行星齿轮箱状态监测和故障诊断概述

行星齿轮箱状态监测和故障诊断概述摘要行星齿轮箱与定轴齿轮箱截然不同，具有独一无二的特性，因此，在定轴齿轮箱上应用良好的故障诊断方法并不适用于行星齿轮箱。对定轴齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究已经很多，但是对行星齿轮箱在这方面的研究还不足，然而，我们发现关于行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的文献已经出现在学术期刊、会议纪要和技术报告中。这篇论文的目的就是回顾和总结这些文献，并为对这个方向感兴趣的研究人员提供综合的参考。本文对行星齿轮箱和定轴齿轮箱的结构作了简单介绍和对比，阐述和分析了行星齿轮箱独有的特征和故障特点，基于目前可采用的方法对行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究进展进行了总结。最后，讨论了目前存在的问题，指出了潜在的研究方向。1.引言由于行星齿轮箱具有大传动比和重载特征，其被广泛应用在航空航天、汽车和重工行业，例如直升飞机、风力涡轮机和重型卡车[1,2]。行星齿轮箱通常工作在恶劣的工况下，例如，其关键组件齿轮和轴承的损伤模式一般为疲劳裂纹和点蚀[3]，行星齿轮箱的任一失效都有可能引起整辆列车的停车，造成巨大的经济损失和人员伤亡，行星齿轮箱的状态监测和故障诊断目的是避免事故的发生，并降低用户使用成本。齿轮箱的状态监测和故障诊断已经引起了越来越多的关注[4-6]。然而大多数的研究集中在定轴齿轮箱上，定轴齿轮箱所有的齿轮都绕某一根固定轴转动[7-10]（见图1）。行星齿轮箱与定轴齿轮箱最根本的不同就在于其具有一组行星图1齿轮传动机构，图2所示的行星齿轮箱是一组负责的齿轮系统。他包括一个内齿圈，一个绕着固定轴转动的太阳轮和几个绕着自身中心转动的同时又绕着太阳轮中心转动的行星轮。由于具有如此复杂的传动结构，行星齿轮箱表现出独有的特性，因此，在定轴齿轮箱上应用很好的故障诊断方法不适用于行星齿轮箱。与定轴齿轮箱相比，行星齿轮箱在状态监测和故障诊断方面的研究没有那么多，但是，近几年这方面的研究增长迅速，每年都有这方面的文章发表在学术期刊，会议纪要和技术报告中。在2005年，Samuel和Pines[11]全面阐述了直升飞机传动机构的基于振动的诊断技术，这种直升飞机的传动机构包含一个行星齿轮箱，然而，作者通过文献检索，没有发现专注于行星齿轮箱故障诊断方法的论述文章。本篇论文的写作目的是总结和概括行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究进展，并试图综合这个研究方面有关的各种分散的文章，为研究人员提供一个综合参考，帮助他们在本领域中作进一步研究。这篇文章根据多种不同的方法进行了阐述，也就是建模、信号处理和智能诊断。这篇论文其余部分的架构如下，第二章将行星齿轮箱与定轴齿轮箱进行了简要对比，并阐述了行星齿轮箱的独有特性和故障特点。第三章根据已有的方法对发表过的关于行星齿轮箱的故障诊断方面的文章进行了阐述，第四章以表格的形式对这些文章进行了总结，并指出了目前研究工作中存在的问题。第五章阐述了该研究领域的研究前景和研究方向。结语放在了第六章。2.行星齿轮箱的简要介绍2.1传动结构和运行特性这一节中，在介绍行星齿轮箱之前，首先介绍两级传动的定轴齿轮箱的传动机构图，如图1所示，从图1中明显看出，所有的齿轮只绕各自的固定中心转动。只包含这种类型的齿轮传动机构的齿轮箱被定义成定轴齿轮箱。与此相反的是，行星齿轮箱具有几个绕着非固定中心转动的行星齿轮，图2展示了一个基本的行星齿轮箱，它包含有一个内齿圈，一个绕着自身固定的中心转动的太阳轮，四个既绕自身非固定中心转动的行星轮，行星轮处于太阳轮的内齿圈之间，与两者同时啮合。通常来说，在现在工业中，有三种基本类型的行星齿轮箱。三种行星齿轮箱如图2b至d所示。图2b所示的齿轮箱具有固定的内齿圈，图2C所示的齿轮箱具有固定的太阳轮，图2d所示的齿轮均可转动。