文摘

行星齿轮箱广泛应用于直升机、风力涡轮机、矿山机械、等等。行星齿轮箱的结构和运动类型更复杂与一个固定轴相比,这使得行星齿轮箱的状态监测和故障诊断的实际应用中的一个具有挑战性的问题。为了理解行星齿轮箱振动的基本性质,本文进行了调查单级行星齿轮箱的振动特征。假设齿轮箱和传感器的速度反向旋转行星架,这个问题可以转化为两个简单的部分:研究固定轴齿轮箱信号模型,研究影响传感器的旋转。基于这样的假设,行星齿轮箱的振动信号模型。实验数据被用来验证模型。

1。介绍

装备制造业的发展提出了迫切需求高性能传输。与传统的固定轴传动系统相比,一个行星变速箱结构紧凑,重量轻,而其承载力,传动精度和效率要高得多。因此,行星变速箱已经广泛应用于直升机、风力涡轮机、矿山机械、等等。然而,这些高性能传输的可靠性是一个关键问题在实际应用中,由于齿轮箱故障的发生可能导致灾难性事故和造成严重的经济损失。因此,有必要进行行星齿轮箱状态监测和故障诊断,从而降低设备运营成本和风险。

一般来说,行星轮系齿轮箱由一个太阳齿轮,环形齿轮、行星架,和几个行星齿轮。与一个固定轴传动系统相比,一个行星轮系组合旋转运动风格。行星齿轮旋转的轴,沿着中央太阳齿轮。multi-gear-meshing造成的复合运动导致时变振动传播路径,这在行星变速箱产生独特的非平稳动态响应。复合运动诱导非平稳加上非平稳轮系失败造成的,这使得它在行星齿轮箱状态监测一个具有挑战性的问题。

齿轮箱的动态响应分析是一个重要的一步揭示故障根源及其响应特性。例如,Ericson和帕克(1]研究了转矩变化对行星齿轮固有频率的影响,模式形状,和阻尼参数。Bartelmus et al。2)进行故障检测和诊断在固定轴和行星变速箱时变的非平稳操作,建立了齿轮箱动力学模型来理解相关的故障现象通过振动信号的分析。顾和Velex3)提出了一个集总参数模型分析影响行星齿轮的行星位置错误。应该注意的是,齿轮箱动力学模型应该建立在某些简化的基础上,削弱非常复杂工作环境下的可行性。

在行星齿轮箱状态监测和诊断,早期研究单独的行星齿轮啮合振动信号并通过时域平均太阳齿轮(TSA)技术(4]。基于这个想法,Forrester (5)提出了一种信号过滤技术实现时域平均为每个单独的行星齿轮。但是,TSA技术的基础上,建立了转速恒定,而实际应用限制信号分离精度的变化速度。最近,很多研究了行星齿轮箱故障诊断。果园和Vachtsevanos6)提出了一种基于位置对直升机行星轮系的诊断和预后的框架。Barszcz和兰德尔(7)提出了一个齿裂纹检测方法在风力涡轮机变速箱使用谱峰度。Lei et al。8)两个诊断参数分析的基础上提出行星变速箱的振动特性。冯和左9]研究了振动信号行星齿轮箱故障诊断模型。文献[10)进行一个全面的调查在行星齿轮箱故障诊断的最先进的技术。

工程实践表明,不同的故障类型和啮合所产生的振动信号组件可能展示各自的波形特征,和动态信号收集的设备是一个整体的描述这些振动源(11- - - - - -14]。由于行星轮系具有复杂的运动风格,由行星轮系振动诱导不同从一个固定轴传动装置系统。为了理解行星轮系振动的基本性质和发展可靠的故障诊断方法,有必要分析行星齿轮箱在不同条件下的振动特性。

一般来说,大部分的行星齿轮箱故障诊断工作关注的故障特征提取和故障识别。本文的目的是研究行星轮系的振动特点,和行星齿轮信号模型假设行星变速箱和传感器获得的反向旋转的速度。这一研究获得的结果可能会提供一种新的方式理解错误行为和发展新的故障诊断方法。实验数据收集从一个行星齿轮箱试验台是用于验证发达齿轮箱故障信号模型识别。

