：Xl(t)、X2(t)、X3(t)為行星齒輪箱處于正常一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪 發(fā)生局部故障、分布故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)序列;t為時(shí)間序列；φ、供為初始相位;f ml、 fm2、fm3為各級(jí)嚙合頻率;f、f。2為一、二級(jí)行星架的旋轉(zhuǎn)頻率；乂 (廠為一級(jí)太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋 轉(zhuǎn)頻率;fsl、fsl，為一級(jí)太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障和分布故障時(shí)的特征頻率;A、B、C為無(wú)量綱常 數(shù)，行星齒輪箱各個(gè)狀態(tài)時(shí)值會(huì)有所不同，這里就不再詳述。各個(gè)振動(dòng)信號(hào)采用頻率為 8192HZ。
[0139] 步驟5,在步驟1、步驟4的基礎(chǔ)上，以行星齒輪箱的正常、行星齒輪箱一級(jí)行星輪系 太陽(yáng)輪局部故障、行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪分布故障時(shí)的振動(dòng)信號(hào)為例來(lái)進(jìn)行分 析。
[0140]圖2是行星齒輪箱正常振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)階比角域重采樣以及EMD重構(gòu)后的平穩(wěn)角域 信號(hào)圖，其信號(hào)長(zhǎng)度為，進(jìn)行階比譜、階比包絡(luò)譜分析，可以看出，采用階比重采樣技術(shù)可以 有效避免振動(dòng)信號(hào)非平穩(wěn)特點(diǎn)引發(fā)的頻率冗雜、難以分析的特點(diǎn)，通過(guò)EMD分解消噪后重構(gòu) 后的階比譜和包絡(luò)譜清晰，容易找到對(duì)應(yīng)的特征階次，避免噪聲對(duì)有效信號(hào)的干擾。
[0141] 圖3為行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生局部故障采集的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)階比重采 樣和EMD分解重構(gòu)后的階比譜。可以看出，階比譜中一級(jí)行星輪系嚙合頻率附近出現(xiàn)邊頻 帶，與正常時(shí)對(duì)比發(fā)生很明顯的變化，同時(shí)對(duì)比正常與故障的階比包絡(luò)譜，故障時(shí)的調(diào)制成 分發(fā)生很大的變化，與正常標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行散度指標(biāo)的計(jì)算，正常時(shí)故障特征階比集合所對(duì) 應(yīng)的故障階比的幅值很小，甚至為〇,而發(fā)生故障時(shí)其故障特征階比的幅值變化很大，通過(guò) 與正常樣本進(jìn)行散度指標(biāo)的計(jì)算，可以確定，散度指標(biāo)越大，發(fā)生故障的可能性越大，可以 確定故障發(fā)生的粗略位置以及故障的嚴(yán)重程度。
[0142] 圖4為行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪發(fā)生分布故障時(shí)所采集的振動(dòng)信號(hào)，該振 動(dòng)信號(hào)經(jīng)階比重采樣和EMD分解重構(gòu)后進(jìn)行頻譜分析和包絡(luò)譜分析。由圖可以看出，階比譜 中一級(jí)行星輪系嚙合頻率附近出現(xiàn)邊頻帶，與正常時(shí)對(duì)比發(fā)生很明顯的變化，同時(shí)對(duì)比分 布故障與局部故障的階比譜可以發(fā)現(xiàn)有很大的不同，觀察階比包絡(luò)譜可以看出，故障信號(hào) 中存在復(fù)雜的調(diào)頻信息，計(jì)算故障特征向量對(duì)應(yīng)的幅值的散度指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布故障 進(jìn)行有效的診斷，同時(shí)也可以有效的識(shí)別出局部故障和分布故障。
[0143] 以風(fēng)電行星齒輪箱為研究對(duì)象，對(duì)行星齒輪箱進(jìn)行拆分為一級(jí)行星輪系、二級(jí)行 星輪系、平行級(jí)齒輪三部分，同時(shí)行星輪系故障分為局部故障、分布式故障，暫不考慮軸承 的影響，同時(shí)相比較基于散度指標(biāo)的軸承故障診斷，其所采用的對(duì)樣本之間進(jìn)行散度指標(biāo) 的計(jì)算，來(lái)觀察之間的相似性，而行星齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺少特定的故障樣本數(shù)據(jù)，對(duì)故障 位置、故障模式的確定具有更大的難度，決定采用故障樣本只與正常標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行散度指標(biāo) 計(jì)算，輸入散度指標(biāo)的故障特征向量分別為一級(jí)行星輪系A(chǔ)n、A 12，二級(jí)行輪系A(chǔ)21、A22，平行 級(jí)齒輪A3,通過(guò)計(jì)算觀察某一故障特征向量較其他發(fā)生很大變化來(lái)確定故障發(fā)生的位置以 及故障模式，本發(fā)明對(duì)行星齒輪箱正常標(biāo)準(zhǔn)樣本N與行星齒輪箱一級(jí)行星輪系太陽(yáng)輪局部 故障、分布故障樣本的故障特征向量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析，找出行星齒輪箱故障發(fā)生的哪一 級(jí)以及哪一種故障模式，即此樣本故障發(fā)生位置和模式，再通過(guò)對(duì)An進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，完全 推出故障發(fā)生的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的完全診斷，計(jì)算散度指標(biāo)如表3樣本&、S 7所示，表3是風(fēng) 電機(jī)行星齒輪箱各類故障模式下的故障樣本與正常狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)樣本之間的J-散度和KL-散度值。
