摘要
行星齿轮系统兼具高传动比、大功率、高效率及结构紧凑等优点，被广泛应用于
大型煤矿机械减速机等相关设备。由于煤矿行业机械设备运行环境复杂多变、设备长
时间持续运转等因素，减速机中的行星齿轮系统频繁发生故障，导致设备非计划停机，
造成不必要的经济损失，甚至人员伤害。在复杂的运行环境中冲击工况对设备运行的
影响最大，而现阶段诊断方法往往基于平稳工况下的振动信号进行解调分析，忽略了
非平稳性波动的偶然性，而这种偶然性往往引起工程人员对设备健康状况的误判，导
致故障诊断准确率较低。因此有必要开展针对冲击工况下行星齿轮系统故障诊断的研
究，了解冲击载荷作用时振动信号的变化规律，并针对其变化规律开展适当的故障诊
断方法研究，本文选取太阳轮点蚀故障作为研究对象，具体研究内容如下：
（1）冲击工况对啮合刚度变化规律的影响。考虑冲击工况引起的啮合齿轮相对
位移，运用有限元法建立齿轮啮合过程离散化的有限元模型。计算了冲击工况下的齿
轮啮合刚度以及含不同点蚀故障程度的齿轮副啮合刚度，分析了啮合刚度的变化规律。
结果表明冲击载荷作用使啮合刚度整体下降，而点蚀故障的存在使得齿轮副啮合刚度
出现局部明显下降。本章节得到的啮合刚度值将作为下一章节中仿真模型的重要输入
参数。
（2）冲击工况下行星齿轮系统振动信号的信号成分推导及系统动态特性研究。
利用信号的线性叠加保持性，在忽略幅值影响的前提下建立了信号模型，分析了信号
频域中各成分的分布特征。通过建立动力学仿真模型得到了系统的振动信号，并分析
了信号中主要成分的分布。将冲击载荷引入到模型中得到了冲击工况下的行星齿轮系
统振动信号，并对信号成分进行分析。由于冲击载荷作用，频谱中的特征频率出现混
叠影响故障诊断结果，而如何消除这种混叠现象将作为下一章的主要研究内容。
（3）冲击工况下的故障诊断方法研究。为了消除非平稳信号频域中的混叠现象，
提出了针对性较强的故障诊断方法。首先，采集设备运转的同步振动信号及转速脉冲
信号，然后将采集到的信号根据转速脉冲信号进行角域重采样，将非平稳信号转化为
平稳信号。最后，经过对比选用VMD-GWO分解算法对信号进行分解降噪，并运用边带
能量指标（SC）对故障程度进行了评估。通过实验验证完成了针对冲击工况下的行星
齿轮系统的故障诊断方法研究。
关键词：冲击工况；行星齿轮系统；故障诊断；动力学仿真模型；点蚀故障
I
II
ABSTRACT
Theplanetarygearsystemcombinestheadvantagesofhightransmissionratio,high
power,highefficiency,andcompactstructure,andiswidelyusedinlarge-scalecoalmining
machineryreducersandrelatedequipment.Duetothecomplexandever-changingoperating
environmentofmechanicalequipmentinthecoalminingindustry,aswellasthelong-term
continuousoperationofequipment,theplanetarygearsysteminthereducerfrequently
malfunctions,leadingtounplannedequipmentshutdowns,unnecessaryeconomiclosses,and
evenpersonalinjuries.Inacomplexoperatingenvironment,impactconditionshavethe
greatestimpactonequipmentoperation.Atpresent,diagnosismethodsareoftenbasedon
demodulationandanalys