CN114018573A - 一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；并获取齿轮轴的转频；然后，在采集得到的包络信号中利用滑动的窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq，判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否满足转频标识条件，本发明是一种基于振动信号的齿轮齿数估算方法，通过在齿轮箱各轴轴承位置安装的振动加速度传感器，实时采集齿轮箱的振动信号，基于振动信号进行齿轮齿数估算，可在齿轮箱出现异常时估算齿轮齿数，进而得到齿轮啮合频率，本发明的估算方法准确的同时也保证了估算标准的统一。

Description

一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法

技术领域

本发明属于机械设备状态监测领域，具体涉及一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法。

背景技术

作为广泛地应用于工业领域的齿轮箱设备，它具有传动平稳，结构紧凑且灵活多样的特点。对于流程行业而言，关键齿轮传动设备或造价较高的齿轮箱传动设备，当齿轮发生故障时造成的停机或停产会造成很大的经济损失。因此实时掌握齿轮箱的运行状态，提前预知齿轮故障对企业安全高效生产意义重大。振动监测作为旋转机械状态检测的有效工具，已被广泛接受。在齿轮发生故障(如齿形误差、磨损、点蚀以及断齿时，齿轮箱振动信号会发生明显的变化，此时齿轮的啮合频率也是故障特征频率，通常齿轮故障时齿轮啮合频率会出现明显的增大，且部分故障也会调制啮合频率，在啮合频率旁出现明显的边频成分。因此对齿轮故障进行诊断时，齿轮啮合频率的识别显得尤为重要。

但是对于设备使用厂商而言，由于齿轮箱铭牌无齿数参数，且对于大多数齿轮箱生产厂商齿轮箱各级齿轮齿数是保密内容，因此齿轮箱齿数是很难获取的，这样就为齿轮故障识别的准确性带来了很多麻烦，所以若能找到一种齿轮齿数的估算方法对齿轮箱故障诊断以及齿轮故障的自动诊断是十分有意义的。

现阶段对没有齿数的参数的齿轮箱，仍然靠人工经验估计或在齿轮箱发生故障后，拆开齿轮箱才可收集到齿轮齿数信息。人工估计的方式人工经验不同，没有统一标准造成估计结果偏差很大；而拆机后收集齿数参数的方式效率非常低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的齿轮箱齿数参数不全，且人工经验估计估算标准不统一以及故障拆机收集方式效率低下的问题，本发明的目的是提供一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，是一种基于振动信号的齿轮齿数估算方法，可在齿轮箱出现异常时估算齿轮齿数，该方法保证齿轮齿数估算准确的同时也保证了估算标准的统一。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；并获取齿轮轴的转频；然后，在采集得到的包络信号中利用滑动的窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq，判断滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq是否满足转频标识条件，若满足则对速度信号进行搜索方式1，若不满足条件则对速度信号进行搜索方式2；

搜索方式1，计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分；若能量占比Range_energy_ratio大于或等于第一阈值threshold1，则在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，取能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数；

搜索方式2，滤除速度频谱信号Vel_sig中滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq和2倍滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq的频率成分得到滤除后的速度信号Filter_vel_sig，计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，若能量占比Range_energy_ratio大于或等于第一阈值threshold1，则在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，在搜索过程中将窄带窗内能量大于或等于第二阈值threshold2的频率，且1倍窄带窗和2倍窄带窗能量相差小于第三阈值threshold3倍的频率成分加入筛选后的频率序列Filter_freq_list，取频率序列Filter_freq_list中2倍频窄带窗内能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数；

最终，通过得到的齿轮齿数计算得齿轮啮合频率。

进一步的，所述齿轮箱的振动信号通过在齿轮箱各轴轴承位置安装的振动加速度传感器采集。

进一步的，当滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq与转频或者与2倍的转频相等时，均判断滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq满足转频标识条件。

进一步的，根据齿轮加工中不根切的最小齿数直齿为14个，斜齿为12个，因此将啮合频率的搜索频带设为：12*转频-1KHz。

进一步的，所述搜索方式1包括以下步骤：

步骤11、对步骤一采集的速度信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到速度谱Vel_f_sig；

