循环平稳在齿轮箱故障诊断中的应用范文

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摘要：

传统的基于振动分析的齿轮箱故障诊断是建立在振动响应信号平稳性的假设下进行的，这种处理方法不能有效地识别信号中包含故障信息的时变统计量。齿轮箱在振动响应信号具有较为显著的非平稳性，可以视为循环平稳信号。文章在对循环平稳信号进行理论研究的基础上，进一步研究了应用循环平稳分析对齿轮箱进行故障诊断的方法，并通过实验验证了方法的有效性。

关键词：

循环平稳；齿轮箱；故障诊断

传统的齿轮箱故障诊断使用的响应分析法是在振动响应信号为平稳信号的假设前提下实现的，由于振动响应信号（尤其是故障情况下）的非平稳特性，该方法不具备对振动信号中的时变成分的识别能力。齿轮箱的齿轮或轴承发生故障时，箱体上的振动响应信号具有循环平稳性。应用循环平稳分析方法可以有效提取故障信息，为故障定位提供可靠依据。

1循环平稳分析原理

循环平稳信号是指从一阶到某高阶统计特性都具有时变周期性的信号。循环平稳信号可以说是对非平稳信号的一种合理简化，其高阶统计特性的周期性体现了信号的循环平稳特性。对于具有循环平稳特性的非平稳信号，循环平稳分析利用循环平稳信号的高阶统计特性的周期性特点，使得对非平稳信号的处理得到了简化，在数学运算上也更加简捷。更重要的是，循环平稳分析能够更准确地提取出信号的特征信息。谱相关密度函数Sx琢(f)表示中心频率为f频移为琢的谱成份之间的相关程度。显然，循环谱密度的这种特性，使得我们可以方便地将循环平稳信号提取出来。需要注意的是，在实际工作中寻找循环频率时，需要根据经验和分析，在某个频段范围内通过搜索运算来确定。

2齿轮箱振动信号的循环平稳分析实例

齿轮箱的振动响应信号中含有各个旋转部件振动产生的周期成分以及一些随机信号成分，其统计特性具有明显的非平稳性。传统的齿轮箱故障诊断实用的相应分析法，由于其前提是假设振动响应信号是平稳的，对振动响应信号的时变统计特性不具备识别能力。

齿轮箱这类旋转机械的振动响应信号的非平稳特性，具备构成循环平稳特性的特点。齿轮或者轴承转动产生的周期性振动相互叠加在一起，通过箱体传递构成振动响应信号。当某个齿轮的一个齿或者某个轴承的某个滚珠发生较为显著的磨损时，就会表现为信号的调制现象，这种调制就表现为振动响应信号的循环平稳特性。因此，应用循环平稳分析可以有效地将表征故障的频率成分分离出来，实验所用的单级传动的齿轮箱输入轴齿轮齿数为28，输出轴齿轮齿数为36，实测电机转速为1473r/min，输入轴回转频率为24.55Hz，输出轴回转频率为19.11Hz，齿轮啮合频率为688Hz。将输出轴上的齿轮的一个齿面轻微磨损，装配好后采集运行中的齿轮箱箱体表面的振动信号，原始振动信号及其功率谱如图1所示。

可以看出，齿轮啮合频率处（688Hz）功率谱的幅值很小，二倍啮频处（1376Hz）有一较大峰值，但是没有边带信息可以用来确定故障齿轮所在的轴。对同样的原始振动信号进行循环平稳分析，得到图2所示的循环谱图。从图中可以明显看到啮合频率的上调制边带，从而可以确定故障齿轮位于输出轴。

作者：张志斌 高韬 宋晓菲 单位：93469部队 华北电力大学 自动化系 河北慧云电子科技有限公司