齿轮箱故障特征提取分析研究

2022-11-23 01:38庞敬礼

时代汽车 2022年21期

庞敬礼

江阴职业技术学院机电工程系江苏省无锡市 214405

1 小波包具体解释

小波包分解能够正交分解所有频带范围中的信号。小波包计算方法的基础理论就是使用二抽一运算方法，计算小波包分解的第一次结果中的高频与低频谱分布，意思就是每隔一个数值保留一个数值，得到其中的奇数部分抑或是偶数部分。第二步分解则是同时分解高频部分与低频部分，同样使用二抽一运算。使用这种计算方法得到的频率频分能够保持一致，如此这种运算分解方法能够反复延续（注意：分解次数不得大于等于L，N=2L是原来信号的长度），随着信号被不断分解，层数会随着不断增加，频率段也会随着不断变细。然而，类似于小波分解，信号在经过多层变化后会发生变化，每层变化都会减少一半数据量。将信号分解至j层的时候，j层里面每一个频率段中的数据量将会变成起初的1/2j倍。由此可见，随着分解的不断继续，每个频率段上的时域分辨率则会随之不断降低。为提升分辨率，研究后发现可使用信号重建这一方法。

信号重建就是将保留一段频率数据，将其余频段数据直接设置成零，接着使用重构式，对信号进行层层重构。经过重构后，一层重构一层数据加倍，j层重构即可将此频段的时域分辨率回复到原始大小。使用这一方法，还能将多个不同频段信号叠加重构。假设将全部频段中的信号结合重构，即可还原本来信号。

小波包的分解公式如下所示：

小波包重构公式：

2 齿轮箱故障特征提取

2.1 时域特征参量

为了对各种状态下的齿轮箱的振动信号进行分析，分别从以下几个角度分析时域特征因素。选择以下6个常用时域统计量作为时域特征参量。

2.1.1 有效值（有量纲）

有效值是信号的二阶矩统计平均，用来表达振动信号的能量。

2.1.2 峭度指标（无量纲）

反映振动信号中的冲击特征，是信号的四阶矩平均。

2.1.3 裕度指标（无量纲）

裕度指标一般用来衡量机械设备的磨损状态。

2.1.4 脉冲指标（无量纲）

脉冲指标用来检测信号中冲击信息的统计指标。一般采用峰值与平均值的比值。

2.1.5 峰值指标（无量纲）

峰值是指振动波形的单峰最大值。峰值指标是指峰值与有效值的比值。

2.1.6 歪度指标

歪度用来反映振动信号的非对称性。

2.2 小波包能量谱

以小波包分析为基础，建立小波包分解下的信号能量谱，以能量谱作为描述振动信号状态的时频域特征指标。基本思路如下：

假设原始信号为S，对原始信号进行小波包分析（WPA），提取三层小波包的小波能量谱。

（1）小波包分解。选择小波包类型，对原始信号进行三层分解。获取三个层次下的低频和高频系数。本文只对第三层系数进行分析，分别记作X30，X31，……X37。

（2）小波包重构。提取各个频带的特征信号。只对第三层的节点进行分析，重构后的信号分别为S30，S31，……S37。总信号S可以记作：S=S30+S31+……+S37。

（3）计算各个频带的能量。对第三层节点重构信号的所有能量进行计算。

（4）计算小波能量谱。

计算每个频带所占总能量的比例，并以此作为小波能量谱。

2.3 特征提取流程

根据研究前期所开展的分析，为了对齿轮箱齿轮的故障特征参量进行提取，文中使用时频分析法与时域分析发处理振动信号，进而构建综合特征参数。基本流程如图1所示。

图1 齿轮箱振动信号特征提取流程

3 实例分析

为进一步验证小波包能谱熵法测算信号的效果，本文利用实例进行分析，即对实验采集获得的齿轮箱振动时域信号进行研究分析。将采集获得的齿轮点蚀故障信号作为研究实例，详解深究特征提取法。按照齿轮箱在实验时真实的工作情况，将大齿轮点蚀下的某一组齿轮点蚀故障信号作为实例，来进行计算验证说明。这一信号的时域波形如图2所示。

从图2能够看出，在这一故障模式下，故障信号中的时域冲击具有一定的规律。