D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.03.022 第27卷第3期 北京科技大学学 报 VoL.27 No.3 2005年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2005 基于小波分析的大型齿轮箱低速轴故障诊断 高立新”韩金顺”张建宇”丁庆新)崔玲丽” 1)北京工业大学先进制造技术重点实验室，北京1000222)北京第一机床厂，北京100022 摘要针对大型齿轮箱低速轴故障信息难以提取的问题，采用小波分析方法对故障数据进 行处理以实现信号在时/频域的局域性分析，将其无冗余、无泄漏地分解到一组具有紧支撑性 的小波基上，文中采用小波分层突变系数作为判别故障隐患的特征值，并对该特征值进行趋 势分折，结果表明：小波变换能有效捕捉冲击信号的时域特征和故障发生的时间历程，用小 波分层突变系数所做的趋势图能有效地预测故障发展趋势，避免突发故障 关键词小波分析：齿轮箱：诊断：特征提取：趋势图 分类号TH17 传统傅里叶变换可以分析信号所含有的频 域结合起来描述观测信号的时频特征.小波分析 率信息，但不能同时分析一定频率段所对应的时 具有良好的时-频局部化分析能力，因此目前已 域信息，因此不能全面、简单而清晰地描述冲击 经有不少研究学者成功地将小波分析的正交分 信号局部时域特征和故障发生的时间历程.也就 解、多分辨分析以及小波分析的奇异性检测等方 是说，傅里叶分析不具有局部定位能力， 法应用于机械振动信号故障征兆的特征提取中， 相对传统的傅里叶变换，小波分析在信号的 进行往复机械的故障诊断，旋转机械的故障诊断 特征提取方面具有较大的优越性，这主要表现在 和碰摩研究等. 小波分析同时具有较好的时、频特性.小波分析 1小波分层突变系数 把每个信号表示为由基小波经过伸缩与平移得 到的信号叠加，伸缩因子的改变决定了信号的不 (1)小波分析基础.图1为小波分析示意图 同分辨率，平移与伸缩的改变决定了这种表示可 当信号x()的采样频率满足采样定理时，数字频 聚焦于不同时刻，并且对高频成分采用逐渐精细 带必限制在一~π之间.此时可分别用理想低通 的时域取样步长，从而可以聚焦到信号的任意细 (L)与理想高通滤波器(H)将它分解成（对正频率 节，小波分析具有多分辨率分析的特点，在低频 部分而言)频带在0乏的低频部分和频带在x 部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨 的高频部分，分别反映信号的概貌与细节，处理 率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的 后的两路输出必定正交（因频带不交叠），而且由 频率分辨率，非常适合探测正常信号中夹带的瞬 于两种输出的频带均减半，因此采样率可减半而 间反常现象并展示其成分. 不致引起信息的丢失”. 机械故障诊断的关键是如何提取损环零部 类似的过程对每次分解后的低频部分可重 件的故障信号特征，并利用模式识别方法进行故 复进行下去，即每一级分解把该级输入信号分解 障诊断.在实际机械设备故障诊断系统中，尤其 成一个低频的粗略逼近和一个高频的细节部分： 是冲击信号比较丰富的场合，例如旋转机械，信 而且每级输出采样率可以再减半，这样就将原始 号在任何频率段内的时域特征都很重要.对这类 信号()进行了多分辨率分解周. 信号的处理，仅用常规的时域和频域分析技术是 从图1可以看出：小波分析将信号在不同尺 不够的，必须要有一种新的方法能够将时域和频 度上展开，提取信号在不同频带的特征，同时保 收藕日期：200501-12修回日期：200503-15 基金项目：国家“863”计划资助项目(No.2002AA424033):北京市科委基金资助项目(No.H030330050110):北京工业大学博士科研 启动基金资助项目(No.KZ0107200382):北京市先进制造技术重点实验室开放基金资助项目(No.00419) 作者简介：高立新(1953一，男，副教授，博士第 2 , 卷 第 3 期 20 5 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ . 几 a l of U . 加 . 比 i灯 Of s cle 。沈 a耐 介 c h . 川。盯 B iej 加 g V匕L2 7 N o J J l n . 2 0 05 基于小波分析的大型齿轮箱低速轴故障诊断 高立 新 ” 韩金顺 ` , 张建 宇 ” 丁 庆新 ” 崔玲 丽 ” l) 北 京工 业 大学先 进制造 技术重 点实验 室 , 北京 10 0 2 2 ) 北京 第一机 床厂 , 北京 10 0 0 2 摘 要 针 对大型 齿轮 箱低 速轴 故障 信息难 以提 取的 问题 , 采 用 小波分 析方法 对 故障数 据进 行 处理 以实现信 号在 时 /频域 的局域性 分析 , 将其无 冗余 、 无 泄漏地 分解到 一组具 有紧支 撑性 的小波 基上 . 