步骤12、计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率学列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤13、若能量占比Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，即若搜索频带能量太小则表示齿轮啮合频率很小，基本和频谱底脚噪声一个级别，那么可以认为齿轮啮合良好，该情况也无需搜索啮合频率；若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤14，其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到；

步骤14、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窄带窗内能量，搜索频带内的第n个频率的2倍窄带窗内能量Energy_f_n为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Vel_f_sig(l*f_i-m*Δf)为包络谱对应频率l*f_i-m*Δf的幅值；

将Energy_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

步骤15、取搜索频带频率能量序列Search_f_elist中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数Gt_num。

进一步的，所述搜索方式2包括以下步骤：

步骤21、由于包络谱中的最大周期成分Enve_MaxFreq不为转频，则该频率可能为轴承故障特征频率或随机频率成分，若为轴承故障特征频率，则该频率可能会出现速度频谱中，会影响齿轮啮合频率搜索，因此在搜索前须将该频率滤除，分别设计陷波器滤除Enve_MaxFreq和2*Enve_MaxFreq得到滤波后的信号Filter_vel_sig；

步骤22、对滤波后的信号Filter_vel_sig进行快速傅里叶变换(FFT)，得到速度谱Filter_vel_f_sig

步骤23、计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率序列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤24、若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，即若搜索频带能量太小则表示齿轮啮合频率很小，基本和频谱底脚噪声一个级别，齿轮啮合良好，无需搜索啮合频率；若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤25；其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到；

步骤25、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍滑动窄带窗内能量，分别在搜索频带内的第n个频率f_n的1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1和2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Filter_vel_f_sig(f_n-m*Δf)为包络谱对应频率f_n-m*Δf的幅值；

则频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n为：

Filter_vel_f_n＝Filter_vel_f_n_1+Filter_vel_f_n_2

根据以下判断条件对搜索频带内的频率进行筛选：

A、1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1与2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2的频带能量均大于阈值threshold2；

B、1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1与2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2的频带能量之比小于threshold3；

将满足以上A和B条件的频率f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_list中，频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

取搜索频带频率能量序列Search_f_elist中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数GTnum；

步骤五：计算得齿轮啮合频率，计算公式如下：

GMF＝rotate_freq*GTnum。

进一步的，所述第一阈值threshold1取0.3。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤一：实时采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；同时获取齿轮轴的转频rotate_freq；

步骤二：对步骤一种采集的包络信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到包络谱Enve_f_sig，在包络谱Enve_f_sig中利用滑动的Wnum倍窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq；

步骤三：判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否满足转频标识条件，当满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为True，当不满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为False，判断条件如下：

步骤四：根据转频标识rotate_freq_flag的结果，对速度信号进行不同的处理方式搜索啮合频率，当转频标识rotate_freq_flag为True，采用搜索方式1搜索啮合频率，当rotate_freq_flag为False，采用搜索方式2搜索啮合频率。

进一步的，所述步骤二中，包络的频率序列f_enve_list的第i个频率成分f_i，f_i的k倍窄带窗内频率对应的频率序列为[k*f_i-2*Δf：k*f_i+2*Δf]，对应频率f_i的对应的滑动窄带窗口能量计算公式为：

其中：Δf为包络谱的频谱分辨率，Enve_f_sig(j*f_i-k*Δf)为包络谱对应频率j*f_i-k*Δf的幅值；最大的滑动窄带窗口能量max(Energy_f_i)对应的频率为Enve_MaxFreq。

进一步的，所述步骤二中，所述Wnum取值为4。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明的齿轮啮合频率估算方法通过在齿轮箱各轴轴承位置安装的振动加速度传感器，实时采集齿轮箱的振动信号，基于振动信号进行齿轮齿数估算，可在齿轮箱出现异常时估算齿轮齿数，进而得到齿轮啮合频率，本发明的估算方法准确的同时也保证了估算标准的统一。本发明在操作过程中，通过设计陷波器滤除Enve_MaxFreq和2*Ehve_MaxFreq得到滤波后的信号Filter_vel_sig，避免包络谱中的最大周期成分Enve_MaxFreq的频率影响齿轮啮合频率搜索，保证了搜索的精度和效果。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图。