由于行星齿轮箱所具有的独特结构，其具有定轴齿轮箱所不具有的下列特性。（1）与太阳轮和内齿圈啮合的多个行星齿轮和很多同时运动的邻近的组件（齿轮或轴承）将在行星齿轮箱中产生相似的振动。这些具有不同啮合相位的振动相互耦合，导致一些振动被中和掉或是掩盖掉[12]。（2）从齿轮啮合点到固定在齿轮箱外壳上的传感器有多条时变的振动传递路径。由于耗散和干扰效应，传递路径可能会加强或减弱故障组件的振动信号[13]。而且，加载到齿轮箱上的扭矩或是载荷可能增大非线性传递路径的影响[12]。所有这些影响可能减弱隐藏在复杂振动信号中的故障信号的特性。（3）与定轴齿轮箱相比，行星齿轮箱具有不同的振动信号频谱分布，对于一对图2已经有损伤的定轴齿轮箱啮合齿轮来说，故障频率特性例如边频带出现在频谱中啮合频率和其共振频率附近，并呈对称分布[14]。对于行星齿轮箱，无论其是否有损伤，边频带都会出现在频谱上。而且，边频带通常不关于啮合频率和共振频率对称。这可能是因为，多个行星齿轮产生相似的振动但具有不同的啮合相位，这导致多个齿轮啮合的激励被中和掉[15-17]。（4）由于大传动比，行星齿轮中的一些组件通常运转速度较低。事实上低频特性容易被强噪音所掩盖，因此，找出行星齿轮箱低速部件的故障特性是非常困难的。基于以上特性，测得的行星齿轮箱的振动信号比定轴齿轮箱更加复杂，因此增大了行星齿轮箱故障监测的难度，降低了定轴齿轮箱检测方法对行星齿轮箱的适应性。2.2特征频率的估算特征频率，包括齿轮转动频率、啮合频率等，对于齿轮的故障检测是至关重要的。故障的辨识与给定故障的特征频率的出现有关。因此，这一节将提出行星齿轮箱和定轴齿轮箱的特征频率。特征频率的推导是基于图1所示的定轴齿轮箱的传动结构和图2b所示的行星齿轮箱的传动结构。2.2.1定轴齿轮箱参数定义如下：Nj——齿轮；（j=1,2,3,4）的齿数fj——齿轮j(j=1,2,3,4)的转动频率f1——齿轮1的转动频率，也是整个齿轮传动的输入频率，通常是事先知道的ik——啮合齿轮副k(k=1,2)的传动比，指的是一对啮合齿轮副中主动轮与被动轮之间的转速比，事实上，它也等于被动轮和主动轮的齿数之比。例如，图1中121NNi和432NiNFmk——啮合齿轮副K（k=1,2）的啮合频率。而后，特征频率，也就是每个齿轮的转动频率和每个啮合齿轮副的啮合频率，能够表达成输入频率f1和各个齿轮齿数的函数式，如下所示，这些特征频率的等式也在表格1中列出。112112fNffiN(1)13212NfffN(2)表1定轴齿轮箱的特征频率2.2.2行星齿轮箱根据定轴齿轮箱特征频率的估算方法，我们可获得图2b所示的行星齿轮箱的特征频率。先作如下定义。NS,NP和NR——太阳轮、行星轮和内齿圈的齿数NP——行星齿轮的个数Fs,fp,fr和fc——太阳轮、某一行星轮、内齿圈和行星支架的转动频率、i——行星齿轮箱的传动比，它等于输入轴（太阳轮）和输出轴（行星支架）的转速之比。Fp-p——行星齿轮的通过频率。Fm-p——行星齿轮箱的啮合频率。由于传动比是行星齿轮箱特征频率估算的关键，因此将其计算过程列出[18]，与定轴齿轮箱相比，行星齿轮箱的传动比的计算时相对复杂的。图2b所示的行星齿轮箱的内齿圈是固定的，所以我们得出fr=O.通过将行星齿轮传动转换成定轴齿轮传动并利用定轴齿轮传动的计算公式，我们可得出如下等式。表2行星齿轮箱的特征频率图3（a）行星齿轮箱测试台架（b）台架的三维模型将等式(6)代入等式（7）中，我们求得传动比根据计算出的传动比，行星齿轮箱的特征频率可表示成太阳轮转动频率（fs）和各齿数的函数，如以下等式所示。表2中已将其列出。对于图2c和2d所示的另两种行星齿轮箱，特征频率可以同样的方法被计算，参考文献[19,20]提供了推导全部三种行星齿轮箱的特征频率的基本原理，这将对理解与行星齿轮箱有关的问题产生影响。2.3使用行星齿轮箱测试台架进行分析介绍行星齿轮箱的特征以及估算行星齿轮箱的特征频率之后，我们接下来使用测试台架获得的振动信号分析行星齿轮箱故障诊断方面具有挑战性的问题[21]，图3所示为测试台架以及其三维模型。