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86 北京科技大学学报 第30卷 隔规律重复出现 2齿轮振动信号分析 齿轮振动的现场测试信号成分复杂，背景噪声 齿轮振动主要由齿轮的啮合效应和旋转运动引 强，在基于正交基函数展开的传统信号处理方法（如 起，在时域内可能表现为幅值调制和相位调制过程； Fourier变换和正交小波变换)中，需要使用许多基 在频域内，齿轮啮合频率及其谐频、大小齿轮的旋转 函数对频谱结构近似于白噪声的脉冲信号进行逼 频率及其谐频、分布在谐频附近的边带频率，以及其 近，经过正交变换之后，信号中的微弱冲击成分可 他一些频率成分都可能会出现在频谱中.齿轮各类 能会淹没在过多的基函数中，不利于冲击征兆的有 典型故障振动信号之间的频谱结构差异明显：轮齿 效提取分析，在基追踪原子分解方法中，只要过完 在载荷作用下的变形、加工误差和磨损等通过齿轮 备字典中包括与冲击成分匹配的波形原子，即可以 啮合频率及其谐频表现出来；齿面的点蚀、脱落和裂 直接提取信号中的冲击特征，避免中间变换环节导 纹等局部损伤表现为分布频带较宽的谐频及其边带 致的信息损失，因此，该方法为提取齿轮振动的冲 结构；由偏心和变形引起的缺陷表现为零频率附近 击特征、识别齿轮局部损伤提供了一种有效手段 的谐频成分以及啮合频率及其谐频附近的边带结 2.1参数说明 构.在许多研究中，将边带结构作为齿轮缺陷的主 所分析的齿轮振动信号为两台水泵机组中齿轮 要征兆，并且通过边带结构与啮合频率之间的频率 箱的现场测试信号叮，机组中，水泵由电机通过齿 间隔来确定缺陷位置，但是，由于制造误差、安装偏 轮箱驱动，两台机组的结构型号和运行条件相同， 心和弹性变形的影响，即使正常齿轮振动信号的频 其中，一台机组的齿轮箱状态正常，而另一台机组的 谱中也存在边带结构，而且现场测试信号经过轴一 齿轮箱由于不平衡载荷和磨损等原因，出现了点蚀 轴承一轴承座传递之后，齿轮振动的特征信息衰减 损伤，均匀地分布在每个轮齿表面的中心，齿轮箱 损耗较大，其中还会混杂多种其他零部件振动产生 第一级齿轮的轮齿数目为13，驱动轴转速为997r· 的噪声干扰，因此，除非齿轮出现严重故障，否则通 min,齿轮啮合频率为216Hz,在转轴、齿轮和轴 过常规的频谱分析识别齿轮的异常原因存在一定 承等各结构部件附近，通过七个加速度传感器测试 难度 了振动信号，测试系统中模拟低通滤波器截止频率 工程实践中，齿轮的局部损伤在各种齿轮故障 为5000z,采样频率为12800 中占有很大比例，典型的局部损伤包括齿面的点 2.2时频分析 蚀、脱落和裂纹等类型.在齿轮运行过程中，当带有 齿轮振动的现场测试信号具有较强的非平稳性 局部损伤的轮齿与其他轮齿啮合接触时，将导致轮 和复杂性，例如，运行条件变化导致的时变性，齿轮 齿滑动接触表面之间的润滑油膜破裂，产生冲击现 损伤引起的瞬态冲击，源于复杂激励、零部件动力学 象.在齿轮的旋转运动效应作用下，冲击将按照一 耦合和传播过程的多种信号成分，在过完备时频字 定的时间间隔规律重复出现.因此，周期性或准周 典的基础上，基追踪方法可以对齿轮振动信号中的 期性冲击是齿轮局部损伤的一个关键特征，其中连 特征结构和瞬态分量进行最佳匹配，直接提取各个 续性冲击之间的时间间隔是识别局部损伤的关键指 信号分量，在基追踪分解的基础上，可以在时频联 标。例如，在齿轮载荷和转速严格平稳的条件下，若 合域内研究信号的结构特征，解释其中蕴含的丰富 一对齿轮副中一个齿轮的某个轮齿上出现局部损 物理意义， 伤，而其他轮齿和另一个齿轮正常，则振动信号中会 正常齿轮箱和故障齿轮箱振动信号的时域波形 出现周期性冲击，而且连续冲击之间的时间间隔为 和功率谱分别如图1和图2所示，其中信号长度为 损伤齿轮的旋转周期；若局部损伤均匀地分布在某 2048点，在时域内，正常和故障齿轮箱振动信号的 个齿轮的全部轮齿上，而另一个齿轮正常，则周期性 波形之间没有明显的差异，在频域内，虽然正常和 冲击之间的时间间隔为齿轮副的啮合周期；若局部 故障齿轮箱振动信号的功率谱在各峰值频率处的幅 损伤随机无规律地分布在齿轮副中某一个或者两个 值存在较大差异，但是它们的频率成分基本相似，两 齿轮的轮齿上，则振动信号中会出现准周期性冲击， 个信号中都出现了啮合频率及其谐频和边带成分， 从相邻两个冲击的局部角度观察，连续冲击之间的 故障齿轮箱振动信号的频谱结构没有体现任何典型 时间间隔可能没有规律，从整个冲击序列的全局角 齿轮故障的征兆特征 度观察，冲击序列会按照与齿轮旋转周期相关的间 为了有效匹配分析齿轮箱振动信号的特征结2 齿轮振动信号分析 齿轮振动主要由齿轮的啮合效应和旋转运动引 起在时域内可能表现为幅值调制和相位调制过程； 在频域内齿轮啮合频率及其谐频、大小齿轮的旋转 频率及其谐频、分布在谐频附近的边带频率以及其 他一些频率成分都可能会出现在频谱中．