D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.0L.016 第30卷第1期 北京科技大学学报 Vol.30 No.1 2008年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2008 基追踪在齿轮损伤识别中的应用 冯志鹏)朱萍玉)刘立)张文明) 1)北京科技大学车辆工程研究所，北京1000832)湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室，湘潭411201 摘要针对齿轮的振动特点，设计了复合过完备时频字典，利用基追踪方法在匹配信号特征结构、直接提取特征信息方面 的优势分析了齿轮箱的现场测试振动信号.根据基追踪分解结果，在时频联合域内提取了齿轮局部损伤的周期性冲击特征， 识别了齿轮点蚀缺陷·与短时Fourier变换和小波变换等时频分析方法进行了对比分析，验证了基追踪检测齿轮损伤的有效 性 关键词齿轮；故障诊断；基追踪：时频分析 分类号TH165+.3 Application of basis pursuit to gear damage detection FENG Zhipeng.ZHU Pingyu,LIU Li),ZHANG Wenming 1)Institute of Vehicular Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Laboratory of Hunan Province Key Lab for Machinery Health Maintenance.Hunan University of Science and Techrology Xiangtan 411201.China ABSTRACI Regarding the characteristics of gear vibration,a compound over-complete time-frequency dictionary was designed.Ba- sis pursuit.which is effective in matching the characteristic structure of signals globally and extracting the time-frequency information directly,was employed to analyze the vibration signals of both a healthy gearbox and a faulty one.Periodic impacts characterizing the vibration of localized damaged gears were extracted in the joint time-frequency domain.and gear tooth pitting was identified.In com- parison with traditional time-frequency analysis methods,such as short time Fourier transform and wavelet transform,basis pursuit is effective in detecting gear damage. KEY WORDS gear:fault diagnosis:basis pursuit:time-frequency analysis 齿轮是传递动力和旋转运动的关键部件，广泛 击特征，对于齿轮故障诊断而言是非常值得研究的 应用于各种机械设备之中，在振动监测诊断的工程 重要问题， 实践中，一般在齿轮变速箱的箱体（包括轴承座）上 虽然基于正交基函数展开（如Fourier变换）的 检测齿轮振动信号，齿轮振动经过轴传递到轴承， 传统信号处理方法在齿轮故障诊断中已经得到了广 再经过轴承座传递到箱体，由于其间经过的传递路 泛应用]，但是该类方法需要使用无数基函数对 径长，齿轮振动的特征信息衰减损耗大；而且在轴、 频谱结构近似白噪声的脉冲信号进行逼近，可能会 轴承和轴承座等多种零部件振动的复杂作用下，信 使齿轮损伤的冲击特征淹没在过多的基函数中，增 号中的干扰激励多。因此，现场测试振动信号成分 加监测诊断的难度，基追踪是近年来提出的一种基 复杂，噪声干扰强，反映齿轮运行状态的特征信息相 于过完备信号表示的原子分解方法，在针对信号特 对微弱，理论上，振动信号中的周期性或准周期性 征结构特别设计的过完备波形字典的基础上，该方 冲击是判断齿轮局部损伤的关键特征信息，如何从 法选择波形原子对信号的特征结构进行最佳匹配分 成分复杂背景噪声强的现场测试信号中有效提取冲 解，可以直接提取信号中的冲击、简谐波以及其他瞬 态信息，与传统的基函数展开相比，该方法直接提 收稿日期：2007-02-12修回日期：2007-11-09 取信号的特征信息，没有任何冗余中间变换环节，尽 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50705007):湖南省机 可能地减少了信息损失，能够保持信号表示的稀疏 械设备健康维护重点实验室开放基金资助项目(No~KFJJO505) 作者简介：冯志鹏(1973一)，男，博士研究生：张文明(1955一)男， 性，并且具有良好的时频分辨率).