文 中采用 小波分 层突变 系数作 为判别 故障 隐患的特 征值 , 并对 该特征 值进 行趋 势分 析 . 结 果表 明 : 小波变 换能有 效捕 捉冲 击信 号的 时域特 征和故 障发 生 的时 间历程 , 用小 波 分 层突变 系数 所做 的趋势 图 能有效 地预 测故障 发展 趋势 , 避 免突 发故 障 . 关键 词 小波分 析 ; 齿 轮箱 ; 诊断 ; 特 征提 取 ; 趋 势 图 分类号 T H 1 7 传统 傅 里 叶 变 换 可 以分 析信 号 所 含 有 的 频 率信 息 , 但 不能 同时分 析一 定频 率段 所对 应 的时 域信 息 , 因此 不 能全 面 、 简 单而 清 晰地 描述 冲 击 信 号局 部时域 特征 和 故障发 生 的时 间历程 . 也就 是 说 , 傅 里 叶分析 不 具有局 部定位 能力 . 相对 传统 的傅里 叶变 换 , 小波 分 析在 信号 的 特 征提 取方 面具有 较 大的优 越 性 . 这 主要 表现 在 小 波分 析 同时 具有 较 好 的时 、 频 特性 . 小 波分 析 把 每 个信 号 表 示 为 由基 小 波经 过 伸 缩 与平 移 得 到 的信 号叠 加 , 伸 缩 因子 的改变 决 定 了信 号 的不 同分辨 率 , 平移 与伸 缩 的改变 决定 了这种 表示 可 聚 焦于 不 同时刻 , 并 且对 高频 成分采 用逐 渐 精细 的时域 取样 步长 , 从 而可 以聚 焦到信 号 的任 意细 节 , 小波 分 析具 有 多分辨 率 分析 的特 点 , 在低 频 部 分 具 有较 高的 频率 分 辨 率 和较 低 的 时 间分 辨 率 , 在 高频 部分 具有 较高 的时 间分辨 率和 较低 的 频 率分 辨率 , 非 常适 合探 测正 常信 号 中夹带 的瞬 间反 常现 象并 展 示其 成分 ’ 1] . 机 械故 障诊 断 的关 键 是 如 何提 取 损 坏 零 部 件 的故 障信号特征 , 并利用 模 式识 别方法 进 行故 障 诊 断 . 在 实 际机械 设 备 故障诊 断 系统 中 , 尤其 是 冲击 信 号 比较 丰 富的场 合 , 例 如 旋转 机械 , 信 号在任 何频率段 内 的时域特征 都很 重要 . 对这 类 信 号 的处理 , 仅 用常 规 的时域 和频 域分析技术是 不 够 的 , 必 须要 有一 种新 的方 法能够 将 时域 和频 域结 合起 来描述 观测 信号 的 时频特 征 . 小波 分析 具有 良好 的时一频 局部 化 分析 能力 , 因此 目前 己 经有 不 少 研究 学 者 成 功地 将小波 分 析 的 正交 分 解 、 多分 辨分 析以及 小波分析 的奇异性 检测 等方 法应 用于机 械振 动信号故 障 征兆 的特征 提取 中 , 进行 往复 机械 的故 障诊 断 , 旋 转机 械 的故 障诊断 和碰 摩 研究等困, . 1 小波分 层 突变系数 ( l) 小波分析 基础 . 图 1 为小 波分 析 示意 图 . 当信 号式n) 的采样 频 率满 足采样 定理 时 , 数 字频 带 必 限制在 一兀~ 忆 之 间 . 此 时可 分别 用 理想 低通 (L )与理 想 高通 滤波 器 (功 将 它分 解成 (对 正频率 部分 而 言 )频 带在 0号的低 频 部分和 频 带在 的 高频 部分 , 分别 反 映信 号 的概貌 与细节 . 如处理 后 的两 路输 出必 定正 交 ( 因频 带不 交叠 ) , 而 且 由 于两 种输 出的频带 均减 半 , 因此 采样率可减 半而 不致 引起信 息 的丢 失’l,7] . 类 似 的过 程 对 每 次 分解 后 的低 频 部 分 可重 复进 行下 去 , 即每 一级 分解把 该 级输 入信 号分解 成一 个低 频 的粗略 逼近和 一 个高频 的细 节 部分 ; 而 且每级 输 出采样率可 以再 减半 , 这 样就将原始 信号城n) 进行 了多分 辨率 分解 `. , . 从 图 1可 以看 出 : 小波 分析 将信 号 在不 同尺 度 上展 开 , 提 取信 号在 不 同频 带 的特 征 , 同时保 收稿 日期 : 2 0 5刁 卜 12 修回 日期 : 2 0 5刁-3 巧 荟 金项 目 : 国家 “ 8 6’3, 计 划资助项 目 ( N .o Zo Z A A 4 24 O 33) ; 北 京市科 委基金 资助项 目 (No .l 03 03 30 05 01 10) ; 北京 工 业大学 博士科研 启 动基金 资助项 目 (No . K Z 0I 0 72 0 0 3 82 ) : 北京 市先进 制造技 术重 点实验 室开放 基金 资助项 目 (No . 0 04 19 ) 作者 简介 : 高立 新 ( 19 53 一 ) , 男 , 副教 授 , 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 03. 022