图2是滑动窄带窗内能量搜索最大能量频率示意图。

图3是齿轮齿数搜索方式1流程示意图。

图4是齿轮齿数搜索方式2流程示意图。

图5是啮合频率估算示意图。

图6是部分齿轮啮合频率估算效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

首先需要说明的是，齿轮啮合频率，是因为齿轮传动***是一个弹性的机械***，由于结构和运动关系的原因，存在着运动和力的非平稳性，该非平稳性导致了齿轮传动***的啮合振动，该振动的频率就是齿轮啮合频率GMF，计算公式如下：

GMF＝RPM/60*GTnum

其中，RPM为齿轮所在轴的转速，GTnum为齿轮齿数。

参阅附图1，图1为齿轮啮合频率估算方法的整体流程图。首先在齿轮箱各轴轴承位置安装振动加速度传感器，实时采集齿轮箱的振动信号，振动信号包括：速度信号和包络信号，同时获取齿轮轴的转频；其次，在包络信号中利用滑动的窄带窗口获得窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq，判断窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否是转频，若为转频对速度信号进行齿轮齿数搜索方法1进行齿轮齿数搜索，若不存在有效啮合频率停止搜索，齿轮运行状态良好；相反地若存在有效啮合频率则进行搜索获得齿轮齿数，结合齿轮轴转频计算得到齿轮啮合频率；若为转频对速度信号进行齿轮齿数搜索方法2进行齿轮齿数搜索，若不存在有效啮合频率停止搜索，齿轮运行状态良好；相反地若存在有效啮合频率则进行搜索获得齿轮齿数，结合齿轮轴转频计算得到齿轮啮合频率。

参阅附图2，图2为滑动窄带窗内能量计算示意。通过频谱上的滑动窄带倍频窗，计算倍频窗内的能量和，滑动整个频带后最大窗内能量和所对应的窄带窗的第一个窄带的中心频率即为频谱上能量最大频率，也就是频谱主要成分。

参阅附图3，图3为齿轮齿数搜索方法1示意图，齿轮齿数搜索方法1主要针对于包络最大周期成分为转频的齿数搜索方法，首先对速度信号进行FFT，得到速度谱，以12*转频-1KHz为搜索频带，计算搜索频带能量在整个信号的能量占比Re_ratio，若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，齿轮状态运行良好；若Re_ratio大于于第一阈值threshold1，以2倍倍频滑动窗计算各滑动窗的窗内能量，将满足条件的频率加入待选择频率序列：

条件1：滑动窗的第一个窗内能量和第二个窗内能量大于阈值threshold2；所述第一个窗为2倍倍频滑动窗中的1倍窗，所述第二个窗为2倍倍频滑动窗中的2倍窗；

条件2：滑动窗第一个窗内能量和第二个窗内能量之比小于第三阈值threshold3，取待选择频率序列滑动窗内能量前五的频率，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数GTnum。

参阅附图4，图4为齿轮齿数搜索方法2示意图，齿轮齿数搜索方法1主要针对于包络最大周期成分不为转频的齿数搜索方法，首先对速度信号进行FFT，得到速度谱；然后，在速度谱上利用陷波器，将包络最大周期成分的1X和2X频率滤除；以12*转频-1KHz为搜索频带，计算搜索频带能量在整个信号的能量占比Re_ratio，若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，齿轮状态运行良好；若Re_ratio大于于第一阈值threshold1，以2倍倍频滑动窗计算各滑动窗的窗内能量，将满足条件的频率加入待选择频率序列

条件1：滑动窗第一个窗内能量和第二个窗内能量大于阈值threshold2；

条件2：滑动窗第一个窗内能量和第二个窗内能量之比小于第三阈值threshold3；

取待选择频率序列滑动窗内能量前五的频率，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数GTnum。

参阅附图5，图5为本发明的啮合频率GMF计算示意，即啮合频率GMF等于搜索得齿轮齿数GTnum乘齿轮轴转频。

参阅附图6，图6为某些具体实施例中，进行部分搜索齿轮啮合频率与实际啮合频率对比情况，从对比情况可以看到搜索得到齿轮啮合频率与实际啮合频率非常接近，本发明的齿轮啮合频率估算具有较为准确估算效果，通过多种情况的验算也可以得知，本发明的齿轮啮合频率估算方法具有非常好的适用范围，具有良好的推广实施运用前景。

