【正文】 frequence(Hz)signalvalue一一D5一一一0 500 1000 1500 202202040frequence(Hz)signalvalue一一A3一一一0 500 1000 1500 2022024x 107frequence(Hz)signalvalue一一D6一一一圖3為此，本文將EMD方法應(yīng)用到齒輪的故障診斷中，利用EMD方法對齒輪信號進(jìn)行分解，得到若干個(gè)IMF，然后對包含故障信息的IMF作功率譜分析，有效提取故障信號特征信息。n(4（4（ 將式(4由于用小波分析方法進(jìn)行故障信號特征提取存在缺點(diǎn)， 等人針對瞬時(shí)頻率的概念進(jìn)行深入研究后,創(chuàng)造性地提出了本征模式函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF)的概念以及將任意信號分解為本征模式函數(shù)組成的新方法——基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?Empirical Mode Deposition,EMD)方法，從而賦予了瞬時(shí)頻率合理的定義、物理意義和求法，初步建立了以瞬時(shí)頻率為表征信號交變的基本量，以本征模式分量為時(shí)域基本信號的新的時(shí)頻分析方法體系。本實(shí)驗(yàn)的齒輪箱為一級齒輪傳動，所以只有兩根軸。 y=y(ones(1,length(y)))39。plot(t,y)。,i)。即采用 db4 基本小波對原始信號 s 進(jìn)行 5 層小波分解。信號的分解過程可以迭代，也就是說可以進(jìn)行多級分解。卷積運(yùn)算既可以在時(shí)域完成，也可以通過 FFT 來完成 [17]。C 愈大，表示兩者的波形相似程度愈高。并在頻域中對信號進(jìn)行描述。設(shè)微分方程如下： (3根據(jù)其頻率和時(shí)間聯(lián)合分布函數(shù)的不同，可以把時(shí)頻分析方法分為線性時(shí)頻(線性變化) 分析表示和雙線性時(shí)頻(非線性變換)表示兩種類型。MATLAB 把數(shù)學(xué)問題的許多算法編成了大量庫函數(shù)、具有解決許多問題的工具箱，只要熟悉算法基本特點(diǎn)、函數(shù)調(diào)用格式和參數(shù)具體意義等內(nèi)容，調(diào)用現(xiàn)成函數(shù)就可以解決自己專業(yè)領(lǐng)域的許多問題，而不必再花時(shí)間去實(shí)現(xiàn)常規(guī)算法。振動信號的獲取是通過外部傳感器來實(shí)現(xiàn)的。（4）齒輪的周期性沖擊衰減振動，主要由齒輪的局部損傷故障如齒面剝落、拉傷等引起，在齒輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)才會撞擊一次。5)式中： 為調(diào)制因子；??1 為調(diào)制信號的頻率；????則 被 調(diào)制后，振動波形為：0()xtg(260znf?.. 12()rMXCKttEKt???北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)11嚙合剛度 為周期性的變量，可以說齒輪的振動主要是由 的這種周期變化??(??) ??(??)引起的。（3（ 潤滑油出現(xiàn)異常潤滑油變質(zhì)較正常時(shí)間較快，可能與溫度過高等有關(guān)系。齒輪承受載荷，如同懸梁臂，其根部受到脈動循環(huán)的彎曲應(yīng)力作用，當(dāng)這種周期性的應(yīng)力過高時(shí)，就會在根部產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展。所謂防患于未然，在悲劇發(fā)生前，診斷出齒輪或齒輪箱的故障，從而停止或更換失效齒輪，避免事故產(chǎn)生。第 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容本文以齒輪故障診斷試驗(yàn)臺產(chǎn)生的齒輪振動信號為研究對象，依據(jù)齒輪故障診斷的相關(guān)理論與分析方法，從振動信號中獲取信息，經(jīng)過分析和處理提取故障特征信息。小波變換可以給故障瞬態(tài)的高頻元素提供時(shí)間分辨率。但是，現(xiàn)在大部分廣泛應(yīng)用的信號處理技術(shù)都是基于穩(wěn)態(tài)信號假設(shè)的前提條件下，對處理非穩(wěn)態(tài)信號，新型診斷技術(shù)被提出。1，在這些診斷方法中，目前應(yīng)用較多仍是時(shí)域分析、頻域分析、倒頻域分析等 [6]。