6：太阳轮→太阳轮中心轴→箱体→传感器；

18、其中，路径1和5中啮合点与传感器之间的距离具有周期性，为时变传递路径；路径2、3、4、6 中啮合点与传感器之间的距离固定，为时不变传递路径。

19、进一步地，步骤s3具体包括以下子步骤：

20、s31、确定主输入信号为行星齿轮箱的主要传递路径上的振动源信号与非相关传递路径上的振动源信号经由不同传递路径至测点的耦合信号；确定参考信号为非相关传递路径上的振动源信号；此处参考信号由步骤s1、步骤s2中的动力学分析及传递路径影响规律确定；

21、s32、自适应滤波器采取最小均方算法（least mean square，lms）进行设计，通过调整自适应滤波器参数多次迭代，使主输入信号减去经过自适应滤波器的参考信号后的残余信号 ε的相关评价指标最小，实现主输入信号中非相关传递路径信号成分与相关传递路径信号的分离。

22、进一步地，步骤s4具体为分析由步骤s1得到的正常情况和裂纹故障情况下的振动信号特征的时域曲线及频谱图，来识别频谱特征；结合由步骤s2得到的各传递路径的贡献度，确定最相关传递路径。

23、进一步地，步骤s5具体包括以下子步骤：

24、s51、建立多路径字典；从行星齿轮箱振动机理的传递路径角度出发，齿轮正常情况下通过同传递路径调制的脉冲响应函数来构建；齿轮裂纹故障情况下啮合振动的振幅与振频会变化，从而产生谐波分量，则在齿轮正常情况字典的基础上添加调幅调频函数项；

25、s52、进行信号分离；在步骤s3通过anc非相关路径方法滤除掉非相关路径上的传递信号的基础上，建立箱体表面振动信号数学模型，进一步建立卷积稀疏模型，通过fbs（前后分割算法）求解模型，实现最终的信号分离。

26、通过上述的技术方案，本发明具有以下有益效果：

27、本发明提出的方法针对传动结构复杂的齿轮箱，对从箱体表面采集到的振动信号中分离出经过最相关传递路径后的齿轮啮合振动信号进行傅里叶变换和包络谱分析；通过分析最相关传递路径上的振动信号特征，可以更准确有效的分离齿轮啮合振动信号，并可以通过特征分类，进一步识别齿轮裂纹故障是否发生。

技术特征：

1.一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s1中建立行星轮系动力学模型具体为：

3.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s1中，获得的正常情况和裂纹故障情况下的振动信号特征，分为内啮合振动信号特征和外啮合振动信号特征；行星轮-太阳轮啮合振动为内啮合，内齿圈-行星轮啮合振动为外啮合。

4.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s2中的传递路径包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s3具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s4具体为：

7.根据权利要求1所述的一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，其特征在于，步骤s5具体包括：

技术总结本发明公开一种基于多路径字典的行星齿轮箱振动信号分离方法，包括：建立行星轮系动力学模型，基于传动部件的相互运动关系，推导耦合零部件的相对运动方程，建立行星齿轮箱动力学集中质量模型；获得正常和故障情况下的啮合振动信号特征；建立能量传递损失模型，结合功率流法构建传递路径贡献度评价指标，识别出行星齿轮箱振动的主要传递路径和非相关传递路径；通过ANC非相关路径方法滤除非相关路径的传递信号；分析正常和故障情况下的啮合振动信号特征确定最相关传递路径；基于多路径字典的振动信号分离方法从测点信号中分离出最相关传递路径信号，实现振动信号分离。本方法能通过特征分类准确有效地确定故障是否发生。技术研发人员：冷晟,黄海泽,高海淋,杨伟新,张砦受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/12/12