一种基于双谱的齿轮故障诊断方法

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1、第，2卷第4葫一种基于双谱的齿轮故障诊断方法文章编号：1004—2539(20嘴)04一∞67—02一种基于双谱的齿轮故障诊断方法(丽水职业技术学院机电信息分院，浙江丽水323000)吴小明(浙江工业大学机电工程学院，浙江杭州311000)朱凌宏摘要提出了一种基于高阶谱(双谱)的齿轮故障诊断方法。该方法首先对非线性特征的齿轮振动信号进行提取。利用双谱对Gau硒信号的‘盲’性消除Gauss背景噪声，随后借助双谱的数值估计算法获得特征信号的双谱幅频图。由于高阶谱具备了高阶统计量的优点，因此在齿轮故障过程中可以将双

2、谱幅频图作为实现齿轮故障早期诊断的量化指标。关键词双谱齿轮故障诊断幅频图引言齿轮传动是机械设备中最常用的传动方式，一旦齿轮发生了故障而未及时发现，轻刑破坏机械设备，重则伤及人生安全。因此建立起对齿轮及时有效的故障诊断技术体系在工程实际中具有重要的意义【l-2J。然而在实际运行过程中，齿轮传动系统的噪声大，信噪比低，很难准确的辨别出蔚期的齿轮故障旧‘4J。针对齿轮振动特征信号的特点，本文引入了高阶统计量的概念，高阶统计量是描述随机过程高阶统计特征的一种数学工具，由于齿轮处于不同的工作状态下，其高阶统计特征会出现

3、不同程度的变化修J，加之高阶统计量对信号的高灵敏性，因此借助高阶统计量实现对齿轮故障诊断是可行的。本文选用高阶统计量——双谱的幅频图作为实现齿轮故障早期诊断的量化指标。1齿轮失效形式及其信号特征齿轮传动的失效形式主要有轮齿折断与齿面损伤两大类。齿面损伤又可分为齿面接触疲劳磨损、胶合、磨粒磨损以及齿面裂纹等。齿轮处于正常工作状态下，其特征信号表现为一定的有序性，而一旦齿轮出现故障后它的信号特征次序被打乱，特征信号的能量分布将发生较大变化，这一点在高阶谱幅频图上反映尤为明显。产生这些变化的原因是多方面的，对于轮齿

4、折断，其特征信号的幅频特性则表现为能量在某一频带内的突然衰竭或消失，而对于齿面损伤来说其特征信号则表现出调制现象，即在故障点处齿轮刚度有一阶跃，相当于齿轮的振动信号受到一个窄脉冲的幅值调制。2双谱及其估计算法特征信号的自谱(自功率谱密度)定义为自相关函数的付氏变换，而高阶谱则定义为高阶累积量的付氏变换，高阶谱又称多谱，其中最常用的是三阶谱即双谱。双谱是所有高阶谱中阶数最低、计算量最少、计量效率最高且最为简单的一种谱．在实际过程中应用也最为广泛。双谱是具有两个自变量叫；，∞，的函数，对于确定性离散信号戈(n)，

5、双谱有以下的估计算法B3，((c，i，∞f)=X(叫i)X(∞f)X‘(c￡，f+叫i)(1)其中，8弦(然，哟)为双谱，石(皱)为石(n)的肿变换，+表示共轭转鼍。3试验分析对某一闭式二级减速器(i总=28)进行试验分析，分析频带20Hz．2眦，谱线数400线，采样频率8kHz，采样点数Ⅳf／以lo∞点。试验过程如图l。图2、图3所示为由压电式加速度传感器BQW(100nlv／g)所拾取的齿轮振动特征信号，横坐标为时间历程，纵坐标为电压值。图I试验过程图4、图6所示分别为齿轮正常工作与出现故障时特征信号的双

6、谱幅频图，水平坐标为采样点数M／M(i，f=o，1，2，⋯，1023)，纵坐标为双谱幅频值(93／渤)，图5、图7分别为其等高线图。齿轮处于正常工作状态下，各个齿的啮合是均匀进行的，此时的特征信号主要表现为配对齿轮的啮合机械传动2008年信号，如图2、图4所示。随着工作状况的恶化，齿轮发生了失效，从图6上分析，失效形式属于第二大类齿轮损伤，根据齿面损伤形式的特征信号幅频特征可以．判定齿轮表面出了齿面裂纹。裂纹的出现，将导致轮、齿刚性下降，应力集中加剧，变形量加大，裂纹齿在啮合时会引起基节的瞬间变化与轮齿动载荷

7、的增加。由图4、图6可得，齿轮处于正常工作状态下能量主要分布在(20—750)Hz的频带内，出现故障后能量分布发生了变化，主要分布在(20一l450)Hz的频带内。由此图6故障特征信号双谱幅频图可得，齿轮出现故障时特征信号的双谱特性则表现出能量在各频带内分布的变化。时间，s图2正常工作状态特征信号时间，s图3故障特征信号图4正常工作状态下特征信号双谱幅频图图5等高线图4结论图7等高线图由于所拾取的齿轮振动特征信号中混有了背景噪声，因此在时域内很难辨别出故障特征信号。高阶谱不仅具备了高阶统计量的优点，而且对特征

8、信号具有极高的灵敏性，因此利用双谱对Gauss信号的‘盲’性消除‰ss背景噪声，借助双谱数值估计算法获得的幅频图作为实现对齿轮早期的故障诊断量化指标的方法是可行的，这也为齿轮早期故障诊断的快速实现提供了一条新思路。参考文献[1]康海英，栾军英．基于时域平均的齿轮故障诊断[J]．工军械工程学院学报，2006(1)：34—36．[2]金海薇，郑海起．一种基于传递莳敦的齿轮故障诊断方法[J]．煤矿机械，2