基于小波變換的齒輪箱故障診斷*

徐英帥，王細(xì)洋，孫 偉

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063)

基于小波變換的齒輪箱故障診斷*

徐英帥，王細(xì)洋，孫 偉

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063)

時(shí)域同步平均(Time Synchronous Averaging，TSA)信號(hào)只包含齒輪嚙合頻率信號(hào)和倍頻信號(hào)，若齒輪出現(xiàn)故障，會(huì)使TSA信號(hào)得到某種程度的調(diào)制。文章將連續(xù)小波變換應(yīng)用于齒輪箱振動(dòng)采樣的TSA信號(hào)，檢測(cè)和分析齒輪箱的輪齒缺陷，設(shè)計(jì)并制作齒輪箱故障診斷試驗(yàn)臺(tái)，通過齒輪全運(yùn)行周期嚙合試驗(yàn)，利用LABVIEW虛擬儀器采集系統(tǒng)采集振動(dòng)信號(hào)，然后利用MATLAB編寫相應(yīng)的程序，繪制出所需信號(hào)的波形圖，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行信號(hào)分析處理，以達(dá)到齒輪箱故障診斷的目的，并驗(yàn)證了小波變換對(duì)齒輪故障診斷的有效性。

故障診斷;齒輪箱振動(dòng);TSA信號(hào);連續(xù)小波變換;信號(hào)分析處理

0 引言

齒輪箱是各類機(jī)械的變速傳動(dòng)裝置，齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，直接影響整臺(tái)機(jī)器或機(jī)組的工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在齒輪箱中，齒輪本身的故障比率最大，占60%左右［1-2］，可見齒輪箱中齒輪本身的制造和裝配質(zhì)量以及運(yùn)行維護(hù)是關(guān)鍵。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械設(shè)備中最常用的傳動(dòng)方式，在航空器、大型重載機(jī)械等方面應(yīng)用廣泛，齒輪失效又是誘發(fā)其故障的重要因素。在生產(chǎn)中，由于小故障未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而釀成設(shè)備事故，造成經(jīng)濟(jì)損失的事件屢見不鮮。因此對(duì)齒輪運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和故障診斷對(duì)降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用、防止突發(fā)事故具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。齒輪的故障常在振動(dòng)狀況方面體現(xiàn)出來，因此振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)是齒輪故障診斷的主要手段，小波作為一種新的信號(hào)處理方法，是較好的時(shí)-頻域信號(hào)分析方法，在齒輪振動(dòng)信號(hào)分析中得到了廣泛的應(yīng)用。本文將連續(xù)小波變換應(yīng)用于齒輪箱振動(dòng)采樣的TSA信號(hào)，檢測(cè)和分析齒輪箱的輪齒缺陷，得到了很好的效果，證實(shí)了小波變換對(duì)齒輪故障診斷的有效性。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 齒輪故障機(jī)理

齒輪可看做是由輪齒和輪體組成的振動(dòng)系統(tǒng)。在潤滑良好且齒面摩擦度低的情況下，齒面上摩擦力的作用?？珊雎裕藭r(shí)齒輪副的振動(dòng)方程可以表示為［2-4］:

式中，m1和m2分別是齒輪副中主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的質(zhì)量，X是沿作用線上齒輪的相對(duì)位移，C是齒輪嚙合阻尼，k(t)是嚙合剛度，E1是齒輪受載后的平均靜彈性變形，E2(t)是故障函數(shù)。等式的前端代表齒輪副本身的振動(dòng)特征，后端代表激振函數(shù)。

由于激振函數(shù)中k(t)是周期性的變量，因此齒輪在無故障的理想情況下也存在振動(dòng)，這樣的振動(dòng)稱為嚙合振動(dòng)。該振動(dòng)是以每齒嚙合為基本頻率的，即嚙合頻率，其計(jì)算式可以表示為:

式中，n1、n2是齒輪副中主、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，z1、z2是主、從動(dòng)輪的齒數(shù)。一般情況下，由于k(t)不是標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)，因此嚙合振動(dòng)中還含有fm的諧波分量。激振函數(shù)中k(t)E2(t)是導(dǎo)致齒輪振動(dòng)異常的激勵(lì)源。診斷齒輪故障的任務(wù)在于檢測(cè)出由故障激勵(lì)源所造成的異常振動(dòng)的特征。一般情況下，齒輪失效之后，由于振動(dòng)信號(hào)的特征既有幅值調(diào)制又有相位調(diào)制，因此齒輪振動(dòng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型可以表示為:

其中，rk(t)和φk(t)分別是調(diào)幅信號(hào)與調(diào)相信號(hào)。對(duì)于沒有任何缺陷的齒輪，也不會(huì)有調(diào)制現(xiàn)象;當(dāng)齒輪出現(xiàn)異常時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，并且隨著缺陷的加劇，調(diào)制也會(huì)越深。

1.2 時(shí)域同步平均

時(shí)域同步平均法是齒輪故障診斷中信號(hào)預(yù)處理的一種常用方法。對(duì)指定齒輪箱旋轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，如果能保證不同時(shí)刻采集信號(hào)的起始點(diǎn)相位一致，并保證采樣頻率與采集的點(diǎn)數(shù)一樣，這樣的時(shí)域信號(hào)不但可以平均，而且還可以大大的提高指定周期信號(hào)的信噪比，并能減少或抑制不相干的振動(dòng)信號(hào)成分，進(jìn)而只提取相關(guān)的振動(dòng)信息，這種方法稱為時(shí)域同步平均(Time Synchronous Averaging，TSA)［4］。概括的講就是從齒輪振動(dòng)中取出嚙合頻率成分，并將它與齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率同步相加、平均，是從混雜有噪聲干擾的信號(hào)中提取周期性分量的有效方法。

時(shí)域同步平均展示了齒輪箱旋轉(zhuǎn)超過一轉(zhuǎn)時(shí)齒輪嚙合振動(dòng)的形式，包括一些調(diào)制的影響，同時(shí)它的頻譜還包含相關(guān)齒輪嚙合成分與邊頻帶簇。因此，時(shí)域同步平均可以表示為［5］:

式中，M是齒輪嚙合諧波頻率的階數(shù)，fm是齒輪的嚙合頻率，Ak與φk分別是k階嚙合諧波頻率的振幅與相位。相同諧波頻率調(diào)制的影響包括振幅調(diào)制與相位調(diào)制，其中1+rk(t)是振幅調(diào)制函數(shù)，φk(t)是相位調(diào)制函數(shù)，伴隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率這些調(diào)制函數(shù)是周期性的。只有當(dāng)齒輪故障的出現(xiàn)頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同步時(shí)，時(shí)域同步平均法才可以增強(qiáng)故障信號(hào)，而不起抑制信號(hào)的相反作用。齒輪的輪齒破損與齒輪軸破損都屬于這類信號(hào)，故可采用時(shí)域同步平均法。隨著平均次數(shù)的逐漸增加，齒輪旋轉(zhuǎn)頻率與嚙合頻率及其各階倍頻成分被保留，而其他軸的振動(dòng)信號(hào)和噪聲部分相互抵消趨于消失，由此便可得到僅與被檢測(cè)齒輪振動(dòng)有關(guān)的信號(hào)。

1.3 連續(xù)小波變換

由于離散小波分析具有信息遺失、對(duì)小波基函數(shù)要求嚴(yán)格等缺陷，而連續(xù)小波分析沒有這些缺陷，因此本試驗(yàn)采用連續(xù)小波變換的方法。如果ψ(T)∈L2(R)，其中ψ(t)為平方可積函數(shù)，L2(R)為R上平方可積函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)空間，ψ(t)的傅里葉變換為(ω)滿足容許性條件［6-7］:

則稱ψ(t)為母小波。將母小波ψ(t)經(jīng)過伸縮和平移，便可得到一小波序列:

式中，a，b∈R且a≠0，a為伸縮因子(尺度因子，表示與頻率相關(guān)的伸縮)，b為時(shí)間平移因子，稱ψa，b(t)為連續(xù)小波基函數(shù)。若將任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)在小波基下展開，則稱此種展開為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換(Continuous Wavelet Transform，CWT)，表達(dá)式如下［8-9］:

