[发明专利]齿轮箱运行状态的在线监测预警方法

权利要求书

1.一种齿轮箱设备运行状态的在线监测方法，包括齿轮箱、滚动轴承和设置于轴承座上用于监测滚动轴承振动信号的振动传感器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、采集所述振动传感器输出信号Yi，对该原始信号Y_i作频谱分析，并通信号重构获得齿轮本体、滚动轴承特征信息，提取齿轮轴系上对应的传感器检测的总振值、转频及倍频、啮合频率及倍频、对应的振动幅值；

步骤二、所述轴承各部件的冲击速率和振动频谱的关系为：

轴承外圈振动频谱：                                                  　　　　　　     (1)

轴承内圈振动频谱：                    (2)

轴承滚动体振动频谱：           (3)

轴承保持架振动频谱：  (4) 

式中：n为滚动体数、为内外圈相对转速频率、d为滚动体直径、D为节圆直径、α为接触角；

步骤三、设定轴承故障因子，轴承内圈故障因子B₁、轴承外圈故障因子B₂、轴承滚动体故障因子B₃、轴承保持架故障因子B₄ ，则轴承各部件故障因子与振动频谱间的关系为：

                          　(5)

                        (6)

                          (7)

                          (8)

式中A_fi, U_fi分别为轴承内圈振动频谱f_i处的振动幅值和f_i在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fo, U_f0分别为轴承外圈振动频谱f_o处的振动幅值和f_o在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fp, U_fp为轴承滚动体振动频谱f_p处的振动幅值和f_p在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fh, U_fh为轴承保持架振动频谱f_h处的振动幅值和f_h在正负20%范围内振动值的加权平均；

步骤四、设定轴承内圈、外圈、滚动体和保持架故障因子的报警值分别为B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4，监测步骤三中轴承故障因子B₁、B₂、B₃和B₄，当B₁、B₂、B₃和B₄分别大于B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4时，在线监测系统预报轴承异常；

步骤五、对于经步骤一采集的振动传感器的原始振动信号Yi，将该Yi经振动频谱分析FFT变换分别取得传感器总振动值为P，齿轮1倍啮合频率、2倍啮合频率、3倍啮合频率和4倍啮合频率处的振动幅值分量Xi(t)，i取1、2、3和4，则齿轮啮合状态特征系数为：

                          (9)

当该比值30%<<50%时，在线监测系统预报齿轮啮合状态不良；

步骤六、以齿轮的振动频谱作为依据，频谱总振值、啮合频率处的振动值及其边带、转速频率及倍频等作为建立齿轮表面剥落系数的基础；

设S为标准样本，T为待检样本，i表示样本中的特征参数，T与S的匹配度M(S,T)用式(1)表示，M越小说明T与S越相近，M越大说明T与S差异越明显；

                                                    (10)

采用多参数指标作为评价齿轮齿面剥落的判据，综合齿轮啮合频率处的振动值、总振动值、以啮合频率为中心一定频段内的谱线参数建立齿轮表面剥落系数M，反映齿轮齿面的剥落情况；

齿轮表面剥落系数M由S(i)和T(i)计算得到，其中标准样本S(1)=1, S(2)=1,S(3)=1，S(4)=1; T(1)、T(2)、T(3)和T(4) 待检样本的四个特征参数，分别为齿轮振动信号频谱RMS的总振动值、齿轮啮合频率处的最大值、以及中心频率为啮合频率一定频段宽度内（fz±εfz）的振动平均值，fz为齿轮啮合频率，ε为频段上下限离啮合频率的百分比宽度；

齿轮表面剥落系数M简化为公式(11)，

   (11)

M的一级报警值（轻故障报警限）设置为5.0，二级报警值（重故障报警限）设为10.0；

当M<5.0时，在线监测系统预报齿面状态正常；当5.0≤M<10.0时，在线监测系统预报齿轮表面出现剥落轻故障；当M≥10.0时，在线监测系统预报齿轮表面出现剥落重故障；

步骤七、获取齿轮箱轴承的振动频谱，确定该轴系齿轮的啮合频率f_z、边带频率f_s以及对应的振动值，其中A_fz, A_fs分别表示齿轮啮合频率对应振动频谱图上f_z处的振动幅值和边带f_s在振动频谱图上的振动值，设齿轮表面的断齿故障系数为W  

则          W =A_fs/A_fz　　　       　　(12)

当w>50%时，在线监测系统预报齿轮表面断齿。