一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在齿轮箱各轴轴承位置安装振动加速度传感器，实时采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；同时获取齿轮轴的转频rotate_freq；

步骤二：对步骤一种采集的包络信号进行FFT，得到包络谱Enve_f_sig，在包络谱Enve_f_sig中利用滑动的Wnum倍窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq；

例：包络的频率序列f_enve_list的第i个频率成分f_i，f_i的k倍窄带窗内频率对应的频率序列为[k*f_i-2*Δf：k*f_i+2*Δf]，对应频率f_i的对应的滑动窄带窗口能量计算公式为：

其中：Δf为包络谱的频谱分辨率，Enve_f_sig(j*f_i-k*Δf)为包络谱对应频率j*f_i-k*Δf的幅值，Wnum根据计算效果常定为4；

最大的滑动窄带窗口能量：max(Energy_f_i)对应的频率即为Enve_MaxFreq；

步骤三：判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否为转频，在实际计算中发现，包络谱中可能会出现2倍的转频大于1倍的情况，因此当滑动窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq为2倍的转频时也判断为转频，当满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为True，当不满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为False，判断条件如下：If(EnveMaxFreq＝＝rotate_freq)|(Enve_MaxFreq＝＝2*rotate_freq)：

rotate_freq_flag＝True

else：

rotate_freq_flag＝False

步骤四：根据转频标识rotate_freq_flag的结果，对速度信号进行不同的处理方式搜索啮合频率，当转频标识rotate_freq_flag为True，采用搜索方式1搜索啮合频率，当rotate_freq_flag为False，采用搜索方式2搜索啮合频率：

搜索方式1包括以下步骤：

步骤11、对步骤1得到采集的速度信号进行FFT，得到速度谱Vel_f_sig；

步骤12、根据齿轮加工中不根切的最小齿数直齿为14个，斜齿为12个，因此将啮合频率的搜索频带设为：12*转频-1KHz，计算搜索频带(12*转频-1KHz)能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率学列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤13、若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，即若搜索频带能量太小则表示齿轮啮合频率很小，基本和频谱底脚噪声一个级别，那么可以认为齿轮啮合良好，该情况也无需搜索啮合频率；若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤14，其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到，在本发明的优选实施例中，第一阈值threshold1取0.3；

步骤14、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窄带窗内能量，搜索频带内的第n个频率的2倍窄带窗内能量Energy_f_n为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Vel_f_sig(l*f_i-m*Δf)为包络谱对应频率l*f_i-m*Δf的幅值；

将Energy_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

步骤15、取搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数Gt_num。

搜索方式2可分为如下几步进行：

步骤21、由于包络谱中的最大周期成分EnVe_MaxFreq不为转频，则该频率可能为轴承故障特征频率或随机频率成分，若为轴承故障特征频率，则该频率可能会出现速度频谱中，会影响齿轮啮合频率搜索，因此在搜索前须将该频率滤除，分别设计陷波器滤除Enve_MaxFreq和2*Ehve_MaxFreq得到滤波后的信号Filter_vel_sig；

步骤22、对滤波后的信号Filter_vel_sig进行快速傅里叶变换(FFT)，得到速度谱Filter_vel_r_sig

步骤23、根据齿轮加工中不根切的最小齿数直齿为14个，斜齿为12，因此将啮合频率的搜索频带设为：12*转频-1KHz，计算搜索频带(12*转频-1KHz)能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率序列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤24、若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，即若搜索频带能量太小则表示齿轮啮合频率很小，基本和频谱底脚噪声一个级别，齿轮啮合良好，无需搜索啮合频率；若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤25；其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到，在本发明的优选实施例中，第一阈值threshold1取0.3；