小波變換系數(shù)的大小實(shí)際上反映了信號(hào)局部與各小波基函數(shù)的相似程度，系數(shù)越大，表明信號(hào)局部與對(duì)應(yīng)的小波基函數(shù)越相似。選擇小波基函數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使小波基函數(shù)波形與齒輪故障信號(hào)引起的脈沖波形相似。Morlet小波符合這樣的要求，在故障診斷中也得到了廣泛采用。以下是Morlet小波函數(shù)的定義:

式中，fb是帶寬頻率，fc是小波中心頻率。Morlet小波的重要特征之一是其傅立葉變換是高斯函數(shù)。選擇合適的帶寬頻率和中心頻率，依賴于所分析的信號(hào)。

2 試驗(yàn)研究

齒輪箱故障診斷試驗(yàn)裝置為二級(jí)齒輪變速箱試驗(yàn)臺(tái)(如圖1所示)。齒輪箱由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1.75kr/min，額定功率為4.5kW，并且?guī)?dòng)同樣規(guī)格的由電動(dòng)機(jī)改裝而成的發(fā)電機(jī)作為負(fù)載。通過控制負(fù)載發(fā)電機(jī)的電流，來獲得齒輪變速箱不同的負(fù)荷狀態(tài)。由于發(fā)電機(jī)的額定功率比齒輪箱的額定功率要大，使得齒輪超負(fù)荷運(yùn)行，壽命縮短，這樣有利于對(duì)齒輪作全生命周期振動(dòng)信號(hào)的分析。試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的電流反饋給電動(dòng)機(jī)，以提高能源的利用率。

圖1 齒輪箱故障診斷試驗(yàn)臺(tái)

利用LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的采樣頻率為20kHz，每10min采樣一次，每次采樣10s，采集的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，按一定格式轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)到硬盤里。每一個(gè)數(shù)據(jù)文件含有2×105個(gè)采樣點(diǎn)。齒輪變速箱上放置加速度式振動(dòng)傳感器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、扭矩傳感器以及速度傳感器。由于齒輪徑向傳感器采集的信號(hào)對(duì)齒輪破損最為敏感，因此把它作為研究對(duì)象。本試驗(yàn)所使用的齒輪副傳動(dòng)比為1:3.333，主動(dòng)輪是齒數(shù)為21的整體齒輪軸，從動(dòng)輪齒數(shù)為70，齒輪的嚙合頻率為613Hz。

對(duì)齒輪箱進(jìn)行全生命周期破損試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)分兩個(gè)階段，共運(yùn)行約114.3h。第一階段從正常齒輪開始進(jìn)行嚙合試驗(yàn)，齒輪箱在滿負(fù)荷的條件下運(yùn)行約95h;第二階段通過改變負(fù)載發(fā)電機(jī)的電流來逐漸提高齒輪箱的負(fù)荷，以加快齒輪的破損，直到無法繼續(xù)運(yùn)行，該階段運(yùn)行約19.3h，此時(shí)齒輪狀態(tài)為從動(dòng)輪有5個(gè)輪齒完全斷裂，2個(gè)輪齒部分破裂(如圖2所示)。整個(gè)試驗(yàn)總共采集數(shù)據(jù)文件340個(gè)，其中有效文件323個(gè)。

圖2 齒輪輪齒破損情況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從加速傳感器獲得的信號(hào)被以一定的時(shí)間間隔重復(fù)采樣，相當(dāng)于齒輪的相位是不變的。在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，每發(fā)生一次嚙合就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。在振動(dòng)信號(hào)的獲得與數(shù)據(jù)處理的過程中，排除由齒輪速度波動(dòng)引起的故障，以及在每個(gè)周期內(nèi)提供數(shù)據(jù)大小相同的樣本是十分必要的。對(duì)重復(fù)采樣的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域同步平均獲得信號(hào)f(t)，并對(duì)信號(hào)f(t)進(jìn)行連續(xù)小波變換，然后利用Matlab高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言編寫相應(yīng)的程序，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析處理，繪制出所需信號(hào)的波形圖，通過圖像分析與對(duì)比便可得出故障信息，以達(dá)到齒輪箱故障診斷的目的。

數(shù)據(jù)文件000是所采集的第一個(gè)數(shù)據(jù)文件，此時(shí)的齒輪處于正常狀態(tài)，圖3a和b是其原始信號(hào)和頻譜圖。設(shè)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為v，采樣頻率為f，每轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)為n，則有:

