冷變性特征值的選取及應用

李 悅，張煜欣

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北武漢，430070）

冷變性特征值的選取及應用

李 悅，張煜欣

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北武漢，430070）

當齒輪產生裂紋時，其嚙合剛度變化引起的振動響應特征是實現裂紋故障診斷的重要依據。建立含有齒根裂紋故障的齒輪傳動系統的8自由度動力學模型，利用龍格庫塔法求解；在對求得的故障響應取多種特征值，通過對比比較選出具有冷變性的特征值。測試不同裂紋情況下不同轉速的振動的故障響應，試驗結果與數值分析結果相符，為齒輪傳動裂紋故障診斷提供了理論基礎。

冷變性；動力學方程；故障診斷

0　前言

故障預測對于預知處于工作狀態的部件因突然失效而導致的災難的發生有很重要的意義。故障預測特征選擇方法是實現故障預測功能的關鍵，它決定了故障預測的準確和有效。

近些年來，很多學者對提取的故障的預測特征值進行了一些研究。浙江大學的曹志彤等人，利用小波系數診斷電機故障。華北電力大學的辛衛東研究在經典振動信號分析。本文將齒輪看作一個振動系統，對其建立各種相應的動力學模型，獲得各種狀態下的齒輪振動仿真信號，運用時域法，尋找時域響應的波形指標等，然后分析特征值與齒輪工作狀態之間的關系，提取對故障敏感而與工況無關的特征參數，并通過試驗驗證。本文中定義具有這類特性的特征值的性質為冷變性。

1　齒輪時變嚙合剛度計算

本文用能量法對含齒根裂紋故障的齒輪的時變嚙合剛度（TVMS）進行計算。

2　齒輪系統的動力學模型建立

齒輪的動態響應可以通過動態總成參數建模來提取。

齒輪的動力學模型建立如下公式（1）：

時變嚙合力可表示為

時變摩擦力可以表示為

3　帶齒根裂紋的動態響應與不同程度齒根裂紋響應的特征值提取

3.1帶齒根裂紋的動態響應提取

當齒輪箱輸入軸轉頻為600r/min時，故障特征頻率大小為10Hz。采用龍格庫塔法求解動力學微分方程，響應值的時域波形如圖 1 所示：

圖1　25%裂紋動力學響應

圖 1所示的裂紋程度為25%的響應信號圖，可以觀察到故障裂紋以0.1s的周期出現，頻率為故障齒輪所在軸的轉頻10Hz，記為。將圖1局部放大，可以看到齒輪嚙合一周所出現的20個嚙合周期，每個嚙合周期大小為0.005s，如圖 2 所示。即齒輪嚙合時會出現一個相對較大的沖擊，這個周期出現的頻率為嚙合頻率，大小為200Hz記為。由于轉頻對于嚙合頻率是一個調頻過程，所以對齒輪的動態響應做FFT后不僅可以觀察到嚙合頻率及其倍頻，如圖3所示，而且還能在嚙合頻率的周圍會存在邊頻帶，這些邊頻帶的出現與主動輪的轉頻有關對于帶裂紋的齒輪嚙合響應做包絡譜，如圖4所示，可以發現齒輪嚙合時的轉頻及其倍頻。

圖2　帶裂紋齒輪嚙合動力學響應放大效果圖

圖3　帶裂紋齒輪嚙合動力學響應的頻譜圖

圖4　帶裂紋齒輪嚙合動力學響應的包絡圖

3.2不同齒根裂紋動力學響應在時域法中的特征值提取

特征值，比如均方值，是一種經常被用在狀態監測和故障診斷的指標。本文采用均方值、波形指標、裕度指標和小波熵作為特征值。本文中，需要尋找一種滿足冷變性的特征值。在360-840r/ min的情況下，根據裂紋程度，圖5給出了計算所得的特征值以及比較結果。

從圖5中可以看出，均方值、波形指標和小波熵這三種特征值對裂紋變化比較敏感。比較裂紋程度相同時候不同轉速情況下三種不同特征值的值的大小情況，如表1所示：

表1　特征值參數在同種裂紋不同轉速下的比較

從表格中可以知道，只有波形指標滿足上文所說的冷變性條件，而均方值和小波熵雖然在對于裂紋的靈敏度和跟隨性很好，但是其值大小在轉數變化下變化很大。

圖5　歸一化的特征值值在不同轉速和裂紋的情況下的比較

4　試驗驗證

試驗設備中齒輪參數除了齒輪個數為37，其他參數不變，故障頻率f1與仿真相同，嚙合頻率fe為370Hz。對信號進行EMD分解后，在第二個分量，圖6中可以發現其波形與齒輪出現局部損傷故障時沖擊信號波形非常相似。

因而，可以先對試驗信號進行分解后再取其特征值，以獲得更加明顯的特征值。如圖8所示，在10%～60%裂紋程度下，求不同轉速下除去噪后的分量波形指標，比較結果如圖：

可以發現，試驗結果與仿真信號基本吻合。

5　結論

（1）建立齒輪傳動系統的動力學模型，可以有效的揭示含裂紋的齒輪振動響應的機理。

（2）信號的眾多特征值中存在一些具有冷變性特征的特征值，這些特征值在可以忽略轉速的影響設備進行對狀態監測和故障診斷的指標。

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The selection and application of cold degeneration characteristic value

Li Yue，Zhang Yuxin
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of The Patent Office，Wuhan Hubei，430070）

When gear crack is put forward，its mesh stiffness change caused by vibration response characteristics is the important basis to realize the crack fault.8 degrees of freedom dynamic model of gear transmission system with root crack fault was built using runge kutta method.A variety of characteristic values were obtained from the fault response. Select the characteristic value of cold denaturation by comparing different values.Test fault response of vibration in different rotating speed during different cases. The results of test are consistent with the results of numerical analysis， which provides a theoretical basis for the gear crack fault diagnosis.

cold degeneration characteristic value；dynamic model；fault diagnosis

圖6　20%裂紋狀態下的響應

圖7　信號分解后的第二個分量的頻譜圖

圖8　試驗信號不同轉速和裂紋程度情況下的波形指標

注：本文第二作者（張煜欣）對文章貢獻等同第一作者。