一种转频自动搜索方法、系统、设备及存储介质 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于机械振动信号处理领域，涉及一种转频自动搜索方法、系统、设备及存储介质。背景技术：2.在汽车、船舶，军用坦克等大型设备中，以齿轮箱为主要结构部件的变速箱是最为关键并且应用最为广泛的一类机械部件。由于这类大型部件结构复杂，工况变化大，很容易引起齿轮发生故障。为避免故障持续发展，造成车毁人亡的灾难性事故，必须实现设备故障的自动诊断。自动诊断的基础是齿轮特征频率成分的自动提取，其前提是准确获取转速信号。工程应用中考虑到经济性和系统复杂性，很多设备往往不附加转速测试系统而是直接以can总线交互方式或者电机控制的显示转速中获取转速信号。由于传输滞后和数据读取优先级问题，数据采集系统难以实现振动信号与转速信号的同步采集，导致获取的转速信号与测试的振动数据不匹配。3.目前，转频搜索的主要方法有：短时尺度变换法、多级迭代法、经验模态分解法；短时尺度变换法、多级迭代法均可以实现尺寸瞬时转频的提取，但在转速大范围变化时，会在相邻阶次谐波之间产生交叉项，使这两类方法应用受限。经验模态分解法处理振动信号，进而估计瞬时转频，但该方法存在模态混叠、端点效应等问题，处理复杂多分量信号时会产生较大误差，并且计算速度太慢。因此，以上瞬时转频自动搜索算法很难应用于实际。技术实现要素：4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种转频自动搜索方法、系统、设备及存储介质，实现了转频成分的准确识别，为后续齿轮故障特征频率的准确提取和识别提供了重要信息基础。5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：6.一种转频自动搜索方法，包括一下过程：7.s1，获取齿轮真实转频所处的频率范围，以及真实转频的各阶高次谐波的频率范围；8.s2，获取齿轮的振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，在幅频特性曲线中真实转频及其各阶高次谐波的频率范围内作上包络曲线；9.s3，提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波；10.s4，利用所提取得多个转频或高次谐波，对预估转频进行推断；11.s5，根据推断的转频，结合传动关系，计算齿轮啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率；12.s6，通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索得精准转频。13.优选的，s1的具体过程为：根据转向架的最大时间滞后量，以及齿轮箱内的齿轮在服役过程中的最大加速度和转频，推断出真实转频所处的频率范围和各阶高次谐波的频率范围。14.进一步，根据转向架的交互延时δt1和传输延时δt2计算获取最大时间滞后量δt＝δt1+δt2，结合齿轮箱内的齿轮在服役过程中的最大加速度a和can总线获取的转频fr，计算真实转频所处的频率范围[fl，fh]，其中fl＝fr-aδt，fh＝fr+aδt，推断其各阶高次谐波的频率范围2×[fl，fh]，3×[fl，fh]，...，n×[fl，fh]，n＝6。[0015]优选的，s2中，采用快速傅里叶变换处理振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线。[0016]优选的，s4中，推断出的预估转频fk为：[0017][0018]式中，i为存在规定频率范围内的峰值频率对应的谐波阶数，n＝6，若在某阶谐波规定的频率范围内不存在峰值，那么此阶谐波频率范围不进入式中计算。[0019]优选的，s5中，传动关系为齿轮的齿数n，计算出啮合频率所处的频率范围：[0020](fk×n-δfn，fk×n+δfn)[0021]式中，fk为预估转频，±δfn为误差范围选定，经验取值δfn＝3hz；[0022]观察啮合频率所处的频率范围的包络曲线，提取距离该频率范围内的峰值频率fn，记作佐证啮合频率。[0023]优选的，s6中，通过佐证啮合频率推断的转频结果：[0024][0025]式中，fn为佐证啮合频率，将f′k作为搜索到的精确转频输出。[0026]一种转频自动搜索系统，包括：[0027]频率范围获取模块，用于获取齿轮真实转频所处的频率范围，以及真实转频的各阶高次谐波的频率范围；[0028]包络曲线制作模块，用于获取齿轮的振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，在幅频特性曲线中真实转频及其各阶高次谐波的频率范围内作上包络曲线；[0029]峰值频率提取模块，用于提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波；[0030]预估转频推断模块，用于利用所提取得多个转频或高次谐波，对预估转频进行推断；[0031]佐证啮合频率提取模块，用于根据推断的转频，结合传动关系，计算齿轮啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率；[0032]精准转频获取模块，用于通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索的精准转频。