(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221094687 7.4 (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 王亚南　李志国　乔百杰　曹宏瑞　 陈雪峰　 (74)专利代理 机构 北京中济纬天专利代理有限 公司 11429 专利代理师 覃婧婵 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G01M 13/021(2019.01) G01M 13/028(2019.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 30/17(2020.01)G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故 障检测方法 (57)摘要 公开了一种基于结构加速度响应全场重构 的齿轮箱故障检测方法， 方法中， 根据有限测点 的加速度响应基于转换矩 阵得到齿轮箱箱体所 有节点的加速度响应； 根据各节 点坐标和各节点 颜色绘制齿轮箱箱体全场加速度响应 云图； 实时 开展全场响应反演重构并监测齿轮箱箱体工作 状态下的结构 全场加速度响应云图； 比较加速度 响应数值分布、 全场最大加速度响应数值和加速 度响应最大的节点的位置， 判断齿轮箱是否发生 故障； 基于重构齿轮箱箱体典型故障特征频率成 分的全场加速度响应确定齿轮箱故障敏感测点， 根据敏感测点响应中故障特征频率信息是否发 生明显变化， 判断齿轮箱是否发生典型故障特征 频率对应的典型故障。 权利要求书2页 说明书10页 附图11页 CN 115391911 A 2022.11.25 CN 115391911 A 1.一种基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其特征在于， 其包括以 下步骤， 第一步骤(S1)中， 建立齿轮箱箱体的三维有限元模型， 提取所述三维有限元模型的模 态参数和三维有限元模型的节点坐标， 其中， 通过模态分析提取所述三维有限元模型前ns 阶模态参数、 模态频率 fi和大小为ndof×1的位移模态振型φi， 构造齿轮箱箱体的全场位移 模态振型矩阵 大小为ndof×ns， 其中， ns表示振动多模态数目， i表示 模态阶次， ndof表示所述三维有限元模型的自由度数目， ndof＝3nno， nno表示所述三维有限元 模型的节点数目； 第二步骤(S2)中， 确定加速度传感器优化布局方案， 包括加速度传感器的数量和安装 位置， 其中， 加速度传感器布置在测点候选集， 提取所述测点候选集中各候选测点的位移模 态振型， 构造位移模态振型的测点候选矩阵 大小为nc×ns， 其中， φi*为测点候选集内候选测点的第i阶主要振动位移模态振型， nc表示测点候选集内候选测 点的数目， 从测点候选矩阵Φp中随机选取nat个设有加速度传感器的测点构造大小为nat× ns的测点位移模态振型矩阵Φat， 并计算其矩阵条件数w， 这个随机过程重复L次， 并从中选 择条件数w最小时的加速度传感器布置方案以作为加速度传感器优化布局方案； 第三步骤(S3)中， 建立有限测点加速度响应和齿轮箱箱体全场加速度响应的转换矩 阵， TA＝Φ×Φat‑1， 大小为3nno×nat； 其中， at‑1是测点位移模态振型矩阵的逆矩阵， 大小为 nat×ns； 第四步骤(S 4)中， 基于加速度传感器优化布局方案布置的nat个所述加速度传感器 获取 齿轮箱箱体的实测的有限测点加速度响应， 其中am* (t)表示系统第m号加速度传感器实测加速度响应， 根据所述有限测点加速度响应经由所述 转 换 矩 阵 TA得 到 所 有 节 点 的 加 速 度 响 应 A ( t ) ＝ TAAa t( t ) ，其 中 ， 其中， ai， x(t)表示齿轮箱箱体第i个节点x方向的加速度响应， ai， y(t)表示齿轮箱箱体 第i个节点y方向的加速度响应， ai， z(t)表示齿轮箱 箱体第i个节点z方向的加速度响应； 第五步骤(S5)中， 按照节点的加速度响应的数值大小赋予节点颜色， 根据所述节点坐 标和节点颜色绘制齿轮箱箱体全场加速度响应云图以可视化展示重构的齿轮箱箱体全场 加速度响应； 第六步骤(S6)中， 基于实时获得的有限测点加速度响应Aat(t)经由所述转换矩阵TA得 到齿轮箱箱体所有节 点实时加速度响应A(t)， 以及生成齿轮箱箱体实时全场加速度响应云 图； 第七步骤(S7)中， 将所述实时工作状态下的齿轮箱箱体全场加速度响应云图与正常工 作条件下的齿轮箱箱体全场加速度响应云图进行比较， 其中， 比较加速度响应数值分布、 全 场最大加速度响应数值和 加速度响应最大的节点的位置， 判断齿轮箱是否发生故障。 