步骤25、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍滑动窄带窗内能量，分别在搜索频带内的第n个频率f_n的1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1和2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Filter_vel_f_sig(f_n-m*Δf)为包络谱对应频率f_n-m*Δf的幅值；

则频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n为：

Filter_vel_f_n＝Filter_vel_f_n_1+Filter_vel_f_n_2

根据以下判断条件对搜索频带内的频率进行筛选：

A、Filter_vel_f_n_1与Filter_vel_f_n_2的频带能量均大于或等于阈值threshold2，即(Filter_vel_f_n_1≥阈值threshold2)&(Filter_vel_f_n_1≥阈值threshold2)

B、Filter_vel_f_n_1与Filter_vel_f_n_2的频带能量不可相差大于第三阈值threshold3，即(max(Filter_vel_f_n_1，Filter_vel_f_n_2)/min(Filter_vel_f_n_1，Filter_vel_f_n_2))＜第三阈值threshold3；

将满足以上A、B条件的频率f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_list中，频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

取搜索频带频率能量序列Search_f_elist中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数GTnum；

步骤五：计算得齿轮啮合频率，计算公式如下：

GMF＝rotate_freq*GTnum。

本发明的齿轮啮合频率估算方法通过在齿轮箱各轴轴承位置安装的振动加速度传感器，实时采集齿轮箱的振动信号，振动信号包括：速度信号和包络信号；同时获取齿轮轴的转频；其次，在包络信号中利用滑动的窄带窗口获得窄带窗口能量最大频率EnveMaxFreq，判断EnveMaxFreq是否是转频，若为转频对速度信号进行处理方式1，若不为转频则对速度信号进行处理方式2。

再次，对采集得到的速度信号进行处理，包括两种方式：

方式1，计算搜索频带(12*转频-1KHz)能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，若Range_energy_ratio大于第一阈值threshold1，再在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，取能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数。

方式2，滤除速度频谱信号Vel_sig中EnveMaxFreq和2*EnveMaxFreq的频率成分得到滤除后的速度信号Filter_vel_sig，计算搜索频带(12*转频-1KHz)能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，若Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，若Range_energy_ratio大于第一阈值threshold1，再在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，在搜索过程中将窄带窗内能量大于阈值threshold2的频率，且1倍窄带窗和2倍窄带窗能量之比小于第三阈值threshold3的频率成分加入筛选后的频率序列Filter_freq_list，取Filter_freq_list中2倍频窄带窗内能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数。最终，计算得齿轮啮合频率。

Claims (10)

1.一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；并获取齿轮轴的转频；然后，在采集得到的包络信号中利用滑动的窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq，判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否满足转频标识条件，若满足则对速度信号进行搜索方式1，若不满足条件则对速度信号进行搜索方式2；

搜索方式1，计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分；若能量占比Range_energy_ratio大于或等于第一阈值threshold1，则在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，取能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数；

搜索方式2，滤除速度频谱信号Vel_sig中滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq和2倍滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq的频率成分得到滤除后的速度信号Filter_vel_sig，计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Range_energy_ratio，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，若能量占比Range_energy_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，若能量占比Range_energy_ratio大于或等于第一阈值threshold1，则在搜索频带内2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窗内能量，在搜索过程中将窄带窗内能量大于或等于第二阈值threshold2的频率，且1倍窄带窗和2倍窄带窗能量相差小于第三阈值threshold3倍的频率成分加入筛选后的频率序列Filter_freq_list，取频率序列Filter_freq_list中2倍频窄带窗内能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数；

最终，通过得到的齿轮齿数计算得齿轮啮合频率。

2.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述齿轮箱的振动信号通过在齿轮箱各轴轴承位置安装的振动加速度传感器采集。

3.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，当滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq与转频或者与2倍的转频相等时，均判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq满足转频标识条件。

4.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，根据齿轮加工中不根切的最小齿数直齿为14个，斜齿为12个，因此将啮合频率的搜索频带设为：12*转频-1KHz。

