行星齿轮箱是大型设备的传动枢纽,兼具能量传输与转换功能,广泛应用于直升机、风力发电机等装备之中。由于长期服役于低速、重载等恶劣环境,其关键部件如齿轮、轴承等一旦发生故障,轻则影响设备的健康运行,重则引发恶性事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此,如何有效揭示其关键部件的故障特性,及早采取防范措施,保证设备可靠安全的运行,始终是故障诊断领域中的研究热点。近年来,国内外对行星齿轮系统诊断方的法研究取得了一定进展,但对于部件的运行模式、传递效应与振动响应,特别是故障响应之间缺乏有机的联系,从而导致振动响应表征欠佳、频谱诊断方法过于复杂、故障位置演化规律揭示不足以及诊断数据长度选取缺乏指导等问题,难以满足工程应用的需求。针对上述问题,本文以行星齿轮系统中的关键零部件为对象,开展基于振动方式的故障诊断方法研究,主要研究内容和创新点总结如下:(1)行星齿轮系统振动信号现象学模型修正齿轮健康状态下的振动响应分析和建模是了解系统振动特性的关键工作。本文研究了行星齿轮系统振动现象学模型构建的方法,基于模型推演、运动学规律、实验仿真分析,揭示了传统建模方面对于频谱结构分析、模型构建频率选择以及现有模型难以普适性表达振动响应等问题。通过深入研究振动传递规律,重建了行星轮时变相位与传递效应之间的合理表示关系,进而提出了修正模型,实现对系统振动响应的普适性表达。对比研究表明,修正后的模型具有更强的振动响应表征能力。(2)故障特征频率幅值解析及其诊断应用针对传统频谱分析诊断复杂、难以量化识别等问题,本文研究了利用少量边频带幅值实现故障诊断的方法。基于经典故障现象学模型,提取出与故障直接相关的特征频率成分,并解析出其幅值表达式,揭示了影响频率幅值的关键因素,建立了与故障之间的映射关系。考虑系统实际运行过程中转速轻微波动的情况,提出设置带宽的方法对该映射关系进行改进,实现了对不同部件的量化诊断。(3)故障位置演化规律揭示针对目前齿轮故障位置演化规律尚未得到有效总结,缺乏通用性描述等问题,本文研究了故障位置时变特性对传感器捕获故障振动信号的影响,揭示了确定故障位置规律的重要性。考虑到故障位置的时变特性以及不确定性,深入研究部件之间的相互运行关系,提出求解该演化规律的方法,并归纳出通用表达式。通过选择系统实际参数,利用几何推演方法验证了该表达式的正确性。研究表明,故障啮合位置规律仅与行星系统的部件参数相关,是一种系统固有特性。(4)故障位置演化规律的诊断应用针对传统故障现象学模型对故障特性表征不足的问题,本文建立了故障演化规律与故障振动强度之间的表征关系,进而提出改进模型,并以此为基础,解析出由故障位置规律引发的一系列边频带成分。实验分析表明,由故障啮合位置变化规律引起的边频带成分幅值可作为初步判别故障的依据,同时也验证了改进模型的优越性。此外,分析并建立了故障位置演化规律与数据长度之间的有机联系,利用不同故障部件的实验数据,探索出实现有效诊断的最短数据长度。