而目前效果最好并最廣泛應(yīng)用的是通過振動信號的檢測和診斷在時(shí)頻域進(jìn)行分析的方法。而齒輪傳動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最為普遍的機(jī)械結(jié)構(gòu)。此方法易受背景噪聲的影響，使得分析結(jié)果與實(shí)際情況出入較大。齒輪診斷方法中，振動信號的分析方法應(yīng)用最廣泛，技術(shù)也較成熟，成為齒輪故障診斷的主要技術(shù)。傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)被證明在機(jī)械故障學(xué)中非常有用的。李輝等人在通過分析齒輪箱升降過程齒輪齒根裂紋的非穩(wěn)態(tài)振動信號表明，基于角域平均和連續(xù)小波變換的振動信號處理技術(shù)，能充分消除角域采樣信號中的噪音干擾，提高信號的信噪比，是周期性故障分量的故障特征更加突出 [9]。然而傅里葉變換存在頻率成分的分辨率不高、頻譜圖有畸變、隨機(jī)起伏不光滑等缺陷。長時(shí)間使用的齒輪必然會失效。剝落和點(diǎn)蝕形成的機(jī)理相同，無本質(zhì)區(qū)別，只是程度不同而已。（2（ 過熱高溫一種原因是冷卻系統(tǒng)有問題，是缺冷卻液或冷卻泵不工作。由式(2 對于齒輪信號來講，嚙合頻率成分通常是載波成分，而齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率成分通常就是調(diào)制波成分。（3）隱含成分。第 節(jié) 齒輪故障診斷試驗(yàn)臺及齒輪振動信號簡介正常及故障齒輪振動信號數(shù)據(jù)的獲取是通過一個(gè)試驗(yàn)臺，如圖 20 2 4 6 0 N一一一一time(s)signalvalue0 2 4 6 8101 SA一一一一time(s)signalvalue北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)17圖 齒輪不同故障類型的振動信號MATLAB 是一種高級匯編語言，其特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：（1（ 語言簡單。所以，對調(diào)制現(xiàn)象及其邊頻帶分布特點(diǎn)進(jìn)行研究是齒輪故障診斷中的一個(gè)很重要的研究課題。在初值為零時(shí)，一般都利用傳遞函數(shù)進(jìn)行研究，用傳遞函數(shù)間接的評價(jià)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。頻譜圖描述了信號的頻率結(jié)構(gòu)及頻率與該頻率信號幅度的關(guān)系。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)21(2) 計(jì)算該時(shí)刻的連續(xù)小波變換系數(shù) C。3)小波變換的系數(shù)表示了小波與處在分析時(shí)段內(nèi)的信號的波形近似程度小波變換的系數(shù)表示了小波與處在分析時(shí)段內(nèi)的信號的波形近似程度小波變換的系數(shù)表示了小波與處在分析時(shí)段內(nèi)的信號的波形近似程度小波變換的系數(shù)表示了小波與處在分析時(shí)段內(nèi)的信號的波形近似程度小波變換的系數(shù)表示了小波與處在分析時(shí)段內(nèi)的信號的波形近似程度__2(,) 1,()()()(0,()fab tbWftbtftdtafLRa???????????北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)22其中，????,??(??)=1????(???????)并設(shè) ，則??(??)=??(??Δ??),??∈(??,??+1) (3SA D低通 高通濾波器北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)23圖 3如：[cA1,cD1]=dwt(s,‘db4’) ；即采用 db4 基本小波對原始信號 s 進(jìn)行單尺度分解。)。 subplot(3,2,2*i1)。 f=fs*(0:((k/2)1))/k。14小偏心狀態(tài)齒輪的頻譜圖。當(dāng)齒輪存在局部摩擦?xí)r, 摩擦信號是在動靜摩擦的短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的，具有頻帶寬的特點(diǎn)。4)1kct?（2（ 將基本模式分量從信號中分離出來，可以得到剩余系列 1()rt (48)()[()]ciiREk?? 