基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法

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1、基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法*陈向民，于德介，李蓉(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082)摘要：针对变速齿轮箱中复合故障的故障特征提取，提出了一种基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法。变速齿轮箱屮的转速具有时变的特性，而故障特征往往与转速相关，亦具有时变特性。本文方法先用线调频小波路径追踪算法从原始振动信号中提収转频曲线,再根据转频曲线对原始振动信号进行等角度重采样，将时域非平稳信号转化为角域周期平稳信号,最后对角域周期平稳信号进行能量算子解调分析，根据阶次解调

2、谱屮的调制信息进行变速齿轮箱复合故障诊断。通过算法仿真和应用实例对包含齿轮局部故障和轴承局部故障的变速齿轮箱复合故障进行了分析，结果表明，本文方法在无转速计的悄况下能有效地提取变速齿轮箱复合故障的故障特征。关键词：线调频小波；阶次跟踪；能最算子解调；变速齿轮箱；复合故障中图分类号：TH113.1,TH165.3文献标识码：A文章编号：引言变速齿轮箱是机械系统中的重耍部件，因其工作环境恶劣，且常处于变载荷下运行，容易因疲劳磨损而发牛局部故障。在实际主产屮，故障往往不是单独出现的，某些故障常常会诱发其他故障的发

3、生山，因此，对变速齿轮箱的复合故障进行研究具有重要的实际意义。近年來，许多学者致力于机械系统中复合故障的研究，取得了较好的效果。常川的复合故障诊断方法主要有：基于小波的复合故障诊断方法⑴叭基于EMD的复介故障诊断方法⑷、基于肓信号处理的复合故障诊断方法［5®、基丁•形态分析的复合故障诊断方法⑺叭基于模式识別的复合故障诊断方法〔9」】等。上述方法主要是针对平稳振动信号，即恒定转速下的复合故障诊断，但在工程实际屮，受工况、载荷变化“厶⑷等影响，齿轮箱的转速为一时变量，而故障特征往往与转速相关，亦为一吋变量，因而

4、,需要预先対振动信号进行平稳化处理。工程实际屮常采川阶比跟踪方法【"①来实现信号的平稳化，其基木思想是将时域非平稳振动信号进行等介度重采样转化为介域平稳振动信号。常用的阶比跟踪方法有硕件阶比跟踪法、计算阶比跟踪法［37］、基于瞬时频率估计的阶比跟踪法［冈等。•其屮，基于瞬时频率佔计的阶比跟踪法因无需安装角度编码盘、转速计等硬件，近年来得到了广泛的关注。而在基于瞬时频率估计的阶比跟踪法中，其核心问题是如何从原始振动信号中准确地提取出转速信号。EMMANUE等［⑼近年提出了线调频小波路径追踪算法，该算法通过对线

5、调频小波图屮的线调频小波原了进行连接，自适应的获得频率呈曲线变化的信号分量。由于该方法具冇精度高、抗噪能力强等优点，能自适应地从振动信号中提取出转频信息。近年被引入机械故障诊断L20'21Jo针对变速齿轮箱复合故障的诊断问题，本文结合线调频小波路径追踪算法、阶次跟踪和能量算子解调［22】，捉岀了基于阶次解调谱的变速齿轮箱复合故障诊断方法。该方法先采用线调频小波路径追踪算法自适应地从变速齿轮箱原始振动信号中提取转速信号；然后利用该转速信号对原始振动信号进行等角度重采样，将时域非平稳信号转化为角域周期平稳信号；

6、最后对角域周期平稳信号进行能量算子解调分析，根据阶次解调谱进行变速齿伦箱复合故障诊断。算法仿真和应用实例表明，木文方法能冇效地提取出变速齿轮箱屮复合故障的故障特征。线调频小波路径追踪算法采用的多尺度线调频基元函数库如下{—/)}={K讥』cxp［-i(3+方/)］1应)}(1)式中为基元函数库；hif九/⑴一为多尺度线调频基元函数；I—为动态分析时间段，/=［处旷〜伙+1)N2V；k—动态时间段序号，N—为分析信号的采样长度，丿一为分析尺度系数，j=0,1,...,log2(N-l)；Kap%,I—为归一化

7、系数，使得

8、如如

9、

10、=1；afl—为频率偏置系数；收稿日期：2012-07-19修订日期：(日期待编辑部填写)基金项目：湖南省科技计划资助(2012SK3184)、广东省省部产学研结合项目(2009B090300312)和高等学校博士学科点专项科研基金(20090161110006)bu一为调频率;根据采样定理+2bt应小于£/2；1/⑴一为矩形窗函数，当虫口寸为1,当t^I时为0。式(1)定义的多尺度线性调频基函数在动态分析时间段内的瞬时频率为通过多尺度线性调频基函数对信号进行逐段投影分析，计算获得每个时

11、间分析段/内的最大投彩系数和对应的线调频基元函数，该基元函数即为在时间分析段/屮与分析信号最为相似的频率成分。线调频基函数的多尺度特性使得它具有动态匹配分析信号的特性，血基函数中包含的调频率信息则使得其适合分析频率呈illi线变化的非平稳信号。当信号与多尺度线性调频基函数越相似时，其投影系数也越大，基元函数的能量也越大，因此要找到一种动态分析时间段连接方法，在该连接方法下整个分析时间内连接的所有基元函数的总能量最