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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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。先用线调频小波路径追踪算法从原始振动信号中提取转频曲线，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，根据阶次解调谱中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，该方法在无转速计的情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： 故障诊断； 变速齿轮箱； 线调频小波； 阶次跟踪； 能量算子解调
中图分类号： TH165+.3； TH113.1文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）06095109
引言
变速齿轮箱是机械系统中的重要部件，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生局部故障。在实际生产中，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生[1]，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。
近年来，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。常用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、基于EMD的复合故障诊断方法、基于盲信号处理的复合故障诊断方法、基于形态分析的复合故障诊断方法、基于模式识别的复合故障诊断方法等[1～11]。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，但在工程实际中，受工况、载荷变化等影响[12，13]，齿轮箱的转速为一时变量，而故障特征往往与转速相关，亦为一时变量，因而，需要预先对振动信号进行平稳化处理。
工程实际中常采用阶比跟踪方法来实现信号的平稳化[14，15]，其基本思想是将时域非平稳振动信号进行等角度重采样转化为角域平稳振动信号。常用的阶比跟踪方法有硬件阶比跟踪法、计算阶比跟踪法、基于瞬时频率估计的阶比跟踪法等[16～18]。其中，基于瞬时频率估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等近年提出了线调频小波路径追踪算法[19]，该算法通过对线调频小波图中的线调频小波原子进行连接，自适应的获得频率呈曲线变化的信号分量。由于该方法具有精度高、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[20，21]。
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]，提出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；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轮箱复合故障诊断。算法仿真和应用实例表明，本文方法能有效地提取出变速齿轮箱中复合故障的故障特征。
6结论
（1）算法仿真和应用实例表明，线调频小波路径追踪算法可直接从原始振动信号中提取出转速信息，具有精度高的优点。
（2）齿轮出现断齿、裂纹局部故障时振动信号中往往出现转频调制现象，而轴承出现内圈、外圈局部故障时其振动信号则会被轴承内圈或外圈的通过频率调制，因而，可根据调制频率的不同，实现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诊断。
（3）通过算法仿真和应用实例对包含齿轮局部故障与轴承局部故障的变速齿轮箱复合故障进行分析，结果表明，本文方法在无转速计的情况下，能有效地提取变速齿轮箱中复合故障的故障特征。
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