基于 EMD 的振動信號特征提取分析當(dāng)齒輪發(fā)生局部摩擦故障時(shí)，設(shè)備振動信號中將出現(xiàn)周期性的沖擊，這些周期性的沖擊信號由于噪聲等干擾，所以很難通過頻譜分析等傳統(tǒng)方法加以識別，因此本文提出了一種基于 EMD 的沖擊信號提取方法。分解過程如下：（1（ 設(shè)信號為 ，取其上下包絡(luò)局部均值組成的系列為 ，令它們的差值為()xt 1()nt()ht (413 大偏心狀態(tài)齒輪的頻譜圖北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)300 500 1000 1500 202201020frequence(Hz)signalvalue一一 A1一一一0 500 1000 1500 2022024x 1013frequence(Hz)signalvalue一一 D4一一一0 500 1000 1500 202201020frequence(Hz)signalvalue一一 A2一一一0 500 1000 1500 2022012x 1010frequence(Hz)signalvalue一一 D5一一一0 500 1000 1500 202201020frequence(Hz)signalvalue一一 A3一一一0 500 1000 1500 202201x 107frequence(Hz)signalvalue一一 D6一一一圖3 f1=f(1:kk)。從上圖中可以明顯看出無論是低頻還是高頻部分，信號的幅值都比前幾幅圖的幅值增大，對于齒輪局部損壞和斷齒的狀態(tài)，時(shí)域圖中幅值有明顯的增加。d39。并且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)齒輪的故障特征不一定都在低頻上出現(xiàn)，不同設(shè)備的故障特征可能出現(xiàn)在不同位置，所以經(jīng)過小波變換的信號，更能準(zhǔn)確的，方便地找出故障特征的位置。在使用濾波器做小波變換時(shí)包括濾波和降采樣兩個(gè)過程，在小波重構(gòu)時(shí)要包括升采樣和濾波兩個(gè)過程。4 所示。3 所示。而小波變換可以通過頻率高低自動調(diào)節(jié)窗口的大小，是一種自適應(yīng)的時(shí)頻分析方法，具有多分辨分析的功能。工程上稱之為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。小波函數(shù)根據(jù)需要調(diào)整時(shí)間與頻率分辨率，具有多分辨分析（Multiresolution Analysis）的特點(diǎn)，克服了短時(shí)傅里葉變換分析非平穩(wěn)信號單一分辨率的困難。信號的分析和處理是故障診斷的基礎(chǔ)，而 MATLAB 軟件中，方便實(shí)現(xiàn)了對信號的處理功能，所以MATLAB 在故障診斷中的應(yīng)用是很重要的。2。偏心嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生連續(xù)多次沖擊，當(dāng)沖擊足夠大時(shí)激勵箱體的固有頻率，振幅很大。9)0sin[2sin2]mzxtAftft????式中： 為振幅；??0 為載波頻率（嚙合頻率）；???? 為調(diào)制頻率（齒輪軸的轉(zhuǎn)動頻率）；???? 為調(diào)制指數(shù)；?? 為初位角；??在實(shí)際運(yùn)行的齒輪系統(tǒng)中，調(diào)頻效應(yīng)和調(diào)幅效應(yīng)總是同時(shí)存在的。從頻域上看，調(diào)制的結(jié)果是使齒輪的嚙合頻率及其諧頻周圍出現(xiàn)邊頻帶成分。在對于齒輪出現(xiàn)斷裂時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈中輪齒猛烈沖擊一次，展開為傅立葉級數(shù)，其頻率結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)動頻率及其諧波。壓縮空氣等出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象有時(shí)是可以明顯地聽到漏氣的聲音。它通過接觸面局部發(fā)生粘合，導(dǎo)致接觸面上有小顆粒被拉拽出來，這樣反復(fù)進(jìn)行多次運(yùn)動而使齒面發(fā)生破壞。因此基于非平穩(wěn)信號處理的方法應(yīng)運(yùn)而生。之后又基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）精確故障定位技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)基于結(jié)合 WT 和 ANN 的技術(shù)在故障診斷的研究中是非常有效地。