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旋转机械故障诱导振动信号调制效应研究综述：机理、提取方法与诊断应用
作者及机构
本文由Peng Zhou（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室）、Shiqian Chen（西南交通大学牵引动力国家重点实验室）、Qingbo He与Dong Wang（上海交通大学）、Zhike Peng（宁夏大学机械工程学院）共同完成，发表于2023年6月的《Mechanical Systems and Signal Processing》期刊第200卷。
研究主题
论文系统综述了旋转机械（如轴承、齿轮、转子）故障在振动信号中诱发的调制效应，涵盖调制机理、特征提取方法及其在故障诊断中的应用，旨在填补该领域系统性理论总结的空白。
观点：旋转机械故障会引发三类典型调制效应——周期性冲击效应（Cyclic impulsive effect）、齿轮啮合频率调制（Gear meshing FM effect）和转子旋转频率调制（Rotor rotating FM effect）。
论据：
- 周期性冲击效应：由轴承或齿轮局部缺陷（如点蚀、裂纹）引发，表现为共振频带附近的周期性幅值调制（AM），其频谱呈现以固有频率为中心、故障特征频率（FCF）为间隔的边带簇（图1）。McFadden等早期模型被扩展为广义形式（式1-3），引入傅里叶级数描述调制参数。
- 齿轮啮合FM效应：齿轮故障导致啮合频率随时间波动（式4-5），频谱中边带间隔与故障特征频率（Fs）或齿轮旋转频率（Fsr）相关（图2）。Feng等建立的太阳轮故障模型（式7-8）揭示了多级传递路径对边带结构的复杂影响。
- 转子旋转FM效应：转子碰摩故障引发基频及其倍频的周期性频率调制（式9-11），时频域表现为IF波动，频域则出现超谐波和次谐波（图3-5）。Zhou等通过动态建模证明调制特征对早期故障更敏感。
支撑理论：
- 现象学模型（Phenomenological models）用于描述轴承和齿轮故障的调制规律；
- 动力学建模（Dynamic modeling）用于分析转子非线性振动响应。
观点：时频分析（Time-Frequency Analysis, TFA）和信号分解（Signal Decomposition）是提取调制特征的核心工具，需根据信号特性选择方法。
论据：
- 时频分析：
- 非参数化方法（如短时傅里叶变换STFT、小波变换CWT）受限于Heisenberg不确定性原理，分辨率低。重分配方法（如同步压缩变换SST）通过系数重整提高分辨率（图7c），但抗噪性差。
- 参数化方法（如广义参数化时频变换GPTFT）通过设计参数化核函数（多项式、样条等）精确匹配非线性FM模式，抗噪性强但需先验知识（表2）。
- 信号分解：
- 时域方法：经验模态分解（EMD）及其改进算法（如EEMD）数据驱动但缺乏理论保障；原子分解（如匹配追踪MP）适用于瞬态冲击提取（表3）。
- 频域方法：变分模态分解（VMD）基于Wiener滤波理论，适用于窄带准平稳信号；经验小波变换（EWT）自适应划分频谱但易受噪声干扰。
- 时频域方法：广义解调（GD）和Vold-Kalman滤波（VKF）可分离频谱重叠的FM分量；变分非线性调频模式分解（VNCMD）能同步估计IA和IF（图8d）。
应用场景：
- 稳态工况：信号分解+包络分析（如VMD+包络谱）；
- 变转速工况：广义解调或VNCMD直接提取时变FCF（图7d）。
观点：不同故障类型需针对性选择特征提取策略，调制特征比传统频谱分析更敏感。
论据：
- 轴承故障：原子分解（如BP算法）可稀疏表示冲击成分（图6）；EEMD结合谱峭度能增强早期故障特征。
- 齿轮故障：SST可清晰展示时变啮合频率边带（图7c）；Warped VMD（WVMD）能分离密集FM分量（图7d）。
- 转子碰摩故障：VNCMD揭示的IF波动（图9）与1/3次谐波调制可诊断早期碰摩。
典型案例：
- 工业重油催化裂化机组转子碰摩信号分析中，VNCMD提取的9倍频分量呈现1/3周期调制（图9d），表明转子进入非线性运动阶段。
科学价值：
1. 首次系统整合了三类故障调制效应的机理模型与频谱映射关系，为复杂振动谱的解译提供理论框架；
2. 对比评述了20余种时频分析与信号分解方法，提出“根据FM模式选择方法”的通用准则（表2-3）。
工程应用价值：
1. 提出的WVMD、VNCMD等方法已成功应用于风电齿轮箱（图7）和航空发动机转子诊断；
2. 量化调制特征与故障严重度、工况参数的关系是未来工业落地的关键方向。
亮点：
- 创新性提出“谐波簇-边带分布”的调制效应统一解释模型（式3、7、11）；
- 指出时频域调制特征比传统频谱谐波更适用于早期故障检测（图8 vs 图3-5）。
注：专业术语中英文对照示例：幅值调制（Amplitude Modulation, AM）、频率调制（Frequency Modulation, FM）、故障特征频率（Fault Characteristic Frequency, FCF）、瞬时频率（Instantaneous Frequency, IF）。