[0033]一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述转频自动搜索方法的步骤。[0034]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述转频自动搜索方法的步骤。[0035]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0036]本发明利用齿轮转子系统中普遍存在的转频成分、啮合频率成分及其高次谐波等频率成分的相互约束关系，以啮合频率及其高次谐波作为转频提取的佐证频率，实现转频的识别。利用该转频自动搜索算法，避免了基于相对低频的单一谱线的转频计算误差引入到后续的特征频率计算中，并且避免了对高精度转速测试设备的附加需求，克服了can总线转速交互中不可避免的延迟导致的转速与振动信号采集不同步问题，实现了转频成分的准确识别，为后续齿轮故障特征频率的准确提取和识别提供了重要信息基础。附图说明[0037]图1为本发明的转频自动搜索方法流程图；[0038]图2为本发明的加速度频谱的峰值包络图。具体实施方式[0039]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0040]需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。[0041]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。[0042]本发明所述的转频自动搜索方法，如图1所示，包括如下步骤：[0043]步骤1，根据转向架的转速传输和交互系统的参数，以及齿轮箱内的齿轮服役过程中最大加速度和can总线获取的转频，推断真实转频所处的频率范围和真实转频各阶高次谐波的频率范围。[0044]根据转向架的交互延时δt1和传输延时δt2计算获取最大时间滞后量δt＝δt1+δt2，结合设备服役过程中的最大加速度a和can总线获取(控制器显示)的转频fr，计算真实转频所处的频率范围[fl，fh]，其中fl＝fr-aδt，fh＝fr+aδt，推断其各阶高次谐波的频率范围2×[fl，fh]，3×[fl，fh]，...，n×[fl，fh]等，一般n＝6。[0045]步骤2，采用频谱分析处理传感器获取齿轮的振动信号，在关注的转频高次谐波范围内，对频谱做上包络曲线。[0046]采用快速傅里叶变换处理传感器获取的原始振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，对真实转频及其各阶高次谐波的频率范围[0，n×fh]作上包络曲线。[0047]步骤3，提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波。[0048]提取包络曲线的峰值频率，将峰值频率与各阶次谐波的频率范围进行对比，取规定频率范围([fl，fh]，2×[fl，fh]，...，n×[fl，fh])内的峰值频率，记录为转频或高次谐波，例如fk是存在于包络曲线上的峰值，且fk1∈1×[fl，fh]，那么将fk1记作转频的一阶谐波频率。[0049]步骤4：利用所提取得多个高次谐波，对预估转频进行推断。[0050]利用步骤3中的获取的在频率范围内的峰值频率fk1，fk2，fk3...，推断出预估的转频：[0051][0052]式中，i为存在规定频率范围内的峰值频率对应的谐波阶数，若在某阶谐波规定的频率范围内不存在峰值，那么此阶谐波频率范围不进入式中计算。[0053]步骤5：根据推断的转频，结合传动关系，计算啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率。[0054]根据预估的转频，结合传动关系，即齿轮的齿数n，计算出啮合频率所处的频率范围：[0055](fk×n-δfn，fk×n+δfn)[0056]误差范围选定为±δfn，经验取值δfn＝3hz。观察此处的包络曲线，提取距离该频率范围内的峰值频率fn，记作佐证啮合频率。[0057]步骤6：通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索得精准转频。避免基于相对低频得单一谱线得转盘计算误差引入到后续的特征频率计算中。[0058]通过佐证啮合频率推断的转频结果：[0059][0060]将f′k作为搜索到的精确转频输出。[0061]本发明根据转速传输和交互系统参数，结合最大加速度和can总线获取的转频推断各阶谐波频率范围；构建频谱的上包络曲线获取各阶谐波的峰值频率并推断预估转频；结合传动关系提取计算啮合频率所处频率范围；提取频率范围内的峰值频率作为精确的啮合频率；通过啮合频率推断转频结果，从而实现精准转频的搜索。该方法是一种全新的转频自动搜索方法，简单可行，可为机械故障信号处理提供有效支持。[0062]如图2所示，其为原始振动信号的转频图。本实例中控制器显示转速为1000rpm，电机实际转速与控制器设置转速存在误差，假设实际误差存在±40rpm，那么获取的转速最小为960rpm，最大为1040rpm，那么预估转频为16.0hz～17.3hz。[0063]从图2中包络曲线的峰值中，提取到四个峰值，经过与转频及其高阶谐波对比，判定其中的75.2hz不属于任意阶次的转频，16.1hz处于(16.0～17.3hz)区间范围内，50.2hz处于3×(16.0～17.3hz、)区间范围内，97.3hz处于6×(16.0～17.3)hz。