基于扭振調制信號雙譜復合譜特征的行星齒輪箱故障診斷

摘要：【目的】相比直線振動信號，行星輪扭振信號不受行星輪通過效應和信號傳遞路徑的影響，頻譜結構更加簡單。因此，基于扭振信號開展行星齒輪箱故障診斷有望得到更好的診斷結果。提出一種基于扭振信號調制信號雙譜（Modulation Signal Bispectrum， MSB）分析的行星齒輪箱故障診斷新方法。【方法】首先，對編碼器信號使用希爾伯特（Hilbert）變換方法求解瞬時轉速信號；然后，對瞬時轉速信號進行MSB分析，尋找最優載波頻帶；最后，對選取的最優載波頻帶構建MSB最優載波頻帶復合譜，并作為行星齒輪箱的故障診斷特征。【結果】試驗結果表明，所提出方法可以更直觀地反映行星輪的故障狀態以及故障信息，驗證了該方法在行星輪故障診斷方面的有效性和優越性。

關鍵詞：扭振信號；調制信號雙譜；行星齒輪箱；故障診斷

中圖分類號：TH132. 425 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 017

0 引言

行星齒輪箱具有傳動效率高、工作壽命長、結構緊湊等特點，被廣泛應用于各種機械設備中，其工作狀態正常與否影響著整個傳動系統的工作效率。如何及時地發現行星齒輪箱的故障特征、避免造成重大事故，一直是國內外故障診斷領域的研究熱點。行星齒輪箱的故障診斷可為設備的精細化和智能運維提供關鍵的技術支持，對于設備的安全運行具有重要意義。盡早發現行星齒輪箱的故障征兆并進行快速有效的診斷，避免故障進一步惡化引發二次故障，對于降低維修成本和難度、提高設備安全可靠性具有十分重要的意義[1]。

當前，行星齒輪箱故障診斷中通常采用的直線振動信號分析方法存在一些局限性。例如，行星齒輪箱的直線振動信號具有噪聲強烈、頻率分量多、幅頻調制復雜等特點，使其故障診斷極為困難[2]。如何從行星齒輪箱復雜的調制信號中分離出故障特征，是開展行星齒輪箱故障診斷的關鍵。

GU 等[3]提出了調制信號雙譜（Modulation SignalBispectrum， MSB）分析方法；MSB是一種基于常規雙譜的解調方法，可以從復雜的調制信號中提取故障特征，而且具有良好的噪聲抑制和解調功能，特別適用于行星齒輪箱的故障診斷；應用MSB監控齒輪磨損惡化的程度，結果證明了MSB分析方法在電流信號分析故障檢測中的可行性。GUO等[4]提出了一種基于小波包能量和MSB的混合分析方法來診斷行星齒輪箱的故障；利用小波包分解（Wavelet Packet De?composition， WPD）將振動信號分解重構，得到重構信號；對重構信號進行MSB分析，得到故障特征頻率，用于行星齒輪箱的故障診斷。GUO等[5]還提出了一種基于增強平均（Enhanced average， EAVG）濾波器和MSB的行星變速箱故障檢測新方法；利用EAVG濾波器增強振動信號的脈沖分量，對濾波后的信號進行MSB 分析，提取故障特征；試驗分析驗證了EAVG-MSB檢測新方法在行星齒輪箱狀態監測和故障診斷中的可行性。HAN等[6]提出了一種用于揭示齒輪信號調制機制和監測齒輪健康狀況的調制信號雙譜方法，引入一種改進的相關向量機，并與MSB相結合，實現了對剩余使用壽命的預測。溫新宇等[7]提出了小波包能量和MSB邊帶估計相結合的齒輪磨損特征提取方法，選取小波包能量較高的頻段對信號進行重構，對重構信號進行MSB邊帶估計，以提取齒面的磨損特征。