而對于 STFT 缺點(diǎn)在于，對于所有頻率 STFT 都提供不變的分辨率，由此得到的時(shí)頻分析窗口具有固定的大小，而對于非平穩(wěn)信號，需要時(shí)頻窗口具有可調(diào)的性質(zhì)，即要求在高頻部分具有較好的時(shí)間分辨率特性，而在低頻部分具有較好的頻率分辨率特性。齒輪故障將直接影響設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，會降低生產(chǎn)效率和加工精度。一旦偏離正常功能，應(yīng)迅速做出調(diào)整，使工況恢復(fù)正常?；谶@些因素產(chǎn)生了多種故障診斷技術(shù)，如(1)振動信號檢測與診斷方法。齒輪裝置在運(yùn)行中與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的征兆由溫度、噪聲、振動、潤滑油中磨損物的含量及形態(tài)、齒輪傳動軸的扭轉(zhuǎn)振動和扭矩、齒輪齒根應(yīng)力分布等構(gòu)成。工況監(jiān)視的任務(wù)是判斷動態(tài)系統(tǒng)是否偏離正常功能和監(jiān)視器發(fā)展趨勢，預(yù)防突發(fā)性故障產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳動機(jī)械中 80％的故障是由齒輪引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障的 10％左右?；?WVD 的缺點(diǎn)又提出了 ChoiWillams 分布法（CWD）和錐形分布法（CSD）等。Jamal Moshtagh 和 通過使用小波變換技術(shù)提出基于EMTP 軟件的分析功率分布系統(tǒng)瞬變信號的新方法，因?yàn)橛懈玫臅r(shí)間和頻率的定位特點(diǎn)，這種方法比起 FFT 和 STFT 都有明顯優(yōu)勢。第 節(jié) 本章小結(jié)在齒輪的振動信號為參量的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，因設(shè)備變工況運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、負(fù)荷變化以及因故障產(chǎn)生大量的沖擊、摩擦等狀況，導(dǎo)致非平穩(wěn)信號的產(chǎn)生。北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)8 齒面膠合和擦傷 齒輪兩嚙合齒面的金屬發(fā)生膠合磨損是在一定壓力下直接接觸的，焊合后有相對運(yùn)動，金屬從齒面撕落，或從一個(gè)齒面向另一個(gè)齒面轉(zhuǎn)移而引起損傷的現(xiàn)象，這是一種比較嚴(yán)重的損傷形態(tài)。（2（ 泡冒滴漏設(shè)備的潤滑油、齒輪油、動力轉(zhuǎn)向系油液、制動液等出現(xiàn)滲漏。 齒輪軸的轉(zhuǎn)動頻率及其各次諧波齒輪—軸系統(tǒng)的不平衡引起的離心慣性力，使齒輪一軸系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，當(dāng)轉(zhuǎn)動頻率接近齒輪—軸系統(tǒng)橫向振動的固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，轉(zhuǎn)軸大幅度的變形，又會惡化齒輪的嚙合關(guān)系，造成更大的振動。 由調(diào)制效應(yīng)而產(chǎn)生的邊頻帶齒輪存在形位、幾何誤差或出現(xiàn)故障時(shí)，會對齒輪嚙合振動產(chǎn)生調(diào)制作用，使得齒輪振動信號以調(diào)制波的形式表現(xiàn)出來。8)()sizgtft?頻率調(diào)制后的信號 為：??(??) (2齒輪有偏心時(shí)，將在兩個(gè)方面有所反應(yīng)：一是由于齒輪的幾何偏心所引起的，以齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為特征的附加脈沖幅值增大；二是齒輪偏心會引起以齒輪一轉(zhuǎn)為周期的載荷波動，從而導(dǎo)致調(diào)幅現(xiàn)象，這時(shí)的調(diào)制頻率為齒輪的回轉(zhuǎn)頻率，只是它所調(diào)制的嚙合頻率要小得多。使用 MATLAB 軟件，顯示每種齒輪振動信號的原始波形，如圖 2通過故障檢測手段的不同，可以將故障診斷分為對振動信號的診斷、對噪聲信號的診斷、對聲發(fā)射信號的診斷等，而這些診斷技術(shù)都是基于對采集信號的分析和處理，從信號中提取故