Hilbert-Huang變換提取齒輪箱故障特征方法研究

張志斌,王 菁,宋曉菲（.河北省石家莊市9469部隊,石家莊 050070； .河北省石家莊市發展和改革委員會信息中心,石家莊 0500；.河北慧云電子科技有限公司,石家莊 050000）

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Hilbert-Huang變換提取齒輪箱故障特征方法研究

張志斌1,王 菁2,宋曉菲3
（1.河北省石家莊市93469部隊,石家莊 050070； 2.河北省石家莊市發展和改革委員會信息中心,石家莊 050011；3.河北慧云電子科技有限公司,石家莊 050000）

摘 要：本文在研究了Hilbert-Huang變換的原理和它在非線性、非平穩信號分析中的獨特優勢的基礎上，重點研究了利用經驗模態分解和Hilbert-Huang變換提取齒輪箱故障特征的方法，實驗證實，通過對齒輪箱的振動信號進行經驗模態分解，并對分解得到的IMF分量進行包絡譜分析，能夠準確實現對齒輪箱內齒輪的故障定位。

關鍵詞：Hilbert-Huang變換；經驗模態分解；齒輪箱；故障診斷

1 Hilbert-Huang變換簡介

Hilbert-Huang變換（簡稱HHT）是Norden E.Huang等人于1998年首次提出的一種新的信號分析理論。Hilbert-Huang變換應用經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition 或EMD）理論將信號分解成相互獨立的若干固有模態（Intrinsic Mode Function 或IMF）的和，并對每個IMF進行Hilbert變換得到信號的瞬時頻率和幅值，從而給出信號隨時間和頻率變化的精確表達，因而可以用于對信號的局部行為做出精確的描述。

2 基于Hilbert-Huang變換的齒輪箱故障特征提取

單級傳動的齒輪箱輸入軸齒輪齒數為28,輸出軸齒輪齒數為36, 電機轉速為1473r/min,輸入軸回轉頻率為24.55Hz,輸出軸回轉頻率為為19.11Hz,齒輪嚙合頻率為688Hz。在從動軸齒輪齒根處加工寬0.1mm、深3mm的小槽以模擬齒根裂紋。測量得到的振動信號及其功率譜如圖1所示。

圖1 齒根裂紋故障時的振動時域波形（左）及其自功率譜波形（右）

從功率譜圖中能找到嚙合頻率及其二倍頻,但沒有邊帶信息,因此難以判斷故障發生的部位。將振動信號進行EMD分解，進而可以得到IMF信號的包絡譜，圖2所示即為EMD分解得到的9個分量中的前3個。圖3為IMF3信號的包絡譜，可以很清晰地看到故障齒輪所在的輸出軸的頻率特征。

圖2 齒根裂紋故障信號的EMD分解

圖3 IMF3信號的包絡譜

參考文獻：

［1］N.E.Huang, The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non-stationary Time Series Analysis, J. Proc. R. Soc. Lond. A, 1998, 454：903-995

［2］張志斌.基于頻響修正的齒輪箱故障診斷研究［D］.石家莊：軍械工程學院,2004.

［3］Huang NE, Wu ML, Long SR, et al. A confidential limit for th e empirical mode decomposition and Hilbert spectrum analysis ［J］. eedings of the Royal Society of London. A （2003）,459：2317-2345.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.008

基金項目：國家自然科學基金（51306058, 71102174）；河北省科技支撐計劃重點項目（15212204D）