基于声振联合频谱特征的球磨机传动部件故障预测方法与流程

本发明涉及球磨机传动部件故障预测，具体的说是基于声振联合频谱特征的球磨机传动部件故障预测方法。

背景技术：

1、现有技术中，球磨机传动系统长期处于重载、低速、冲击及粉尘等复杂工况，齿轮、传动轴、轴承等部件在磨损、偏心、裂纹或松动等状态下，往往会引起啮合频率及其边频结构变化，并通过结构振动和空气声辐射表现出来。现有故障诊断通常以单一振动信号、声信号或者多源信号的统计特征、时频特征为依据，再结合分类模型输出故障类别。例如，专利公开文件cn117556344a公开了一种基于多源信息融合的球磨机传动系统故障诊断方法与系统，采集齿轮箱振动数据、球磨机噪声数据和电机电流数据，经分频段特征提取、特征融合及特征选择后进行故障诊断；该方案能够利用多模态信息提高故障识别能力，但其处理重点仍在于多源特征融合及分类判别，并未针对同一机械调制作用下声频谱与振动频谱中的对应边频建立基于啮合中心频率、轴转频及频率间隔关系的联合判定机制。

2、又如，专利公开文件cn112729817a公开了一种基于多源数据融合的齿轮箱故障诊断方法、系统及试验台，通过获取振动、噪声、温度、位移及油液等多源数据并进行融合诊断，以提高故障定位和复合故障诊断能力。该类方案虽然能够增加信息来源，但多源数据之间主要体现为特征层或决策层的互补关系，对声信号和振动信号中由同一啮合调制产生的频率结构缺少直接的物理关联约束。当球磨机传动部件处于故障早期时，局部缺陷产生的调制能量较弱，边频可能仅在一种频谱或啮合中心频率的一侧间歇出现，易与随机冲击、背景噪声或工况波动形成的谱峰混淆，因而仅依据幅值、统计量或单时段频谱特征，难以稳定区分真实故障演化与瞬态干扰。

3、此外，球磨机运行过程中转速及负载存在波动，啮合中心频率和边频位置会随工况变化发生迁移。现有方法若缺少对边频与轴转频之间频率间隔关系的连续跟踪，容易因频率漂移造成特征失配；同时，若未利用声频谱与振动频谱对同一机械调制的共同响应，也难以在故障征兆较弱时对传动部件进行可靠对应。因而，现有技术仍需要一种能够同步利用声、振两类频谱信息，以啮合中心频率及轴转频为机械约束，对两侧候选边频进行对应确认，并通过连续采样时段内联合边带由单侧出现向双侧持续出现的变化来识别故障发展过程，从而实现传动部件的提前预测和针对性定位的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于声振联合频谱特征的球磨机传动部件故障预测方法，从而解决背景技术中所指出的部分弊端和不足。

2、本发明解决其上述的技术问题所采用以下的技术方案：

3、同步采集球磨机传动部件运行时的声信号和振动信号，获得声频谱和振动频谱，根据传动比、齿数及各轴转速计算啮合中心频率和各轴转频；

4、分别从所述声频谱和振动频谱中提取位于同一啮合中心频率两侧的候选边频，计算候选边频与所述啮合中心频率的频率间隔，将分处所述啮合中心频率两侧、各频率间隔与同一轴转频的绝对差值位于预设频差范围内且两个频率间隔的绝对差值位于所述预设频差范围内的声频谱候选边频和振动频谱候选边频确定为同一机械调制形成的联合边带；

5、在连续采样时段内跟踪所述联合边带，当所述联合边带由一个侧频位置出现转变为两个侧频位置在预设数量的连续采样时段内均出现时，根据形成所述联合边带的啮合中心频率和轴转频确定传动部件，并输出所述传动部件的故障预测结果。

6、进一步地，在轴转速发生变化的连续采样时段中跟踪所述候选边频；当所述啮合中心频率随轴转速产生频率偏移时，保留频率偏移方向与所述啮合中心频率的频率偏移方向相同、且频率间隔变化量与所述轴转频变化量的绝对差值位于所述预设频差范围内的候选边频，并由保留的候选边频形成所述联合边带。

7、进一步地，按照连续采样时段跟踪所述候选边频在声频谱和振动频谱中的出现次序；当所述候选边频与啮合中心频率的频率间隔和同一轴转频的绝对差值位于所述预设频差范围内，且候选边频先在一种频谱中于预设数量的连续采样时段内出现，并在另一种频谱中的频率位置出现，所述频率位置与啮合中心频率的频率间隔和先出现候选边频的频率间隔之间的绝对差值位于所述预设频差范围内时，将两种频谱中的所述出现过程确定为接续显现，并将所述接续显现作为故障发展征兆。