圖3 數(shù)據(jù)文件000的振動(dòng)信號(hào)

現(xiàn)將每個(gè)文件中的數(shù)據(jù)以2285個(gè)點(diǎn)為一段截取，再將每段對(duì)應(yīng)點(diǎn)同步相加最后平均，便可得到時(shí)域同步平均信號(hào)，即TSA信號(hào)，圖3c和d是數(shù)據(jù)文件000的TSA信號(hào)和頻譜圖。在利用連續(xù)小波變換進(jìn)行分析時(shí)，分析頻帶選為100～3000Hz，此時(shí)可以包括所有重要嚙合諧波(1st諧波fm=613Hz，2st諧波2fm=1226Hz，3st諧波3fm=1839Hz)。中心頻率和帶寬參數(shù)通過連續(xù)小波變換分析實(shí)驗(yàn)分別確定為1和0.5Hz。用連續(xù)小波變換得到的圖都是時(shí)間尺度上的，通過關(guān)系式f=f0/a將尺度與頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將時(shí)間轉(zhuǎn)換成齒輪的旋轉(zhuǎn)角度，這樣連續(xù)小波變換的結(jié)果將以旋轉(zhuǎn)角度-頻率圖的形式給出，圖3e和f是數(shù)據(jù)文件000的TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖和相位圖。

圖3a為齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，由于存在噪聲與干擾信號(hào)，因此波形不是很光滑，存在波動(dòng)，而且周期性信號(hào)不是很清晰。原始信號(hào)經(jīng)時(shí)域同步平均得到如圖3c所示信號(hào)，與原信號(hào)相比，新信號(hào)波形得到了很大改善。從TSA信號(hào)圖中可以明顯的看到70個(gè)波峰和70個(gè)波谷對(duì)應(yīng)70次的嚙合，與圖3a相比該波形光滑，說明經(jīng)時(shí)域同步平均后，信號(hào)中強(qiáng)烈的干擾已基本被排除。再觀察圖3d中TSA信號(hào)的頻譜，可以看到主要頻率分量fm=613Hz，即嚙合頻率，同時(shí)也存在2階頻2fm=1226Hz，及3階頻3fm=1839Hz，與圖3b相比可看出高頻噪聲已基本消除。TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖相當(dāng)于對(duì)齒輪旋轉(zhuǎn)一整轉(zhuǎn)的信號(hào)進(jìn)行分析，圖中三條虛線分別對(duì)應(yīng)齒輪嚙合頻率以及2次、3次諧波。從圖3e可以清楚的看到振動(dòng)信號(hào)大多數(shù)的能量集中在齒輪嚙合頻率fm=613Hz的位置，也可以看到在嚙合頻率處的能量會(huì)有細(xì)小的波動(dòng)，這些小的波動(dòng)是正常的，是由于實(shí)際的齒輪并不完滿，齒輪本身還存在一些小的瑕疵，以及所分析的是實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)等原因引起的。TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換相位圖中也有一些小的波動(dòng)，這些波動(dòng)也是正常的。需要注意的是相位比幅值更加敏感，觀察圖3f可以看到在頻率低于300Hz的時(shí)候圖像就不是很清晰，這種現(xiàn)象是預(yù)計(jì)當(dāng)中的，是由許多原因引起的，例如齒輪的不圓度對(duì)信號(hào)的影響等等。

選取數(shù)據(jù)文件292，此時(shí)的齒輪處于過度破損狀態(tài)，圖4a和b是其原始信號(hào)和頻譜圖，圖4c和d是其TSA信號(hào)和頻譜圖，圖4e和f是其TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖和相位圖。

