的振動(dòng)數(shù)據(jù)為正常標(biāo)準(zhǔn)樣本，計(jì) 算不同級(jí)數(shù)、不同故障模式下的散度指標(biāo)，通過(guò)觀察各故障特征集合所對(duì)應(yīng)的散度指標(biāo)值 的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)行星齒輪箱故障模式以及嚴(yán)重程度的識(shí)別。即利用J-散度和KL-散度， 通過(guò)對(duì)風(fēng)電行星齒輪箱處于不同狀態(tài)下的故障特征集合所對(duì)應(yīng)的幅值進(jìn)行計(jì)算，一次性實(shí) 現(xiàn)了風(fēng)電行星齒輪箱故障模式的識(shí)別以及故障嚴(yán)重程度的量化，避免故障診斷分析過(guò)程中 的重復(fù)操作。通過(guò)對(duì)行星齒輪箱不同運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)按步驟（1)、（3)所述計(jì)算散度 指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)散度指標(biāo)J-散度和KL-散度可以作為復(fù)雜結(jié)構(gòu)行星齒輪箱的故障診斷參數(shù)。并最 終總結(jié)出針對(duì)行星齒輪箱的故障診斷流程，如圖5所示。
[0087] 下面針對(duì)本發(fā)明方法的具體操作步驟做一詳細(xì)的分析和解釋說(shuō)明如下，：
[0088] 步驟1，齒行星輪箱振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理。風(fēng)電機(jī)組行星齒輪箱處于變轉(zhuǎn)速、變工況的 工作環(huán)境下，其采集的振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，如直接進(jìn)行頻譜分析，很難得到清晰的頻譜 圖，這對(duì)齒輪箱的故障診斷產(chǎn)生很大的困難，為了得到清晰正確的頻譜圖，采用階比重采樣 技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行角域重采樣，得到的頻譜圖中的階比固定不變，便于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分 析。
[0089] 階比重采樣技術(shù)的核心在于獲得相對(duì)參考軸的恒定角增量采樣數(shù)據(jù)，因此需要能 準(zhǔn)確獲得階次采樣的時(shí)刻及相應(yīng)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)階次跟蹤。常見(jiàn)的階次跟蹤方法有硬 件階次跟蹤法、計(jì)算階次跟蹤法和基于瞬時(shí)頻率估計(jì)的階次跟蹤法等。本發(fā)明采用計(jì)算階 次跟蹤法，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的重采樣計(jì)算。
[0090] 實(shí)際的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)一般情況下都含有多種干擾成分，這就使得其故障特征的 提取變得比較困難。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)可以根據(jù)信號(hào)的 局部時(shí)變特性，自適應(yīng)的將任意一個(gè)復(fù)雜信號(hào)分解為一系列分量，通過(guò)相關(guān)系數(shù)法則對(duì)信 號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，剔除原始信號(hào)中的干擾成分。
[0091] 當(dāng)齒輪發(fā)生故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)都具有調(diào)制特征，從信號(hào)中提取調(diào)制信息，并分析 其強(qiáng)度和頻次就可以判斷故障的部位和損傷程度。信號(hào)包絡(luò)譜，可反映周期性的沖擊及其 劇烈程度。
[0092] 步驟2，故障特征頻率計(jì)算。風(fēng)電機(jī)組齒輪增速箱結(jié)構(gòu)多樣，傳動(dòng)比大，為減小齒輪 箱的尺寸，一般為行星齒輪結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對(duì)某一風(fēng)電機(jī)組行星齒輪箱進(jìn)行分析，其行星齒輪 箱由兩級(jí)行星輪、一級(jí)平行齒輪構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0093] 風(fēng)電機(jī)組行星齒輪箱的兩級(jí)行星輪系和平行級(jí)齒輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
[0094] 風(fēng)電行星齒輪箱一般分為行星輪系、平行級(jí)齒輪，對(duì)于行星輪系和平行級(jí)齒輪，其 故障可分為局部故障和分布式故障。在單級(jí)行星齒輪箱中，太陽(yáng)輪-行星輪和行星輪-齒圈 兩種嚙合副的嚙合頻率相同。通常齒圈固定不動(dòng)，太陽(yáng)輪、行星輪和行星架旋轉(zhuǎn)，在這種情 況下，嚙合頻率：
[0095] fm=fcZr= (fs(r)-fc)Zs (1);
[0096] 式中：ZjPZs分別為齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù);fm為嚙合頻率;f。為行星架的旋轉(zhuǎn)頻率； fsW為太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率。
[0097] 太陽(yáng)輪局部故障特征頻率為：
[0098]
(2)；