[0144] 同時(shí)表3也羅列了其他位置發(fā)生故障時(shí)各個(gè)故障樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的J-散度、KL-散 度值的變化，可以發(fā)現(xiàn)故障樣本與正常標(biāo)準(zhǔn)樣本的散度指標(biāo)計(jì)算值越大，可以確定此樣本 為在此故障特征向量所包含的故障模式集合，這樣可以基本鎖定齒輪箱發(fā)生故障的位置和 類型，通過(guò)對(duì)此故障特征集合進(jìn)行細(xì)致區(qū)別計(jì)算，可完全診斷出故障位置和模式，樣本Si、S 7 在上述的基礎(chǔ)上，樣本Si、S7散度指標(biāo)的細(xì)化計(jì)算為表4所示。
[0145] 由表4可以看出，經(jīng)過(guò)散度指標(biāo)的計(jì)算可以完全的診斷出行星齒輪箱的故障模式 及其位置，這使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維人員可以完全避免查看復(fù)雜的頻譜圖，通過(guò)觀察一些指標(biāo) 的變化可以診斷出齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，診斷變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)散度指標(biāo)的大小也可以衡 量故障的嚴(yán)重程度。具體的行星齒輪箱故障中診斷流程如圖5所示。
[0146] 表1風(fēng)電行星齒輪箱結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0147]
[0148] 表2行星齒輪箱故障特征頻率計(jì)算。
[0149]
[0150]表3風(fēng)電機(jī)行星齒輪箱故障樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本之間的J-散度和KL-散度。
[0151]
[0152] 表4樣本Si、S7散度指標(biāo)的細(xì)化計(jì)算。
[0153]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特征是：具體操作步驟如 下： (1) 根據(jù)階比重采樣技術(shù)，將變工況風(fēng)電行星齒輪箱傳感器所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù) 處理，將非線性、非平穩(wěn)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有平穩(wěn)性的角域信號(hào);是基于線性插值方法的 非平穩(wěn)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)的階比重構(gòu)技術(shù)，將等時(shí)間間隔采樣的非平穩(wěn)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為具 有平穩(wěn)特性的角域振動(dòng)信號(hào)，保證行星齒輪箱振動(dòng)角域信號(hào)的整周期性;EMD經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 方法根據(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； (2) 行星齒輪箱不同于傳統(tǒng)定軸齒輪箱，針對(duì)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及診斷的難度，將行星齒輪 箱的故障分級(jí)進(jìn)行診斷;行星輪系的故障分為兩類:分布故障和局部故障;對(duì)行星輪系的分 布故障和局部故障的特征頻率的進(jìn)行分析計(jì)算，形成一個(gè)頻率集合，并在階比重采樣的技 術(shù)下，頻率轉(zhuǎn)化為階比，相應(yīng)的故障特征階比不會(huì)隨工況的變化而變化，形成固定的故障特 征集合； (3) 提取故障特征集合；W行星齒輪箱為研究對(duì)象，按齒輪級(jí)數(shù)把行星齒輪箱分為= 級(jí):一級(jí)行星輪系、二級(jí)行星輪系和平行級(jí);并按故障模式總體分為分布故障和局部故障兩 類，最終把行星齒輪箱的故障特征集合分為5個(gè)子集合，此時(shí)把平行級(jí)齒輪故障集合歸結(jié)為 一個(gè)子集合，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)行星齒輪箱的分級(jí)分類診斷； (4) 故障診斷參數(shù)；由J-散度和化-散度兩個(gè)散度值的計(jì)算過(guò)程可W看出，兩個(gè)散度值 可W計(jì)算兩個(gè)樣本之間的差異程度;根據(jù)行星齒輪箱在處于正常狀態(tài)和故障狀態(tài)時(shí)其故障 特征階比所對(duì)應(yīng)的幅值會(huì)發(fā)生變化，計(jì)算步驟(3)中得到的5個(gè)子集合中故障特征階比所對(duì) 應(yīng)的幅值之間的散度值變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)行星齒輪箱的故障診斷；可W說(shuō)明散度值可W充 