这个测试台架包括两个齿轮箱，一个驱动齿轮箱的万马力电机和一个用于加载荷的电磁制动器，电机的转速可被速度控制器控制。载荷由电磁主动权提供，并可由制动控制器调节。如图3b所示，测试台架有两个齿轮箱，一个二级行星齿轮箱和一个二级定轴齿轮箱。二级行星齿轮箱是我们分析的重点，对于行星齿轮箱的任一级，都有一个太阳轮，并且在太阳轮周围有三、四个行星齿轮绕其转动，以及一个固定的内齿圈。转矩从太阳轮传递到行星轮，再传递到行星架，并由行星架传递到输出轴。图4a所示振动信号是通过一个采样频率为5120HZ的传感器在测试台架的无故障条件下测得的。图4b所示为无故障振动信号的频谱。图5a将无故障状态信号与一个一级太阳轮具有裂纹故障的振动信号进行对比，图5b所示为其频谱两组信号收集时太阳轮振动频率为40HZ，制动负载为13.5Nm。图4无故障状态（a）时域振动信号（b）频谱图5有故障状态（a）时域振动信号（b）频谱将太阳轮的转动频率和齿数代入等式（12）中，可计算出第一级行星齿轮箱的啮合频谱为666.67HZ。从图4b和图5b观察可知，啮合频率和它的共振频率处的幅值在整个频率中占有主要的地位。而且，在啮合频率和共振频率附近富含边频带，这证明了2.1节中第3条所陈述的特性是正确的。根据以上的介绍、对比和分析，我们可以得出结论，行星齿轮箱具有几个独特的特性，因此，行星齿轮箱的状态监测和故障诊断充满挑战。3、行星齿轮箱状态监测和故障诊断综述为了处理行星齿轮箱状态监测和故障诊断方面具有挑战性的问题，研究人员已经做了大量的研究工作，并在学术期刊，会议纪要和技术报告上发表了多篇文章。尤其是在最近几年，此研究课题方面发表的论文数目增长得非常快，本章将根据已有的方法如建模、信号处理和智能诊断对发表的论文进行综合评述。3.1建模方法文献中已经提出和建立了许多行星齿轮箱的模型。这些模型研究了输出响应和模型系统参数之间的关系，这些研究成果有助于理解行星齿轮箱的特性，因此，对行星齿轮箱的故障诊断也带来了有价值的帮助。这一章按研究的问题如故障模拟，振动响应模拟和行星齿轮间的载荷分配对行星齿轮箱的建模方面的文章进行总结。3.1.1故障模拟通过使用建好的模型，可以模拟一些故障模式，如齿轮或轴承上出现裂纹、点蚀和磨损，这一节将阐述这些研究内容。Chaaari等人[22]，对太阳轮上的齿面点蚀和轮齿裂纹进行了建模，并分析了对齿轮啮合刚度的影响。而且，他们通过建模对比了无故障齿轮箱和出现偏心和齿形误差的齿轮箱的动态响应[23]。于[24]将有轮齿故障和无轮齿故障的模型动力学特性进行了对比，加强了人们对行星齿轮箱故障诊断的理解。Rark等人[25]使用有限元模型从应力分布的角度研究了行星支架出现故障时的影响。Yuksel和Kahraman[26]为了研究表面磨损对行星齿轮箱动态特性的影响建立了一个计算模型。Hegadekatte等人[27]在一个微型行星齿轮传动机构上使用有限元模型去检测表面磨损。Patrick-Aldaco[28]建立了物理振动模型并为行星齿轮箱的故障诊断提出了一些指标。Cheng和Hu[29]基于物理模型提出了一种检测行星齿轮箱损伤的方法，并应用于直升机传动系统。而且，他们综合运用物理模型，三步统计算法和在度关联分析来估算太阳轮上的齿面点蚀和裂纹的损伤等级[30-32]。在上一段论述中，我们回顾了行星齿轮箱故障模拟建模方面的工作。然而，模型建立时作了很多假设和简化，因此，这些模型在模拟行星齿轮箱故障时所具有的准确性还有待提高和进一步改进。3.1.2振动响应模拟正如2.1节所提到的，行星齿轮箱的振动响应以定轴齿轮箱复杂。因此，使用模型模拟振动响应和找出振动特性是一个饶有兴趣的研究课题，并且已经引起了许多研究人员的兴趣。例如，Vicuria[33]提出了一种现象模型用于模拟安装在内啮圈外部的“假设传感器”测量得到的振动。Jain和Hunt[34]提出了一种分析模型用来模拟行星齿轮的故障特性。Feng和Zuo[35,36]研究了行星齿轮箱振动信号的频谱结构，提出了齿轮损伤的信号模型，