[0099] 式中：fm為嚙合頻率;ZsS太陽(yáng)輪齒數(shù);N為行星輪數(shù)量，匕為太陽(yáng)輪局部故障特征 頻率;行星輪局部故障特征頻率為：
[0100]
⑶；
[0101 ]式中：fm為嚙合頻率;ZPS行星輪齒數(shù);fP為行星輪局部故障特征頻率;齒圈局部故 障特征頻率為：
[0102]
(4);
[0103] 式中：fm為嚙合頻率;fr為齒圈局部故障特征頻率;N為行星輪數(shù)量，Zr為齒圈齒數(shù)。
[0104] 行星齒輪箱中各種齒輪的分布式故障特征頻率等于齒輪相對(duì)行星架(太陽(yáng)輪和齒 圈故障）或齒圈（行星輪故障）的旋轉(zhuǎn)頻率。已知行星齒輪箱的嚙合頻率fdP某個(gè)齒輪的齒 數(shù)Z g，則該齒輪相對(duì)行星架(太陽(yáng)輪和齒圈故障)或齒圈(行星輪故障）的旋轉(zhuǎn)頻率：
[0105] fg = fm/Zg (5)；
[0106] fg該齒輪相對(duì)行星架(太陽(yáng)輪和齒圈故障）或齒圈（行星輪故障）的旋轉(zhuǎn)頻率，zgs 某個(gè)齒輪的齒數(shù);則太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障的特征頻率分別為：
[0107] fs' =fm/Zs (6);
[0108] fp-=fm/ZP (7)；
[0109] fr-=fm/Zr (8)；
[0110] 式中：fm為嚙合頻率;f s，、f P，、f r，太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障的特征頻率;Zs 為太陽(yáng)輪齒數(shù);ZP為行星輪的齒數(shù);Zr為齒圈齒數(shù)。
[0111] 以與主軸相連接的一級(jí)行星輪系的行星架為參考轉(zhuǎn)速，對(duì)行星齒輪箱中各級(jí)的各 個(gè)齒輪的局部故障和分布故障的特征階比進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。
[0112] 步驟3,行星齒輪箱故障特征量的提取。行星輪系局部故障，可分為太陽(yáng)輪局部故 障、行星輪局部故障和內(nèi)齒圈局部故障。對(duì)于太陽(yáng)輪局部故障振動(dòng)信號(hào)，在包絡(luò)譜中，峰值 出現(xiàn)在太陽(yáng)輪的局部故障特征頻率f s、太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率fsW、以及它們的組合fs土fs (1：)等位置處。若考慮太陽(yáng)輪局部故障特征頻率的倍頻和太陽(yáng)輪絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率的倍頻作為調(diào) 制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在太陽(yáng)輪局部故障特征頻率及其倍頻nf s、太陽(yáng) 輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻mfsw、及其組合nfs±m(xù)f sw等位置處。對(duì)于行星輪局部故障，在 包絡(luò)譜中，峰值出現(xiàn)在行星輪局部故障特征頻率fp、行星架的旋轉(zhuǎn)頻率fc、以及它們的fp ± fci且合等位置處，若考慮行星輪局部故障特征頻率的倍頻和行星架旋轉(zhuǎn)頻率的倍頻作為調(diào) 制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在行星輪局部故障特征頻率及其倍頻nf p、行星 架的旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻mfc、以及它們的組合nfP±m(xù)f c等位置處。對(duì)于齒圈局部故障，在包絡(luò) 譜中，峰值出現(xiàn)在齒圈局部故障特征頻率fr位置處，若考慮齒圈局部故障特征頻率的倍頻 作為調(diào)制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在齒圈局部故障特征頻率及其倍頻nf r位 置處。
[0113]行星輪系發(fā)生分布故障，在包絡(luò)譜中，峰值出現(xiàn)在齒輪分布式故障特征頻率fg、行 星輪通過(guò)頻率Nfc、及其組合fg ± Nfc等位置處。若考慮齒輪分布式故障特征頻率的倍頻和行 星輪通過(guò)頻率的倍頻作為調(diào)制頻率的情形，則在包絡(luò)譜中，峰值將出現(xiàn)在齒輪分布式故障 特征頻率及其倍頻nf g(n為正整數(shù)）、行星輪通過(guò)頻率及其倍頻mNfcXm為正整數(shù)）、以及它們 的組合nfg±m(xù)Nf c等位置處。
[0114]定軸齒輪發(fā)生包括齒根部有較大裂紋、局部齒面磨損、輪齒折斷、局部齒形誤差等 局部故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)波形是以齒輪旋轉(zhuǎn)頻率為周期的沖擊脈沖，在頻率域表現(xiàn)為包含 旋轉(zhuǎn)頻率的各次諧波mfr(m=l，2，· · ·）、各階嗤合頻率nfm(n = l，2，· · ·）以及以故障 齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率為間隔的邊頻nfm±m(xù)fr(n，m=l，2· · ·)等。
[0115] 定軸齒輪發(fā)生分布故障時(shí)，其頻域特征表現(xiàn)為嚙合頻率及其諧波分量nfm(n=l， 2，· ··）在頻譜圖上的位置保持不變，但其幅值大小發(fā)生改變，而且高次諧波幅值相對(duì)增 大較多。分析時(shí)，要分析3個(gè)以上諧波幅值的變化，從而從頻譜上檢測(cè)出這種特征。
[0116] 根據(jù)上面所述，在階比譜和階比包絡(luò)譜中選取能表征故障類型的特征頻率處的幅 值為特征量，表不為行星輪系局部故障為=[4、ΑχΜ、4/,、4?/:、Api#;、 行星輪系分布式故障[為、.（7?.];平行級(jí)嗤合齒輪故障表=[4?*、為、4^..±?ι4 ] n=l，2,3,其中平行級(jí)嚙合齒輪故障歸為一個(gè)特征向量，此向量從階比圖中提取，行星輪系 的特征向量從包絡(luò)譜中提取。
