学术研究报告：基于鲁棒调制频谱相关图（RMSC）的电机电流特征分析在齿轮箱故障检测中的应用
一、研究团队与发表信息
本研究的核心作者包括：Junchao Guo（天津理工大学机械工程学院/上海交通大学）、Qingbo He（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室）、Dong Zhen（河北工业大学机械工程学院）及Fengshou Gu（英国哈德斯菲尔德大学效率与性能工程中心）。该研究发表于IEEE Transactions on Industrial Informatics（2024年2月，第20卷第2期），标题为《Motor Current Signature Analysis Using Robust Modulation Spectrum Correlation Gram for Gearbox Fault Detection》。
二、学术背景与研究目标
科学领域：研究属于机械故障诊断与工业信息学的交叉领域，聚焦于齿轮箱的故障检测技术。
研究动机：传统振动信号分析方法需安装传感器，存在成本高、易受噪声干扰等问题；而电机电流信号分析（Motor Current Signature Analysis, MCSA）具有非侵入性、高可靠性等优势，但现有方法（如频谱相关SC）在低信噪比（SNR）和强基频干扰下表现不佳。
研究目标：提出一种新型鲁棒调制频谱相关图（Robust Modulation Spectrum Correlation, RMSC），解决SC方法中故障特征分布不均、易受干扰的问题，提升齿轮箱故障特征的提取精度。
三、研究方法与流程
1. RMSC算法的核心流程
- 步骤1：信号解调与双谱图生成
通过RMSC将电流信号解调为包含基频（fundamental frequency）和调制频率（modulation frequency）的双谱图，利用有限脉冲响应（FIR）滤波器分离基频与故障频率。
- 步骤2：子带信号分析与故障特征指数（FCI）计算
采用1/3二叉树FIR滤波器组对频谱分段，计算健康与故障状态下子带信号的FCI值，通过故障特征比率（Failure Signature Ratio, FSR）构建RMSC图，突出故障频带。
- 步骤3：最优频带选择与包络分析
选择FSR最大的子带作为最优频带，执行包络分析提取故障特征频率（如齿轮啮合频率及其边带）。
2. 实验验证设计
- 仿真模型：构建含基频（50 Hz）和故障频率（15 Hz、23 Hz）的电流信号，添加SNR=-5 dB的高斯噪声，验证RMSC在强噪声下的鲁棒性。
- 实验数据：采用英国哈德斯菲尔德大学齿轮箱测试台的数据，包括输入轴齿轮断齿和输出轴齿轮不对中两种故障，采样频率100 kHz，数据长度300万点。
3. 对比方法
与快速峭度图（Fast Kurtogram, FK）和Autogram方法对比，通过周期性调制强度（PMI）指标量化RMSC的噪声抑制能力。
四、主要研究结果
仿真分析
- RMSC在SNR=-5 dB下准确识别故障频率（15 Hz、23 Hz）及其组合频率（如±8 Hz），而FK和Autogram存在干扰频率残留（图7-9）。
- PMI指标显示，RMSC在不同SNR下均优于对比方法（图10），证明其抗噪能力。
实验验证
- 输入轴断齿故障：RMSC检测到旋转频率（fr1=14 Hz、fr2=63.28 Hz）及其边带，FK和Autogram未能完全分离干扰（图15-17）。
- 输出轴不对中故障：RMSC成功提取fr2=13 Hz和fr3=56.25 Hz的调制特征，而对比方法在低频段保留无关成分（图19-21）。
逻辑关联性
RMSC通过FSR优化频带选择，解决了SC方法中故障特征能量分布不均的问题，其双谱积分策略（公式17）显著提升了故障频率的信噪比。
五、研究结论与价值
科学价值
- 提出RMSC算法，首次实现基频与调制频率的分离，弥补了SC方法的理论缺陷。
- 开发的FSR指标为故障频带选择提供了量化标准，推动了MCSA领域的特征提取技术进步。
应用价值
- 无需额外传感器，仅通过电机电流信号即可实现齿轮箱早期故障检测，适用于航空航天、新能源车辆等领域。
- 在低SNR和强基频干扰下仍保持高精度，具有工程推广潜力。
六、研究亮点
方法创新：
- 结合1/3二叉树滤波器组与双谱分析，提出RMSC图，解决了传统方法频带划分粗糙的问题。
- FSR指标首次将健康与故障状态的FCI比值用于频带优化。
技术优势：
- 仿真与实验均表明，RMSC的PMI值比FK和Autogram平均提高30%以上。
- 算法可扩展至其他旋转机械故障诊断，如轴承、转子系统。
七、其他有价值内容
- 局限性：RMSC在大型机械中的有效性尚未验证，未来需进一步研究其适应性。
- 数据公开：实验数据来自公开测试台，结果可复现性高。
（注：全文术语首次出现时保留英文原词，如“信噪比（SNR）”“有限脉冲响应（FIR）”）