目前，已经有基 教授，博士生导师 追踪方法在机械设备振动监测诊断领域中应用的相基追踪在齿轮损伤识别中的应用 冯志鹏1） 朱萍玉2） 刘 立1） 张文明1） 1） 北京科技大学车辆工程研究所‚北京100083 2） 湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室‚湘潭411201 摘 要 针对齿轮的振动特点‚设计了复合过完备时频字典‚利用基追踪方法在匹配信号特征结构、直接提取特征信息方面 的优势分析了齿轮箱的现场测试振动信号．根据基追踪分解结果‚在时频联合域内提取了齿轮局部损伤的周期性冲击特征‚ 识别了齿轮点蚀缺陷．与短时 Fourier 变换和小波变换等时频分析方法进行了对比分析‚验证了基追踪检测齿轮损伤的有效 性． 关键词 齿轮；故障诊断；基追踪；时频分析 分类号 T H165＋∙3 Application of basis pursuit to gear damage detection FENG Zhipeng 1）‚ZHU Pingyu 2）‚LIU Li 1）‚ZHA NG Wenming 1） 1） Institute of Vehicular Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China 2） Laboratory of Hunan Province Key Lab for Machinery Health Maintenance‚Hunan University of Science and Technology ‚Xiangtan411201‚China ABSTRACT Regarding the characteristics of gear vibration‚a compound over-complete time-frequency dictionary was designed．Ba￾sis pursuit‚which is effective in matching the characteristic structure of signals globally and extracting the time-frequency information directly‚was employed to analyze the vibration signals of both a healthy gearbox and a faulty one．Periodic impacts characterizing the vibration of localized damaged gears were extracted in the joint time-frequency domain‚and gear tooth pitting was identified．In com￾parison with traditional time-frequency analysis methods‚such as short time Fourier transform and wavelet transform‚basis pursuit is effective in detecting gear damage． KEY WORDS gear；fault diagnosis；basis pursuit；time-frequency analysis 收稿日期：2007-02-12 修回日期：2007-11-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50705007）；湖南省机 械设备健康维护重点实验室开放基金资助项目（No．KFJJ0505） 作者简介：冯志鹏（1973—）‚男‚博士研究生；张文明（1955—）‚男‚ 教授‚博士生导师 齿轮是传递动力和旋转运动的关键部件‚广泛 应用于各种机械设备之中．在振动监测诊断的工程 实践中‚一般在齿轮变速箱的箱体（包括轴承座）上 检测齿轮振动信号．齿轮振动经过轴传递到轴承‚ 再经过轴承座传递到箱体‚由于其间经过的传递路 径长‚齿轮振动的特征信息衰减损耗大；而且在轴、 轴承和轴承座等多种零部件振动的复杂作用下‚信 号中的干扰激励多．因此‚现场测试振动信号成分 复杂‚噪声干扰强‚反映齿轮运行状态的特征信息相 对微弱．理论上‚振动信号中的周期性或准周期性 冲击是判断齿轮局部损伤的关键特征信息‚如何从 成分复杂背景噪声强的现场测试信号中有效提取冲 击特征‚对于齿轮故障诊断而言是非常值得研究的 重要问题． 虽然基于正交基函数展开（如 Fourier 变换）的 传统信号处理方法在齿轮故障诊断中已经得到了广 泛应用［1—3］‚但是该类方法需要使用无数基函数对 频谱结构近似白噪声的脉冲信号进行逼近‚可能会 使齿轮损伤的冲击特征淹没在过多的基函数中‚增 加监测诊断的难度．基追踪是近年来提出的一种基 于过完备信号表示的原子分解方法‚在针对信号特 征结构特别设计的过完备波形字典的基础上‚该方 法选择波形原子对信号的特征结构进行最佳匹配分 解‚可以直接提取信号中的冲击、简谐波以及其他瞬 态信息．与传统的基函数展开相比‚该方法直接提 取信号的特征信息‚没有任何冗余中间变换环节‚尽 可能地减少了信息损失‚能够保持信号表示的稀疏 性‚并且具有良好的时频分辨率［4］．目前‚已经有基 追踪方法在机械设备振动监测诊断领域中应用的相 第30卷 第1期 2008年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．1 Jan．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．01．016