剩下的纸是组织如下。部分2简要描述本研究的假设是由。部分3给出了理论计算公式,行星轮系啮合频率和频率特征。部分4显示振动信号模型基于假设的发展中定义的部分2。节5介绍了行星齿轮箱试验台,和这个试验台的振动数据用于模型验证。最后,结论部分进行了总结6。

2。假设在行星齿轮箱振动特性分析

齿轮箱运行的过程中,不同啮合齿或者连同轮系旋转,产生齿轮啮合振动引起的周期性轮齿啮合刚度的变化。如果牙齿故障存在于行星齿轮箱,它引入了周期性脉冲或严重的振动信号中调制现象,和相应的特征频率与故障齿轮的旋转频率相对于行星架(9]。

给定一个行星轮系,通常是环形齿轮是固定的,而承运人和行星齿轮结合在一起,如图1。在这篇文章中,,,,代表环形齿轮、行星齿轮、太阳齿轮和行星架。此外,旋转速度,齿轮齿的数量,是行星齿轮的数量。

在行星轮系传动比的计算,通常假定整个齿轮组相对地旋转载体速度,和一颗行星轮系传动比的计算转换为固定轴传动装置。同样,在行星齿轮振动特性的分析,假设齿轮箱和传感器相对地与行星架的速度旋转。然后,分析行星齿轮箱振动可以简单分为两个部分:固定轴的齿轮组振动分析和传感器的固定轴旋转运动的影响齿轮组振动信号。除非另有规定,“相对”这一术语在本文中是指行星架的相对运动。

3所示。行星轮系啮合频率和频率特征

3.1。齿轮啮合频率

当一个行星齿轮完成一个亲戚革命,它与太阳有相同数量的啮合齿齿轮和环形齿轮。因此,太阳齿轮行星齿轮的啮合频率等于行星齿轮的啮合频率环形齿轮。考虑到行星轮系图所示1,如果太阳齿轮的转动频率轴被称为,然后啮合频率可以计算为

3.2。太阳齿轮的特征频率

(1)太阳齿轮与分布式故障特征频率。给定一个分布式故障在太阳齿轮,啮合条件的改变是在一个周期内太阳齿轮完成一个亲戚革命。然后,太阳齿轮相应的特征频率的分布式故障()等于相对旋转频率:

(2)与当地故障特征频率的太阳齿轮。假设当地太阳齿轮故障存在。在当地断层与行星齿轮啮合,振动信号是由一个脉冲调制信号。本地故障退出啮合区域时,振动信号返回正常状态。在一个革命的太阳齿轮,这样调制现象发生次了。假设这些调制条件是相同的;太阳齿轮与当地断层的特征频率()是倍的相对旋转频率:

事实上,由于制造和装配误差的存在,在行星齿轮、行星架、和环形齿轮振动信号的调制现象引起的太阳齿轮故障区域网格可能不是相同的。本文利用模拟信号进一步讨论这个案子。

行星轮系如图1作为一个例子。假设由太阳齿轮啮合振动信号的振幅和行星齿轮是1,啮合频率30 Hz,太阳齿轮的相对旋转的频率是1 Hz。当太阳齿轮局部故障,故障区域网格三行星齿轮的振幅产生调幅(AM)现象产生的这些啮合过程2、3和4分别。为了简化目的,调频(FM)现象并不认为,它假定调制信号是方波的波形。图2显示时域波形及其频谱。它可以观察到,谱线的值()显然是大,而其它谱线相对较小。因此,即使行星齿轮的制造和装配错误,行星架,和环形齿轮被认为,太阳齿轮的固有频率与当地仍然可以被视为错误是一致的(3)。

3.3。行星齿轮的特征频率

(1)行星齿轮与分布式故障的特征频率。给定一个分布式故障在行星齿轮,啮合条件的改变是在一个周期内行星齿轮完成一个亲戚革命。因此,相应的行星齿轮与分布式故障特征频率()等于行星齿轮的相对旋转频率:

(2)与当地故障特征频率的行星齿轮。假设当地断层存在于一个行星齿轮的齿。在当地断层与太阳齿轮和环形齿轮网格,振动信号是由一个脉冲调制信号。本地故障退出啮合区域时,振动信号返回正常状态。在一个行星齿轮的革命,这种调制情况发生一次。因此,行星齿轮的固有频率与单面本地故障()等于相对旋转频率:

如果当地断层发生行星齿轮齿两边,振动信号调制在一个周期内发生了两次革命。尽管这两个的振幅调节可能不同,可获得相似的结果讨论的太阳齿轮局部故障特征频率。因此,行星齿轮的固有频率与双边当地断层相对旋转频率的两倍:

3.4。环形齿轮的特征频率

类似的结果太阳齿轮特征频率,环形齿轮与分布式故障的特征频率()和环形齿轮与当地故障的特征频率(),分别为:

4所示。行星轮系振动信号模型

4.1。改造后固定轴齿轮传动系统的振动信号模型

一对齿轮在工作条件下,啮合齿的数量变化或者在啮合过程中。这导致轮齿啮合刚度的周期性变化,造成齿轮啮合振动。由于在制造和装配过程中,不可避免的错误和故障齿轮,齿轮啮合条件变化频繁。变化是与齿轮相对旋转周期密切相关,和它产生幅值调制和频率调制现象在原始信号。因此,错误的齿轮啮合引起的振动信号可以被描述为振幅和频率调节: 在这里,和调幅和调频功能,分别为: 在这里,特征频率。,,是常量,代表振动信号的振幅,点,分别和调频。

在齿轮局部故障时的振动信号的采集,其调制信号是一个周期性的脉冲。因为表达的周期函数可以近似正弦函数和余弦函数的无穷级数,振幅调制函数和频率调制函数引起的局部故障可以表达的(10)和(11)。

为简化的目的,我们只分析的基本频率(9)~ (11)。也就是说,只的情况被认为是。然后,(9)可以简化为

此外,我们有 在哪里是阶第一类贝塞尔函数的变量。

根据(13),(12)可以扩展

三角函数的性质后,我们有 然后,(14)可以进一步扩大 在哪里特征频率,,,。自,,是常数(16)可以进一步简化三角函数的性质,它可以获得 在这里,和是常数相关的,,,,,。

根据(17),一系列显然出现在啮合频率()故障的齿轮,邻国之间的间隔显然等于齿轮故障的特征频率()。如果我们考虑到谐波()的啮合频率,显然出现在的位置()。

4.2。传感器旋转振动信号的影响

鉴于不同的振动传播路径,传感器旋转的影响可能不是相同的。假设太阳齿轮故障存在。如图3,太阳齿轮之间的啮合过程引起的振动和行星齿轮可能传递给传感器通过3路径。

在路径1中,振动从啮合点,通过行星齿轮,齿圈,和齿轮箱的情况下,最后到达信号测量。在路径2中,振动从啮合点,通过行星齿轮轴承,行星架的轴,轴承,齿轮箱的情况下,终于到达信号测量的点。在路径3中,振动从啮合点,经过太阳齿轮,太阳齿轮轴的轴承,齿轮箱的情况下,终于到达信号测量的点。路径中有多个组件2和路径3,导致严重的信号衰减与路径1。因此,本文只考虑了信号传播路径1。

假设行星齿轮系简化为固定轴齿轮火车,和错误存在于某一齿。由于传感器的运动,相对故障区域和传感器之间的距离不断变化,考虑到时间传感器和啮合点之间的距离是最近的。与旋转运动的行星轮系的中心周围的传感器,传感器逐渐从啮合品脱,叶子和振动的振幅收集的传感器变得越来越小。传感器移动到最远的距离时,振动强度最弱的一个。传感器的进一步运动导致较小的距离,和收集到的振动变得更强。事实上,在纺丝过程中传感器,采集信号的频率可能会少量的变化。一旦传感器一个周期围绕轮系并返回最接近的位置距离与啮合点,采集信号的振幅和频率有一个周期的变化。因此,传感器的影响,围绕中心轮系可以被描述为振幅调制和频率调制过程。

4.3。行星轮系的振动信号模型

一方面,(17)描述振动信号模型的固定轴轮系行星轮系的改变。另一方面,传感器旋转的影响是导致振动信号幅值调制和频率调制现象。为了简化目的,只考虑基本频率的调制现象,和振动信号收集的传感器可以被描述为 在这里,是原始振动信号,其表达式所示(17);传感器的相对旋转频率,其值等于行星架的旋转频率;信号衰减系数;是振幅调制的力量。