5.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述搜索方式1包括以下步骤：

步骤11、对步骤一采集的速度信号进行快速傅里叶变换，得到速度谱Vel_f_sig；

步骤12、计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率学列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤13、若能量占比Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤14，其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到；

步骤14、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍窄带窗内能量，搜索频带内的第n个频率的2倍窄带窗内能量Energy_f_n为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Vel_f_sig(l*f_i-m*Δf)为包络谱对应频率l*f_i-m*Δf的幅值；

将Energy_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

步骤15、取搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数Gt_num。

6.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述搜索方式2包括以下步骤：

步骤21、设计陷波器滤除Enve_MaxFreq和2*Enve_MaxFreq得到滤波后的信号Filter_vel_sig；

步骤22、对滤波后的信号Filter_vel_sig进行快速傅里叶变换，得到速度谱Filter_vel_f_sig；

步骤23、计算搜索频带能量在整个频带的能量占比Re_ratio，计算公式如下：

其中，index_12为12*转频在速度频谱频率序列中对应的索引，N为速度频谱的长度；

步骤24、若Re_ratio小于第一阈值threshold1，则表示无有效齿轮啮合频率成分，齿轮啮合良好，无需搜索啮合频率；若Re_ratio大于第一阈值threshold1，再进行步骤25；其中，第一阈值threshold1通过案例数据统计得到；

步骤25、在搜索频带内以2倍频滑动窄带窗计算各频率对应的2倍滑动窄带窗内能量，分别在搜索频带内的第n个频率f_n的1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1和2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2为：

其中，vel_Δf为速度谱的频谱分辨率，Filter_vel_f_sig(f_n-m*Δf)为包络谱对应频率f_n-m*Δf的幅值；

则频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n为：

Filter_vel_f_n＝Filter_vel_f_n_1+Filter_vel_f_n_2

根据以下判断条件对搜索频带内的频率进行筛选：

A、1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1与2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2的频带能量均大于或等于阈值threshold2；

B、1倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_1与2倍窄带窗内能量Filter_vel_f_n_2的频带能量之比小于threshold3；

将满足以上A和B条件的频率f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_list中，频率f_n的2倍滑动窄带窗内能量Filter_vel_f_n加入搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中；

取搜索频带频率能量序列Search_f_e_list中能量前五的频率成分，并将能量前五的频率成分除以转频就近取整，以多数表决原则得到齿轮齿数GTnum；

步骤五：计算得齿轮啮合频率，计算公式如下：

GMF＝rotate_freq*GTnum。

7.根据权利要求4或5所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述第一阈值threshold1取0.3。

8.根据权利要求1所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：实时采集齿轮箱的振动信号，所述振动信号包括：速度信号和包络信号；同时获取齿轮轴的转频rotate_freq；

步骤二：对步骤一种采集的包络信号进行快速傅里叶变换，得到包络谱Enve_f_sig，在包络谱Enve_f_sig中利用滑动的Wnum倍窄带窗口获得滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq；

步骤三：判断滑动窄带窗口能量最大频率Enve_MaxFreq是否满足转频标识条件，当满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为True，当不满足判断条件时转频标识rotate_freq_flag为False，判断条件如下：

步骤四：根据转频标识rotate_freq_flag的结果，对速度信号进行不同的处理方式搜索啮合频率，当转频标识rotate_freq_flag为True，采用搜索方式1搜索啮合频率，当rotate_freq_flag为False，采用搜索方式2搜索啮合频率。

9.根据权利要求8所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述步骤二中，包络的频率序列f_enve_list的第i个频率成分f_i，f_i的k倍窄带窗内频率对应的频率序列为[k*f_i-2*Δf:k*f_i+2*Δf]，对应频率f_i的对应的滑动窄带窗口能量计算公式为：

其中：Δf为包络谱的频谱分辨率，Enve_f_sig(j*f_i-k*Δf)为包络谱对应频率j*f_i-k*Δf的幅值；最大的滑动窄带窗口能量max(Energy_f_i)对应的频率为Enve_MaxFreq。

10.根据权利要求8所述的一种无参数齿轮箱齿轮啮合频率估算方法，其特征在于，所述步骤二中，所述Wnum取值为4。

Images