风能作为一种高效清洁的能源越来越受到人们青睐。齿轮箱作为风力发电机组的关键部件,比较容易产生故障,而风力发电机工作环境复杂,维修难度大且费用较高。因此齿轮传动系统的状态监测及早期故障诊断对保持设备的正常运行具有重要意义。本文以齿轮传动系统为研究对象,分析局部故障下的动态特性,研究齿轮传动系统故障机理,为后期故障诊断提供理论依据。本文主要研究内容如下:首先,研究齿轮动力学模型主要激励,分析齿轮系统的典型失效模式及产生原因。时变啮合刚度作为主要的内部激励,比较不同的刚度计算方法。考虑齿轮时变啮合刚度,齿间滑动摩擦,齿间啮合阻尼,建立了6自由度齿轮动力学模型。其次,考虑实际齿廓曲线,将齿廓分为齿廓过渡曲线和渐开线曲线两部分,分别给出啮合点在每部分的截面面积和截面惯性矩。采用能量法,在健康齿轮刚度算法的基础上分析了轮齿裂纹沿齿深方向扩展时的刚度变化规律,并根据裂纹是否穿过轮齿中心线分情况讨论。计算了轮齿单一剥落缺陷的时变啮合刚度,并且研究了剥落缺陷对剪切刚度、弯曲刚度、轴向压缩刚度和赫兹刚度的影响。通过分析齿轮剥落缺陷的演变规律,给出了齿面多个剥落缺陷的计算公式,并计算了不同故障程度的时变啮合刚度。然后,将不同裂纹扩展长度刚度和不同剥落宽度的齿轮刚度带入模型,采用龙格-库塔法仿真方法求解了齿轮传动系统在竖直方向的振动位移响应。结果显示在故障尺寸较小的情况,故障特征不易提取,冲击不明显;随着故障尺寸增加,时域信号中的冲击逐渐增大,频谱中的边带越来越多。研究了断齿故障的动力学响应,并利用实际信号验证了断齿理论模型的准确性。最后,针对早期故障特征不明显的现象,提出了一种对刚度进行分段的方法。分别给出了裂纹和剥落缺陷的刚度曲线分段方式,将刚度分段后对应的每一段信号进行短时傅里叶变换,并对信号在时频域进行分析,在时频谱图中可以识别故障并确定故障位置。分别在时域和频域计算不同统计指标对不同裂纹扩展程度和不同剥落程度的敏感度。结果表明,脉冲因子对故障特征较敏感。