风力发电机、舰船和舵机等机械装备中齿轮传动系统的转速受载荷变化的影响,存在一定幅度的随机波动,导致其振动信号具有较强的非平稳性。而传统的齿轮故障诊断时频分析方法仅适用于转速恒定的工况条件,采用该类方法对变转速齿轮箱故障振动信号进行处理,会出现频率混叠现象,无法准确提取到齿轮故障特征,所以对非平稳转速齿轮故障诊断方法进行研究具有重要的工程应用价值。为研究非平稳转速齿轮故障振动信号特点,本文采用ADAMS机械系统振动特性分析软件,对故障齿轮振动信号进行仿真,并对比分析了平稳和非平稳转速条件下齿轮箱故障振动仿真信号的时频谱图。采用传统的时频分析方法,分别处理平稳和非平稳仿真信号,对该类方法应用于非平稳信号的不适用性进行验证。针对本课题研究的齿轮箱转速随机波动的特点,本文设计并搭建了非平稳转速齿轮箱故障诊断测试试验系统,通过增加单个齿面点蚀面积比率模拟齿轮故障的发展过程,制定了分别采用编码器触发和非编码器触发的非平稳转速齿轮故障诊断试验方案。针对非平稳转速齿轮故障振动信号具有非线性和多分量的特点,提出了基于微分固有时间尺度分解的时频分析方法,对故障振动信号进行微分处理,将信号中频率相近的分量区分开,再采用固有时间尺度分解方法对微分处理后的信号进行分解,将多分量信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的本征时间尺度分量之和,分离无关干扰噪声分量,提高信号的信噪比。针对非平稳转速齿轮故障振动信号具有强非平稳性的特点,提出一种无鉴相装置的基于改进Hilbert-Huang变换的非平稳转速估计的齿轮故障诊断方法,首先采用微分固有时间尺度分解方法对故障振动信号分解,去除噪声分量;再应用Hilbert变换用于求解故障振动信号瞬时频率,估计故障齿轮转速,实现非平稳故障振动信号的平稳化处理;最后采用阶比追踪的方法提取非平稳转速齿轮故障特征。