圖4a為齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，存在很強(qiáng)的背景噪聲，難以看到周期的沖擊信號(hào)。圖4b原始信號(hào)的頻譜中很難看出振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率，因此難以確定故障情形。從圖4c中可以明顯的看到70個(gè)波峰和70個(gè)波谷對(duì)應(yīng)70次嚙合，但波形不是很光滑，有明顯的破損現(xiàn)象;而且在旋轉(zhuǎn)角度270度附近可以看到振幅相對(duì)增大。再觀察圖4d中TSA信號(hào)的頻譜，可以看到主要頻率分量 fm=613Hz，即嚙合頻率，同時(shí)也存在 2階頻 2fm=1226Hz，及3階頻3fm=1839Hz，高頻噪聲已基本消除。但可以看到2階、3階頻率的幅度有一定的增加。很明顯，齒輪破損后，嚙合頻率以及各次諧波振動(dòng)分量的幅值都會(huì)有所上升。由于其信號(hào)的幅值增加的不是很明顯，因此基波成分幅值增長較慢，而使信號(hào)逐漸趨近于方波形式，導(dǎo)致各次諧波分量幅值增長比基波要快的多。從圖4e中可以發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)角度270度附近的嚙合頻率處能量有一定的波動(dòng)，這表明該位置的輪齒已經(jīng)出現(xiàn)磨損或破損現(xiàn)象。圖4f與正常齒輪TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換相位圖相比有一定的不規(guī)則性，但此時(shí)還很難判斷齒輪的故障信息。

圖4 數(shù)據(jù)文件292的振動(dòng)信號(hào)

選取數(shù)據(jù)文件298，此時(shí)的齒輪處于斷裂狀態(tài)，齒輪狀態(tài)為從動(dòng)輪有1個(gè)輪齒已部分?jǐn)嗔选D5a和b是其原始信號(hào)和頻譜圖，圖5c和d是其TSA信號(hào)和頻譜圖，圖5e和f是其TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖和相位圖。

圖5 數(shù)據(jù)文件298的振動(dòng)信號(hào)

圖6 數(shù)據(jù)文件339的振動(dòng)信號(hào)

由于此時(shí)的齒輪已經(jīng)發(fā)生斷裂現(xiàn)象，存在很強(qiáng)的噪聲與干擾信號(hào)，圖5a齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形產(chǎn)生嚴(yán)重的波動(dòng)，圖5b原始信號(hào)的頻譜在高頻區(qū)的波動(dòng)也明顯加大。從圖5c TSA信號(hào)中可以看到在旋轉(zhuǎn)角度270度附近振動(dòng)幅值有一個(gè)明顯的增長，說明在這個(gè)位置齒輪的輪齒已經(jīng)發(fā)生破裂。觀察圖5d中TSA信號(hào)的頻譜，可以看到主要頻率分量即嚙合頻率、以及2階、3階頻率的幅度有明顯的增加，說明由于齒輪輪齒破裂引起齒輪箱振動(dòng)加強(qiáng)。在圖5e中可以發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)的齒輪在旋轉(zhuǎn)角度270度附近的嚙合頻率處能量有很大的波動(dòng)，能量突增突減，這表明該位置的輪齒已經(jīng)出現(xiàn)斷裂。在兩個(gè)齒輪嚙合的過程中，齒輪之間存在碰撞，由于兩個(gè)齒輪的輪齒是相同的，因此碰撞的力也是相同的，在齒輪存在斷裂的情況，斷裂的輪齒嚙合時(shí)影響不是很明顯，因?yàn)檩嘄X更加靈活，但當(dāng)斷裂的輪齒嚙合后正常輪齒進(jìn)入嚙合區(qū)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，從而引起幅值的波動(dòng)。從TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖中能清晰的看到齒輪斷裂的現(xiàn)象，但從圖5f TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換相位圖中卻很難判斷齒輪的輪齒已經(jīng)發(fā)生斷裂。

數(shù)據(jù)文件339是所采集的最后一個(gè)數(shù)據(jù)文件，此時(shí)的齒輪處于嚴(yán)重故障狀態(tài)，齒輪狀態(tài)為從動(dòng)輪有5個(gè)輪齒完全斷裂，2個(gè)輪齒部分破裂。圖6a和b是其原始信號(hào)和頻譜圖，圖6c和d是其TSA信號(hào)和頻譜圖，圖6e和f是其TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖和相位圖。