[0117]步驟4,故障模式及嚴(yán)重程度的識(shí)別。J-散度(J-divergence)是一種譜距離，可以 作為一種狀態(tài)識(shí)別的指標(biāo)，它能很好地反映兩個(gè)信號(hào)的相似程度，克服時(shí)域分析中的相位 問(wèn)題，很顯然，同一信號(hào)的J-散度為零。
[0118]
?9>·
[0119]式(9)中，S為樣本信號(hào)的幅值譜；τ為待檢信號(hào)的幅值譜;J( S，τ)為兩者之間的J-散度，Ν為信號(hào)幅值譜中幅值的個(gè)數(shù)，i為信號(hào)幅值譜中幅值的序列。
[0120] J-散度作為一種狀態(tài)識(shí)別的指標(biāo)，它能很好地反映兩個(gè)信號(hào)的相似程度，克服時(shí) 域分析中的相位問(wèn)題，很顯然，同一信號(hào)的J-散度為零。
[0121] KL-散度(Kullback-Lcibler divergence，KLD)，用來(lái)度量分布P和Q之間的差異 性，典型情況下，P表不數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表不數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分布。
[0122] 對(duì)離散分布，P和Q的KL-散度定義為：
[0123]
(10);
[0124]式（10)中，P表不數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表不數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分 布;Dkl為數(shù)據(jù)P和Q的KL-散度，i為數(shù)據(jù)的序列號(hào);P(i)為序列號(hào)i所對(duì)應(yīng)的P數(shù)據(jù)點(diǎn);Q(i)為 序列號(hào)i所對(duì)應(yīng)的Q數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0125] 也有人稱其為KL距離，但是它并不是嚴(yán)格的距離概念，其不滿足三角不等式。所 以，把它變?yōu)閷?duì)稱形式：
[0126] D，ki(P| |Q) = [Dki(P| |Q)+Dki(Q| |P)]/2 (11)；
[0127]式（11)中，P表不數(shù)據(jù)點(diǎn)真實(shí)分布，Q表不數(shù)據(jù)的理論分布、模型分布或P的近似分 布;D ' ki數(shù)據(jù)點(diǎn)P、Q之間的對(duì)稱散度值。
[0128]當(dāng)齒輪箱正常時(shí)，本文所選擇的故障特征階比的幅值為0或很小，而當(dāng)發(fā)生故障 時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的故障階比的幅值發(fā)生很大的變化，這使得采用采用散度指標(biāo)的算法得以實(shí) 現(xiàn)，對(duì)上述所選特征量進(jìn)行J-散度和KL-散度計(jì)算，計(jì)算方法:首先收集風(fēng)電行星齒輪箱的 正常狀態(tài)的樣本，表示正常情況下的標(biāo)準(zhǔn)樣本，分別表示一級(jí)行星輪系、二級(jí)行星輪系和平 行級(jí)齒輪故障樣本，對(duì)每一樣本進(jìn)行階比重采樣、EMD重構(gòu)信號(hào)以及進(jìn)行階比譜、Hilbert包 絡(luò)譜分析，尋找對(duì)應(yīng)的故障特征階比，形成對(duì)應(yīng)故障特征階比的幅值集合，最后計(jì)算待檢樣 本和標(biāo)準(zhǔn)樣本的故障特征集合之間的J-散度和KL-散度，定位故障位置以及故障模式，對(duì)行 星齒輪箱的故障實(shí)現(xiàn)完全的診斷。
[0129]本發(fā)明在時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換時(shí)的分辨率的原理推出，角域信號(hào)進(jìn)行FFT的分辨 率為2π/θ，其中Θ為角域信號(hào)的長(zhǎng)度。本發(fā)明的信號(hào)為matlab仿真信號(hào)，信號(hào)中忽略齒輪箱 中軸承以及各齒輪之間的影響，假設(shè)各齒輪箱傳動(dòng)級(jí)之間的振動(dòng)影響不存在，對(duì)本發(fā)明的 方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證針對(duì)行星輪系處于正常、分布故障、局部故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)模型參考文 獻(xiàn)，這里就不再贅述。
[0130]由此，可以仿真行星齒輪箱各級(jí)處于正常工況時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為：
[0131 ] xi(t)=A · [1-cos(2jt · 3fci · t)]cos(2JT · fmi · t+θι)
[0132] (12)；
[0133] +B · [ 1_cos(2jt · 3fC2 · t)] · cos(2jt · fm2 · t+02)+C · cos(2jt · fm3 · t+03)
[0134] 行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為：
[0135]
[0136] 行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生分布故障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)模型為：
[0137]
[0138] 式（12)~（14)中