齿轮-转子系统是旋转机械的主要构成成分,在旋转机械越加繁复和大型化的趋势下,齿轮-转子系统在高转速、重负载的恶劣境况下运行已成为常态。系统的运行意味着频繁的机械异常,如负载故障、较大的扭矩动态变化以及由内部或外部因素引起的扭转振动。在这种情况下,当多个应力作用于机械零件时,会发生过早的失效,并超过设计限制。其中齿轮传动系统的故障尤为突出,齿面胶合、点蚀、齿根裂纹、断齿是其主要的故障形式,尤以断齿危害最大。与此同时,转子系统的不平衡也时刻妨碍着整个系统的正常运行,甚至发生安全事故。因此,建立不同载荷激励下的齿轮-转子仿真模型并对齿轮-转子系统进行故障诊断方法研究为现实生产提供了重要的理论基础并对实际工程应用也有重大意义。首先,以一级齿轮箱及其连接的双跨转子系统为研究对象,通过建立齿轮-转子系统仿真模型研究其载荷激励和断齿及磨损故障下的动力学机理。由于齿轮传动时单双齿啮合的不断交替导致的齿轮啮合刚度的时变性及其所连接的转子系统的固有的不平衡现象,以转子系统动力学、齿轮系统动力学以及拉格朗日方程为基础构建了齿轮-转子系统的弯扭耦合数学模型,并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。数值仿真了正常情况、断齿及磨损故障信号,并通过信号发生器模拟不同的载荷激励,通过观察其时频图解析了不同载荷和故障激励下所引起的系统动力学响应。当系统在正常情况下其电动机的输出转速稳定不变,而在施加恒定载荷后电动机的输出转速降低但依旧稳定,所采集的振动信号幅值增大,其转频及啮合频率相对变小但明显;而在施加冲击、线性等非稳态载荷后,电动机的输出转速随载荷的变化趋势而发生改变,因而从动轮的转速不稳定并致使所采集的振动信号的转频及啮合频率随时间发生变化,故障激励下时域波形冲击周期不在恒定,其啮合频率、故障转频及倍频也变得模糊。其次,针对齿轮-转子系统故障诊断方法研究,提出了改进EEMD和模糊C均值聚类相结合的故障诊断方法。在EEMD最佳迭代次数的选取中,以归一化处理的相关系数、峭度、均方根作为寻优指标获得重构高频信号₁x,用小波阈值分解对原始信号进行提纯消噪得到低频信号x₂,将₁x和x₂叠加重构获得信号x₃。对信号x₃进行故障特征提取,构建包含峰值、波形指标、脉冲指标、裕度指标、信号能量、均方根等6项特征参数在内的特征向量库,通过模糊C均值聚类进行最终的故障分类。最后,搭建齿轮-转子试验台系统,根据故障类型、载荷类型制定的试验方案,进行不同类型载荷激励下的不同故障类型的试验。对仿真信号和试验信号进行特征提取和故障诊断,以此验证了仿真模型的有效性和改进EEMD与FCM结合的故障诊断方法的可行性。最终为齿轮-转子系统的动力学特性分析及故障诊断提供了理论与试验支撑。