[0064]考虑到转速波动和低频率范围的频率误差计算，以更高频啮合频率作为佐证频率，最终确定转频。主动搜索的三个转频相关频率计算推断的转频平均值为(16.1+50.2+97.3)/(1+3+6)＝16.4hz，以此为基础，通过啮合关系齿数n＝21确定啮合频率频率范围为(16.4×21-3，16.4×21+3)。在此频率范围内提取峰值对应的频率，即啮合频率为343.11hz，最终通过精确的啮合频率推断实际转频为343.11/21＝16.3hz，对应的精确转速为978rpm，转频识别参数和结果如表1所示。[0065]表1转频识别参数和结果[0066][0067]下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。[0068]本发明再一个实施例中，提供了一种转频自动搜索系统，该转频自动搜索系统可以用于实现上述转频自动搜索方法，具体的，该转频自动搜索系统包括频率范围获取模块、包络曲线制作模块、峰值频率提取模块、预估转频推断模块、佐证啮合频率提取模块以及精准转频获取模块。[0069]其中，频率范围获取模块用于获取齿轮真实转频所处的频率范围，以及真实转频的各阶高次谐波的频率范围。[0070]包络曲线制作模块用于获取齿轮的振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，在幅频特性曲线中真实转频及其各阶高次谐波的频率范围内作上包络曲线。[0071]峰值频率提取模块用于提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波。[0072]预估转频推断模块用于利用所提取得多个转频或高次谐波，对预估转频进行推断。[0073]佐证啮合频率提取模块用于根据推断的转频，结合传动关系，计算齿轮啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率。[0074]精准转频获取模块用于通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索的精准转频。[0075]本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于转频自动搜索方法的操作，包括：s1，获取齿轮真实转频所处的频率范围，以及真实转频的各阶高次谐波的频率范围；s2，获取齿轮的振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，在幅频特性曲线中真实转频及其各阶高次谐波的频率范围内作上包络曲线；s3，提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波；s4，利用所提取得多个转频或高次谐波，对预估转频进行推断；s5，根据推断的转频，结合传动关系，计算齿轮啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率；s6，通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索得精准转频。[0076]再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。[0077]可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关转频自动搜索方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：s1，获取齿轮真实转频所处的频率范围，以及真实转频的各阶高次谐波的频率范围；s2，获取齿轮的振动信号，构建振动信号的幅频特性曲线，在幅频特性曲线中真实转频及其各阶高次谐波的频率范围内作上包络曲线；s3，提取包络曲线中的峰值频率，与真实转频及其各阶高次谐波的频率范围对比，取频率范围内的峰值频率，记录为转频或高次谐波；s4，利用所提取得多个转频或高次谐波，对预估转频进行推断；s5，根据推断的转频，结合传动关系，计算齿轮啮合频率所处的频率范围，并提取啮合频率作为佐证啮合频率；s6，通过佐证啮合频率推断出转频结果，作为搜索得精准转频。[0078]本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。[0079]本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0080]这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。[0081]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0082]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。[0083]应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本专利的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主题内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。









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