基于Hilbert解调及倒谱的齿轮箱点蚀故障诊断研究.doc

王聪( 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003 王 聪 ( 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003) 摘要: 将 Hilbert 解调和倒谱分析方法结合起来对齿轮箱点蚀故障进行了诊断研究。首先介绍了 Hilbert 解 调和倒谱的基本原理，然后针对 Hilbert 解调和倒谱等单种方法的不足，论述了将 Hilbert 解调与倒谱分析 结合用于齿轮箱故障诊断的基本思想，最后通过 QPZZ － II． 旋转机械故障试验系统进行了齿轮箱点蚀故 障的实例验证分析。研究表明，Hilbert 解调技 术 可 以 解 调 出 调 制 信 号，但 在 处 理 相 加 信 号 时 有 局 限 性; 倒谱可以区分出边频带中的周期成分，将成簇的边频带简化为单根的谱线，受传递路径影响小，但当调 制边频的幅值不大或者信号中含有较大噪声时，倒谱中得到的调制频率的幅值并不明显; 将这两种方法 结合起来可以很好地克服传统单种方法存在的憋端，可对齿轮箱的点蚀故障进行有效诊断。 关键词: 齿轮箱; Hilbert 解调; 倒谱; 点蚀; 故障诊断 中图分类号: TP206; TH132． 41 文献标识码: A 频率及其谐波为载 波 频 率，齿 轮 所 在 轴 转 频 及 其 倍频为调制频率的 啮 合 频 率 调 制，调 制 边 频 带 是 由于齿轮 箱 中 轴 的 转 频 调 制 齿 轮 啮 合 频 率 形 成。 齿轮箱结构复杂，调制边频通常交叉分布在一起， 而一般频谱无法对边频的总体水平做出定量估计， 所以很难在频谱图 中 有 效 诊 断 出 故 障，为 此 可 以 采用 Hilbert 解调谱分析边频信息，也可以采用倒 谱从复杂的边频中 识 别 出 故 障 频 率，提 取 幅 值 谱 上的周期特征，进而分析出故障。 0 引 言 齿轮传 动 具 有 承 载 能 力 大、传 动 精 度 高、传 动比固定、结构紧 凑 等 特 点，被 各 种 机 械 设 备 所 广泛使用。随着现 代 工 艺 技 术 的 发 展，齿 轮 传 动 的承载 能 力、传 动 精 度 越 来 越 高， 磨 损、剥 落、 点蚀、裂纹等失效形式也越来越引起重视［1］。 目前运 用 在 齿 轮 箱 故 障 诊 断 的 方 法 有 很 多， 如同 周 期 相 加 平 均 分 析、频 谱 分 析、解 调 分 析、 倒谱分 析 等。但 这 些 方 法 都 具 有 一 定 的 局 限 性， 如单独用同周期相加平均方 法 在 分 析 一 根 轴 上 有 多对齿轮啮合时无 法 分 析 出 故 障 类 型 和 特 点，而 Hilbert解调方 法 可 以 很 好 地 解 决 这 一 问 题， 但 其 本身在处理相加信 号 时 有 局 限 性，针 对 这 一 局 限 性，倒谱分 析 可 以 弥 补 其 不 足［2，3］。将 Hilbert 解 调与倒谱 分 析 相 结 合 可 以 克 服 传 统 方 法 的 不 足， 很好地对齿轮箱常见典型故障进行诊断。 本文介绍了将 Hilbert 解调和倒谱分析相结合 的齿轮箱故障诊断 方 法，该 方 法 可 以 有 效 应 用 于 磨损、点蚀 剥 落、断 齿 等 齿 轮 箱 典 型 故 障，然 后 以齿轮点蚀故障为例进行了实例验证。 1. 1 Hilbert 解调原理 假设齿轮啮合振动的载波信号为 xm ( t) = Asin( 2πfm t + φ) ( 1) 式中: fm 为齿轮的啮合频率。 齿轮轴旋转调制信号为 A( t) = 1 + mcos( 2πfr t) ( 2) 式中: fr 为齿轮所在轴的转频。 设齿轮的振动信号为 xm ( t) = Am［1 + mcos( 2πfr t) ］sin( 2πfm t + φ) ( 3) Hilbert 变 换 的 目 的 就 是 把 幅 值 调 制 信 号 Am［1 + mcos( 2πfr t) ］分 离 出 来。 xm ( t ) 的 Hilbert 变换为 x ( t) = Am［1 + mcos( 2πfr t) ］cos( 2πfm t + φ) ( 4) 1 齿轮箱故障分析原理 齿轮机构振动时的频谱 通 常 主 要 表 现 为 啮 合 定义 x ( t) 的解析信号为 m zm ( t) = xm ( t) + j x ( t) ( 5) 幅值当对多段平均的功 率 谱 取 对 数 后，功 率 谱 中 与 调制边频带无关的噪 幅值 当对多段平均的功 率 谱 取 对 数 后，功 率 谱 中 与 调 制边频带无关的噪声和其他 信 号 也 都 得 到 较 大 的 权系数而放大，所以 当 调 制 边 频 的