齿轮各类 典型故障振动信号之间的频谱结构差异明显：轮齿 在载荷作用下的变形、加工误差和磨损等通过齿轮 啮合频率及其谐频表现出来；齿面的点蚀、脱落和裂 纹等局部损伤表现为分布频带较宽的谐频及其边带 结构；由偏心和变形引起的缺陷表现为零频率附近 的谐频成分以及啮合频率及其谐频附近的边带结 构．在许多研究中将边带结构作为齿轮缺陷的主 要征兆并且通过边带结构与啮合频率之间的频率 间隔来确定缺陷位置．但是由于制造误差、安装偏 心和弹性变形的影响即使正常齿轮振动信号的频 谱中也存在边带结构而且现场测试信号经过轴— 轴承—轴承座传递之后齿轮振动的特征信息衰减 损耗较大其中还会混杂多种其他零部件振动产生 的噪声干扰．因此除非齿轮出现严重故障否则通 过常规的频谱分析识别齿轮的异常原因存在一定 难度． 工程实践中齿轮的局部损伤在各种齿轮故障 中占有很大比例．典型的局部损伤包括齿面的点 蚀、脱落和裂纹等类型．在齿轮运行过程中当带有 局部损伤的轮齿与其他轮齿啮合接触时将导致轮 齿滑动接触表面之间的润滑油膜破裂产生冲击现 象．在齿轮的旋转运动效应作用下冲击将按照一 定的时间间隔规律重复出现．因此周期性或准周 期性冲击是齿轮局部损伤的一个关键特征其中连 续性冲击之间的时间间隔是识别局部损伤的关键指 标．例如在齿轮载荷和转速严格平稳的条件下若 一对齿轮副中一个齿轮的某个轮齿上出现局部损 伤而其他轮齿和另一个齿轮正常则振动信号中会 出现周期性冲击而且连续冲击之间的时间间隔为 损伤齿轮的旋转周期；若局部损伤均匀地分布在某 个齿轮的全部轮齿上而另一个齿轮正常则周期性 冲击之间的时间间隔为齿轮副的啮合周期；若局部 损伤随机无规律地分布在齿轮副中某一个或者两个 齿轮的轮齿上则振动信号中会出现准周期性冲击 从相邻两个冲击的局部角度观察连续冲击之间的 时间间隔可能没有规律从整个冲击序列的全局角 度观察冲击序列会按照与齿轮旋转周期相关的间 隔规律重复出现． 齿轮振动的现场测试信号成分复杂背景噪声 强在基于正交基函数展开的传统信号处理方法（如 Fourier 变换和正交小波变换）中需要使用许多基 函数对频谱结构近似于白噪声的脉冲信号进行逼 近．经过正交变换之后信号中的微弱冲击成分可 能会淹没在过多的基函数中不利于冲击征兆的有 效提取分析．在基追踪原子分解方法中只要过完 备字典中包括与冲击成分匹配的波形原子即可以 直接提取信号中的冲击特征避免中间变换环节导 致的信息损失．因此该方法为提取齿轮振动的冲 击特征、识别齿轮局部损伤提供了一种有效手段． 2∙1 参数说明 所分析的齿轮振动信号为两台水泵机组中齿轮 箱的现场测试信号［7］．机组中水泵由电机通过齿 轮箱驱动两台机组的结构型号和运行条件相同． 其中一台机组的齿轮箱状态正常而另一台机组的 齿轮箱由于不平衡载荷和磨损等原因出现了点蚀 损伤均匀地分布在每个轮齿表面的中心．齿轮箱 第一级齿轮的轮齿数目为13驱动轴转速为997r· min —1齿轮啮合频率为216Hz．在转轴、齿轮和轴 承等各结构部件附近通过七个加速度传感器测试 了振动信号．测试系统中模拟低通滤波器截止频率 为5000Hz采样频率为12800Hz． 2∙2 时频分析 齿轮振动的现场测试信号具有较强的非平稳性 和复杂性例如运行条件变化导致的时变性齿轮 损伤引起的瞬态冲击源于复杂激励、零部件动力学 耦合和传播过程的多种信号成分．在过完备时频字 典的基础上基追踪方法可以对齿轮振动信号中的 特征结构和瞬态分量进行最佳匹配直接提取各个 信号分量．在基追踪分解的基础上可以在时频联 合域内研究信号的结构特征解释其中蕴含的丰富 物理意义． 正常齿轮箱和故障齿轮箱振动信号的时域波形 和功率谱分别如图1和图2所示其中信号长度为 2048点．在时域内正常和故障齿轮箱振动信号的 波形之间没有明显的差异．在频域内虽然正常和 故障齿轮箱振动信号的功率谱在各峰值频率处的幅 值存在较大差异但是它们的频率成分基本相似两 个信号中都出现了啮合频率及其谐频和边带成分 故障齿轮箱振动信号的频谱结构没有体现任何典型 齿轮故障的征兆特征． 为了有效匹配分析齿轮箱振动信号的特征结 ·86· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