圖6a為齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形，信號(hào)在特征頻率或其它某個(gè)頻率處的能量明顯增加，這是由于齒輪的磨損、點(diǎn)蝕、變形、破裂等因素的影響，使得齒隙增大，重合系數(shù)減小，輪齒變薄，剛度下降，齒廓變形，所有這些因素都會(huì)使齒輪在運(yùn)行中振動(dòng)的幅值增加，振動(dòng)信號(hào)的能量增加。但很難直接從信號(hào)的時(shí)域波形辨別信號(hào)所代表的齒輪運(yùn)行狀態(tài)。在圖6b原始信號(hào)的頻譜中存在許多被旋轉(zhuǎn)頻率和噪聲信號(hào)調(diào)制的邊頻帶，各種頻率的頻譜相互重疊，使頻譜圖變得紊亂，有用的故障信號(hào)完全被淹沒，很難識(shí)別故障對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的影響。從圖6c TSA信號(hào)的波形圖中，可以在旋轉(zhuǎn)角度270度附近看到明顯的脈沖現(xiàn)象，而且振動(dòng)加強(qiáng)，信號(hào)的幅值明顯增加。圖6d的頻譜中可以看到在嚙合頻率613Hz，以及2階、3階頻率附近有明顯的邊頻帶，而且較之?dāng)?shù)據(jù)文件298的頻譜，可以發(fā)現(xiàn)邊頻帶數(shù)量多，幅值大，分布寬。在圖6e中，可以看到在旋轉(zhuǎn)角度270度和315度附近能量波動(dòng)很大，這表明此處已經(jīng)有幾個(gè)輪齒斷裂，這時(shí)齒輪已經(jīng)有5個(gè)完全斷齒，2個(gè)局部斷齒。圖6f TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換相位圖與圖3f正常齒輪相比是不規(guī)則的，在水平軸接近于270度的位置有一個(gè)類似于分叉的過渡，這個(gè)信號(hào)頻率是細(xì)長的，比1倍的齒輪嚙合頻率要高，比1.5倍的齒輪嚙合頻率要低，這個(gè)過渡是齒輪輪齒斷裂的象征，但不是很明顯。

4 結(jié)束語

(1)時(shí)域同步平均可以有效的提取與齒輪振動(dòng)信號(hào)直接相關(guān)的周期信號(hào)，消除噪聲和非相關(guān)的干擾，提高了分析的信噪比，利用連續(xù)小波變換的方法對(duì)TSA信號(hào)進(jìn)行分析是一種很有用的信號(hào)分析和預(yù)處理方法。

(2)信號(hào)的頻譜分析能有效觀察齒輪振動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，及齒輪出現(xiàn)故障時(shí)反應(yīng)在頻譜上的多個(gè)邊頻帶。但對(duì)于具體邊頻帶特征卻難以識(shí)別，使得對(duì)齒輪故障難以診斷，利用連續(xù)小波變換對(duì)TSA信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析便可達(dá)到齒輪箱故障診斷的目的。

(3)通過TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換幅值圖和相位圖對(duì)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的小波變換幅值圖能較早的揭示故障信息，而且更加清晰。

(4)通過試驗(yàn)與分析可以發(fā)現(xiàn)，TSA信號(hào)的連續(xù)小波變換方法對(duì)于檢測(cè)磨破損、有細(xì)小裂紋、以及斷裂的齒輪狀態(tài)非常有效。

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Fault Diagnosis for Gearbox Based on Wavelet Transform

XU Ying-shuai，WANG Xi-yang，SUN Wei
(School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

The Time Synchronous Averaging(TSA)signal where the only constituent frequencies signal are the gear meshing frequency signal and harmonics signal.If the gear faulted，the TSA signal will have modulations.This paper applied continuous wavelet transform to the TSA signal of gearbox vibration，to test and analyse the teeth defect of gearbox.A gearbox fault diagnosis test-bed was made，and a data acquisition system was designed on the basis of LABVIEW to collect vibration signals during meshing experiment of the whole gear life cycle.Then drawing out the corresponding signal waveform by MATLAB program，and making signal analysis and processing，in order to achieve the gearbox fault diagnosis and verify the effectiveness of gear fault diagnosis.

fault diagnosis;gearbox vibration;TSA signal;continuous wavelet transform;signal analysis and processing

TH132;TP206;TP274

A

1001-2265(2012)02-0066-06

2011-06-29

航空科學(xué)基金(2010ZD56011);人事部留學(xué)人員科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目(DB200903036);南昌航空大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(EB200906296)

徐英帥(1984—)，男，哈爾濱人，南昌航空大學(xué)碩士研究生，主要從事機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、振動(dòng)信號(hào)處理等方面的研究，(E-mail)xuyingshuai@126.com。

(編輯 李秀敏)