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专利名称：利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法
技术领域：
本发明涉及机械设备故障诊断技术，具体涉及一种行星齿轮箱复合故障诊断方法。
背景技术：
工程实践表明，行星齿轮箱的故障通常并不单一，往往表现为齿轮及轴承的点蚀、剥落、磨损、胶合、裂纹、断裂、偏心、调制等复合故障。所谓复合故障是指同时发生两个或多个互相关联、交叉影响的故障。这些复合故障同时或级联出现，其振动信号常表现为故障特征的相互耦合。复合故障的产生给故障确诊带来更大的困难。目前，行星齿轮箱故障诊断中广泛应用的方法是小波变换、二代小波变换和经验模式分解，而对复合故障诊断缺少行之有效的信号处理方法。因此，研究开发先进的信号处理技术和方法，实现振动信号中耦合特征分离与故障特征识别，已成为行星齿轮箱故障诊断需要解决的关键问题和难点问题。 行星齿轮箱为典型的周转轮系，其行星齿轮的复合运动包括自转和公转，因此行星齿轮箱振动响应比定轴传动齿轮箱更复杂。其复杂性具体表现为多模式混淆和振动传输路径复杂导致故障响应微弱；载荷大范围瞬时波动引起振动强烈的非平稳性；多对齿轮啮合的振动相互耦合造成振动明显的非线性；低频特征频率成分噪声污染严重；动态响应信号频谱分布及特征频率的复杂。现有的定轴齿轮箱故障诊断理论和技术难以解决行星齿轮箱的故障诊断难题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种行星齿轮箱复合故障诊断的方法，该方法采用矩阵小波变换将多个故障特征分解到不同分支的信号中进行提取与识别，实现行星齿轮箱齿轮及轴承的点蚀、剥落、磨损、胶合、裂纹、断裂、偏心、调制等复合故障特征的一次性分离和诊断。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法，其特征在于，包括下述步骤(I)矩阵小波变换由多个尺度函数生成向量小波函数，该多个尺度函数和所述向量小波函数共同构成矩阵小波函数，其中，矩阵小波函数由如下多分辨分析生成，设函数Φ = [Φ!α), Φ2α)，…，ΦΓα)]τ e L2(R)r，r e N，其中 Φ^ ), Φ2( )，…，ΦΓ( )为多个尺度函数，对j e Z，定义Vj=Clos {2J/2 Φ j (2Jt-k) : I 彡 i 彡 r, k e Ζ}式中，尺度函数空间Vj由闭包函数clos { }张成，分辨率为2j ；小波函数空间Wj=Clos W72Vi (2jt_k) : I彡i彡r，k e Z}，是尺度函数空间Vj在VJ+1中的补空间，向量小波函数W = [i^(t)，￥2(t),···, ￥r(t)]T e L2(Rr的伸缩和平移张成了 W」空间
矩阵小波函数的两尺度方程为
权利要求
1.一种利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法，其特征在于，包括下述步骤 (1)矩阵小波变换由多个尺度函数生成向量小波函数，该多个尺度函数和所述向量小波函数共同构成矩阵小波函数，其中，矩阵小波函数由如下多分辨分析生成，设函数Φ =[Φ^ ), Φ2⑴，…，ΦΓ( )]τ e L2(R)' r e N,其中 Φ^ ), Φ2( ),…，ΦΓ( )为多个尺度函数，对j e Z，定义 Vj =1 ^ i ^ r, k e Z} 式中，尺度函数空间'由闭包函数clos{ }张成，分辨率为2% 小波函数空间Wj = ClosWv2I^dk) :1彡i彡r，k e Z}，是尺度函数空间Vj在VJ+1中的补空间，向量小波函数Ψ = [ΨΑ)，￥2(t),…，I(t)]T e L2(RF的伸缩和平移张成了 W」空间 矩阵小波函数的两尺度方程为 0(t) = J^Hk0{2t-k) k&Z k ￥(t) = J^Gk0{2t-h) keZk 式中，Hk，Gk分别表示矩阵小波变换的低通与高通滤波器，Ψ (t)是由尺度函数Φ (t)生成的向量小波函数； (2)将下述提升方法引入步骤(I)矩阵小波函数构造中，通过设计不同的提升算子改变原有矩阵小波函数滤波器的特性，得到不同性质的矩阵小波函数，所述提升方法为 给定一个初始矩阵小波滤波器组|#(2)，6(2),#(2)，<5(2)1，其中H(Z)为低通滤波器， 为对偶低通滤波器，g(z)为高通滤波器，<§()为对偶高通滤波器；构造的新矩阵小波滤波器组■(开JzXGnewCrX应—⑷戍辦⑷丨为Hnew(Z) = H(Z) Gnew (z) = T(z2) (G(z)+S (Z2)H (ζ))Hnmv{z) = H{z)-S\z2)G{z)= (Tt(Z2))-lG(Z) 其中Hnrat(Z)为新的低通滤波器，#_(r)为新的对偶低通滤波器，Gmw(ζ)为新的高通滤波器，0_(2)为新的对偶高通滤波器；提升矩阵S(Z)和T(Z)均为有限阶，T(Z)的行列式为单项式； (3)根据齿轮和轴承出现损伤将引起振动冲击以及故障状态确定的物理属性，利用信号处理的峭度最大和熵最小作为优化目标，在构造的矩阵小波函数库中选择具有优良性质的最优矩阵小波函数； (4)使用所构造的最优矩阵小波函数对振动信号进行自适应分解，将多个故障特征分解到不同分支的信号中进行提取与识别，实现行星齿轮箱复合故障特征的一次性分离和诊断。
2.如权利要求I所述的利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法，其特征在于，所述最优矩阵小波函数选择方法为峭度指标Kp对早期振动冲击型故障敏感，其定义为
3.如权利要求I所述的利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体方法为包括如下步骤 .1)采集到的行星齿轮箱振动信号为fk，以2维矩阵小波变换为例，重复采样的前处理方法具体表达如下式
全文摘要
本发明公开了一种利用矩阵小波变换的行星齿轮箱复合故障诊断方法，矩阵小波变换首先使用重复采样的前处理方式，将采集到的行星齿轮箱一维振动信号变换为多维输入信号；其次采用提升方法构造最优矩阵小波函数，利用所构造的最优矩阵小波函数对多维信号进行自适应分解，将多个故障特征分解到不同分支的信号中；然后采用包络谱方法提取和识别出各频带信号中表征的行星齿轮箱故障，结合故障机理分析，实现行星齿轮箱复合故障特征的一次性分离和诊断。该方法结果可靠，实时性好，简单易行，适用于卫通天线、风力发电机、重载起重机等设备传动机构的行星齿轮箱复合故障诊断。
文档编号G01M13/02GK102879196SQ20121036171
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者何正嘉, 孙海亮, 訾艳阳, 曹宏瑞, 李兵, 陈雪峰, 张周锁 申请人:西安交通大学