替代(17)(18),可以得到以下结果: 在哪里和()是两个常数。

因此,在收集到的振动信号传感器旋转的影响可以被描述为谱线的出现在的位置周围显然()。

如果我们考虑啮合频率的谐波、调制效应的谐波,显然的位置(,)。在这里,是相应的齿轮故障的特征频率。

应该注意的是,经过一段时间的变速箱齿轮运行受到一定程度的磨损。此外,错误也可能是制造和装配过程中引入的。所有这些可能会导致一些变化信号的理论模型。

5。案例研究

5.1。实验装置

在本文中,一个实验是一个单级行星齿轮箱进行。齿轮箱的模型类型是NGW11,变速箱传动比为12.23。提供了其他参数表1。该试验装置包括一个单级行星齿轮箱,驱动电动机,磁粉制动器,和一个控制和数据采集系统,如图所示4。在实验中,IMI 603 c1传感器安装在齿轮箱的顶部。NI pci - 4472数据采集卡是用于数据收集、采样频率为80赫兹,和采样时间是30秒。图5显示正常的行星齿轮和错误的,错在哪里人为地播种。

5.2。数据分析

齿轮箱运行一段时间后,振动信号的收集,和图6显示信号的频谱。从图6221.694赫兹的啮合频率,可以观察到的,这是由最高的蓝色虚线图。剩下的蓝色虚线对应的组合调制现象造成的行星架旋转和环形齿轮误差。绿色dash-dot线代表行星齿轮的特征频率和调制现象显然由行星架转动引起的。红色和紫色dash-dot线对应太阳齿轮特征频率和调制现象显然由行星架转动引起的。因此,它可以从图6实际边带分布信号频谱的行星齿轮箱振动信号模型是一致的部分4所示。3。

为了验证提出了振动故障诊断的模型,两块正常齿轮箱的振动信号采集与行星齿轮的故障被用于比较。表2从这些信号显示了一些时域统计指标计算。图7的时域波形显示在正常条件和行星齿轮变速箱故障。图8显示了两个信号的光谱一阶啮合频率。

从表2可以看出,所有故障振动信号的统计指标高于正常的信号。RMS的增加表明,断层的存在导致更强的振动。峰值、峰值系数和故障信号的峰度几倍的计算从正常的信号,这意味着存在明显的脉冲在时域信号。事实上,比较数据7(一)和7 (b)也证明了脉冲在齿轮故障的存在条件。

在图8虚线代表啮合频率(虚线)最高的位置,显然行星架转动引起的调制现象和环形齿轮误差(剩下的虚线的位置)。dash-dot线的特征频率对应于行星齿轮(最高的位置dash-dot线)和显然的调制现象引起的行星架转动(剩余dash-dot线的位置)。通过对比数据8(一个)和8 (b),它可以观察到行星齿轮的振幅特征频率和相应显然行星齿轮故障后显著增加。具体来说,可以找到明显的谱线的二次谐波特征频率的行星齿轮(即与分布式故障。,行星齿轮的固有频率与双面齿故障)。

基于上述分析结果从时域统计指标、时域波形,和显然的出现,它可以得出结论,存在行星齿轮变速箱的失败。

6。结论

行星变速箱已经广泛应用于直升机传动系统,风力涡轮机和工程机械。然而,由于其结构复杂,传统的状态监测方法为固定轴传动系统不适合行星变速箱。有必要开发新行星齿轮箱状态和故障诊断的方法。

本研究的目的是探讨行星轮系的振动信号模型,这有助于我们理解行星齿轮箱的故障现象和发展可靠的故障诊断方法。假设整个变速箱相对地绕太阳齿轮中心的行星齿轮的速度旋转。然后,行星齿轮箱故障诊断可分为两个任务:固定轴的齿轮箱故障诊断和振动信号传感器旋转的影响。基于的假设,建立了行星齿轮箱故障振动信号模型,该模型为我们提供了一个方法理解不同的行星齿轮箱的故障现象。行星齿轮箱试验台建成,试验台的振动数据验证该模型。进一步,提出了振动信号模型成功地确定了行星齿轮变速箱故障,这可能是有用的在发展中行星齿轮箱故障诊断方法从振动信号中提取频谱使用信息。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究部分由中国国家自然科学基金(批准号51275554和51275554)和2012年的机械传动国家重点实验室开放项目,重庆大学(批准号sklmt - kfkt - 201205)。作者也要感谢吕洋先生他的帮助在测试平台设置在这个研究。