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基于极坐标增强的齿轮早期点蚀故障诊断

杨青乐;张玲玲;贾继德;梅检民;耿帅

【摘要】针对变速器齿轮早期故障中周期性瞬态冲击不显著的问题，在小波变换

的基础上提出了极坐标增强的方法。该方法利用齿轮运行的旋转特性，将直角坐标

下多个运转周期的小波时频分布，转化为角度－频率分布并映射到极坐标平面。诊

断实例表明，该方法能够抑制非周期性的噪声干扰，增强了振动信号的周期性瞬态

冲击特征，有效诊断出齿轮早期微弱点蚀故障。%Theperiodictransientimpact

effectofgearearlyfaultisweakasusual.Inordertosettlethisproblem,

themethodofpolarcoordinateenhancementbasedonContinuous

WaveletTransformwasproposed.Consideringtherotationfeatureofa

runninggear,timefrequencydistributionsofthesignalinseveralcycles

obtainedinrectangularcoordinateweretransformedtoangularfrequency

distributionsandthenmappedintoapolarcoordinateplane.The

experimentalresultsshowthatthenonperiodicnoiseisrestrained,while

theperiodictransientimpactfeatureofsignalisenhanced,andthegear

earlypittingfaultcanbediagnosedmoreeffectively.

【期刊名称】《振动与冲击》

【年(卷),期】2015(000)024

【总页数】5页(P7-11)

【关键词】齿轮;早期点蚀;极坐标;增强

【作者】杨青乐;张玲玲;贾继德;梅检民;耿帅

【作者单位】军事交通学院军用车辆系，天津300161;军事交通学院军用车辆系，

天津300161;军事交通学院军用车辆系，天津300161;军事交通学院军用车辆系，

天津300161;军事交通学院军用车辆系，天津300161

【正文语种】中文

【中图分类】TH165+.3

齿轮在机械传动系统中应用广泛，发生故障时将严重影响安全性与可靠性，故对齿

轮进行故障诊断具有重要意义。变速器齿轮发生点蚀故障时，其振幅随故障的恶化

而加大，并且工作中的冲击将使得振动信号呈现非平稳时变特性。目前，对变速箱

故障诊断的方法有多种，由于利用振动信号携带的运行状态信息进行故障诊断可不

拆解变速箱，并且振动理论成熟，测量方便，因而得到越来越多的应用[1-4]。

变速器齿轮早期点蚀故障特征十分微弱，在噪声和其他信号干扰下较难被检测与发

现，如何有效提取早期微弱故障特征是研究的难点[5-6]。小波分析是一种非平稳

信号分析的有效方法，能够将信号的瞬态特征在二维时-频平面上展现出来，但是

对于齿轮早期微弱点蚀故障引起的周期性瞬态特征，由于故障引起的振动持续时间

短，能量增加不显著，导致周期瞬态冲击特征在直角坐标系下的时频图上反映不明

显；相对直角坐标时频分布，极坐标通过极角和极径的表示方法可以形象、直观地

将旋转设备振动信号的周期性表现出来，在工程实践中更容易被工程技术人员理解

与掌握[7]。

本文提出了一种极坐标增强小波时频图的角频分布方法：首先对信号进行连续小波

变换得到瞬态特征的时频分布；然后将直角坐标系的时频分布映射为极坐标系角频

分布；最后叠加不同周期的极坐标系角频分布到同一极坐标上，增强点蚀故障引起

的周期瞬态冲击。仿真信号和应用实例表明，极坐标增强方法可以有效突出故障信

号特征，准确诊断出齿轮早期微弱点蚀故障。

1.1连续小波变换

具有有限能量的函数x(t)∈L2(R)的连续小波变换定义为：

由于小波在频域具有带通特性，其中心频率为f0，在不同尺度a下带通滤波器的

中心频率为f0/a，而尺度a、频率f和采样频率fs满足如下关系式：

则连续小波变换公式(1)可以重新定义为：

对信号作小波变换处理时，最重要的是寻找适当的小波基函数作母函数。一般可依

照小波基函数的属性、被检信号的特征和所作分