分作為行星齒輪箱故障診斷的特征參數(shù)； (5) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；W行星齒輪箱處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)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W及嚴(yán)重程度的識(shí)別；即利用J-散度和化-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W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-散度和化-散度可W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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:根據(jù)步驟(1)所述的根據(jù)階比重采樣技術(shù)，將變工況風(fēng)電行星齒輪箱傳感器所采集的 振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(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，運(yùn)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； 階比重采樣技術(shù)的核屯、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;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； 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，運(yùn)就使得其故障特征的提取 變得比較困難;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解化mpirical Mode DecompoS ition, EMD)可W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； 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W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。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:根據(jù)步驟(2)所述，行星齒輪箱不同于傳統(tǒng)定軸齒輪箱，針對(duì)其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及診斷的 難度，將行星齒輪箱的故障分級(jí)進(jìn)行診斷;實(shí)現(xiàn)行星輪故障特征頻率計(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，其風(fēng)電行星齒輪箱由兩級(jí)行星輪、一級(jí)平行齒輪構(gòu)成； 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)； 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-齒圈兩種曬合副的曬合頻率相同；通常齒圈固定不動(dòng)，太陽(yáng) 輪、行星輪和行星架旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)種情況下，曬合頻率： fm = fcZr= (fs(r)-fc)Zs (I); 式中：Zr和Zs分別為齒圈和太陽(yáng)輪的齒數(shù);fm為曬合頻率;f。為行星架的旋轉(zhuǎn)頻率;f S W 為太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率； 太星輪局部故障特征頻率為：(2)； 式中：fm為曬合頻率點(diǎn)為太陽(yáng)輪齒數(shù);N為行星輪數(shù)量，fs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：持)； 式中：fm為曬合頻率;Zp為行星輪齒數(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：(4)； 式中:fm為曬合頻率;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)； 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;已知行星齒輪箱的曬合頻率fm和某個(gè)齒輪的齒數(shù)Zg, 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： fg = fm/Zg 巧）； 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，Zg為某個(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： fs' =fm/Zs (6); f P' 二 fm/Zp ( 7 ); fr-=fm/Zr (8); 式中：fm為曬合頻率;f S '、fp'、fV太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障的特征頻率點(diǎn)為太 陽(yáng)輪齒數(shù);Zp為行星輪的齒數(shù);Zr為齒圈齒數(shù)； W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。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散度指標(biāo)的變工況風(fēng)電行星齒輪箱故障診斷方法，其特 征是:根據(jù)步驟(3)所述的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 fs、太陽(yáng)輪的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率fsW、W及它們的組合fs±fsW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