8、进一步地，针对同一传动轴参与的两级齿轮啮合，分别确定第一啮合中心频率和第二啮合中心频率；当所述第一啮合中心频率和第二啮合中心频率处形成联合边带，两处联合边带的频率间隔与同一轴转频的绝对差值分别位于所述预设频差范围内，且两处频率间隔的绝对差值位于所述预设频差范围内时，将所述传动轴及与两级齿轮啮合关联的传动部件确定为故障预测对象。

9、进一步地，当所述候选边频在另一种频谱中发生接续显现时，比较接续显现前后所述候选边频相对于啮合中心频率的频率间隔变化量与轴转频变化量；当两个变化量的绝对差值位于所述预设频差范围内时，将所述接续显现确定为故障发展征兆。

10、进一步地，在所述候选边频完成接续显现后，继续跟踪两种频谱中候选边频在后续连续采样时段中的幅值和频率位置；当先出现候选边频的频谱中边频幅值下降量达到预设幅值变化阈值，另一种频谱中的候选边频在预设数量的连续采样时段内均出现，且两者频率间隔的绝对差值位于所述预设频差范围内时，将所述变化过程确定为跨频谱响应迁移，并作为故障发展征兆。

11、进一步地，当所述候选边频在声频谱和振动频谱之间发生接续显现时，记录两种频谱中候选边频首次在预设数量的连续采样时段内均出现时的起始时段；在预设数量的连续采样周期内，当所述起始时段的先后关系均相同时，利用所述先后关系区分传动部件局部故障产生的连续机械响应与随机冲击形成的瞬态频谱响应。

12、进一步地，在所述传动轴转速发生变化时，跟踪第一啮合中心频率和第二啮合中心频率处联合边带的频率迁移及频率间隔变化；当两处频率间隔变化量与同一轴转频变化量的绝对差值分别位于所述预设频差范围内，且两处频率间隔的绝对差值位于所述预设频差范围内时，将所述频率迁移确定为传动轴产生周期性扰动并作用于两级齿轮啮合的故障征兆。

13、进一步地，按照连续采样时段记录所述联合边带在第一啮合中心频率和第二啮合中心频率处的形成时间；当频率间隔先在其中一处啮合中心频率处于预设数量的连续采样时段内出现，后在另一处啮合中心频率处于预设数量的连续采样时段内出现，两处频率间隔与同一轴转频的绝对差值分别位于所述预设频差范围内，且两处频率间隔的绝对差值位于所述预设频差范围内时，根据所述形成时间的先后关系确定传动轴关联传动部件的故障传播方向，并将所述形成过程作为故障沿传动路径扩展的预测依据。

14、进一步地，记录所述联合边带在第一啮合中心频率和第二啮合中心频率处形成的时间差，并根据传动轴的轴转频将所述时间差换算为转动周期数；计算相邻连续采样时段内转动周期数的差值，当所述差值位于预设周期数差值范围内时，将所述转动周期数确定为故障传播方向在连续采样时段内保持的判定依据。

15、本发明通过同步采集球磨机传动部件运行时的声信号和振动信号，分别获得声频谱和振动频谱，并依据传动比、齿数及各轴转速计算啮合中心频率和各轴转频，使频谱分析结果与传动系统的实际运动学关系建立对应。进一步从两类频谱中提取位于同一啮合中心频率两侧的候选边频，并利用候选边频与啮合中心频率的频率间隔、轴转频及两侧频率间隔之间的差值关系进行联合筛选，可将由同一机械调制形成的频谱响应关联为联合边带，降低随机谱峰、环境噪声及单一信号异常对故障判断的干扰，提高故障特征识别的可靠性。

16、本发明在连续采样时段内对所述联合边带进行跟踪，并将联合边带由一个侧频位置出现转变为两个侧频位置在预设数量的连续采样时段内均出现作为故障发展判据，相较于仅依据单时段幅值或单一频谱特征进行诊断，能够利用边带结构的持续演化表征传动部件故障由弱到强的发展过程，有利于在明显失效发生前形成预测结果。通过形成联合边带的啮合中心频率和轴转频确定对应传动部件，还能够增强故障预测结果与具体传动部件之间的对应性，为球磨机传动系统的状态维护提供依据。