2.根据权利要求1所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 优选的， 第一步骤(S1)中， 所述节点坐标为coorno＝[no， cx， cy， cz]， 其中， no表示节点号， cx 表示节点x坐标， cy表示节点y坐标， c z表示节点z坐标。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115391911 A 23.根据权利要求1所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 第二步骤(S2)中， 加速度传感器数目nat与振动多模态数目ns的关系为： nat≥ns。 4.根据权利要求1所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 第五步骤(S5)中， 将时刻t0的箱体各节点加速度响应的数值范围R划为9个相等大小区间Ri (1≤i≤9)， 每个区间对应一种颜色， 按照节点加速度响应的数值大小 给每个节 点添加节 点 加速度响应所属区间对应的颜色， 根据提取的各节点坐标和各节点颜色画出重构的加速度 响应场的散点图以可视化展示重构的全场加速度响应。 5.根据权利要求4所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 在散点图中将加速度响应最大的节点用MAX进行 标注。 6.根据权利要求4所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 第五步骤(S5)中， 绘制指示条以清晰展示所述全场加速度响应的大小和分布， 将起始端点 为amin、 末尾端点为amax的线段平均分为9份， 在端点和各等分点分别标注数值大小amin、 amax， 并且为每小段线段添加数值区间对 应的颜色， 其中， amin表示所有节点加速 度响应的最小值， amax表示所有节 点加速度响应的最大值， |R|表 示数值范围R的大小， j表 示 第j个等分点， 所述散点图和指示条共同构成t0时刻齿轮箱 箱体全场加速度响应云图。 7.根据权利要求t所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 还包括， 第八步骤(S8)中， 使用带通滤波器保 留nat个加速度传感器测量响应中的齿轮箱典型故 障特征频率f0成分的响应Aat0， 基于响应Aat0， 重构齿轮箱箱体典型故障特征频率f0成分的全 场加速度响应， 找到测点候选集中加速度响应最大 的测点作为齿轮箱故障敏感测点， 监测 分析所述敏感测点的测点响应， 与正常条件下该测点响应做对比， 根据敏感测点响应中故 障特征频率信息是否发生明显变化， 判断齿轮箱是否发生典型故障特征频率f0对应的典型 故障。 8.根据权利要求7所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 第八步骤(S8)中， 使用带通滤波器保留所述nat个加速度传感器测量响应中的齿轮箱典型故 障特征频率f0成分的响应Aat0， 基于滤波后所得的响应Aat0， 经由所述转换矩阵TA， 重构齿轮 箱箱体典型故障特 征频率f0成分的全场加速度响应A0(t)。 9.根据权利要求8所述的基于结构加速度响应全场重构的齿轮箱故障检测方法， 其中， 第八步骤(S8)中， 对于所述齿轮箱箱体典型故障特征频率f0成分的全场加速度响应A0(t)， 找到测点候选集Φp中加速度响应最大的测点， 对应的节点号为na0_max， 其为齿轮箱故障敏 感测点d0， 监测所述故障敏感测点d0的响应 对所述故障敏感测点的响应 开展FFT分 析， 生成所述故障敏感测点响应 的频谱图， 同齿轮箱正常工作条件下该测点响应频谱图 做对比， 若所述故障敏 感测点响应 的频谱图中故障特征频率信息发生显著 变化， 则判断 齿轮箱发生典型故障特征频率f0对应的典型故障， 否则， 则判断齿轮箱未发生典型故障特 征频率f0对应的典型故障。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115391911 A 3