大功率齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉華軍，王 平，王俊軒

LIU Hua-jun1,WANG Ping2,WANG Jun-xuan2

（1. 中國人民解放軍91550部隊，大連 116023；2. 哈爾濱工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

齒輪箱是機械傳動系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)中，其運行狀況直接影響整個系統(tǒng)的正常運行，因此齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測成為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重要組成部分。許多學(xué)者對其進行了研究，取得了一系列重要的成果。Yang Wenxian建立了齒輪箱的硬件實驗平臺，通過小波分析方法處理高速采集振動信號，唐一科采用三級動態(tài)庫技術(shù)和采樣項目數(shù)據(jù)管理模式開了一種新的系統(tǒng)，對齒輪箱狀態(tài)進行監(jiān)測；竇春紅利用虛擬儀器技術(shù)進行了齒輪箱故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計；郭鵬采用溫度趨勢分析的方法對風(fēng)電機組齒輪箱的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；陳剛分析了齒輪箱各種故障表征信號的類型，高度集成了各種故障診斷模塊，設(shè)計出了一種新的齒輪箱診斷系統(tǒng)；趙栓峰提出一種基于掌上電腦技術(shù)的新型采煤機齒輪箱故障診斷系統(tǒng)；劉淑霞利用圖形化編程語言和模塊化硬件，對齒輪箱振動信號實時監(jiān)測，建立了一體化診斷系統(tǒng)；陳亮以光纖光柵傳感器為測量節(jié)點，光纖為信號傳輸介質(zhì)設(shè)計一種齒輪箱的狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。

上述研究對齒輪箱各部件、各物理量的監(jiān)測往往是根據(jù)動態(tài)振動信號，經(jīng)過綜合分析來間接判斷的，這就必然會在一定程度上存在偏差。為了直接地監(jiān)測相應(yīng)的物理量，真正達到狀態(tài)監(jiān)測的目的，本文通過對某大功率船用二級行星齒輪箱進行分析，設(shè)計了一種新型的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對齒輪箱行星齒輪根部應(yīng)力和行星輪軸溫進行測量，從而實現(xiàn)實時并直接地監(jiān)測齒輪箱的狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究的船用齒輪箱的機構(gòu)簡圖如圖1所示，該齒輪箱是一個分流型二級行星齒輪箱。圖1中(a)為第一級行星輪系的行星輪；(b)為第一級行星輪系的內(nèi)齒圈，同時也是第二級行星輪系的太陽輪；(c)為第二級行星輪系的行星輪；(e)為第一級行星輪系的太陽輪，同時也是動力的輸入軸；(f)為第二級行星輪系的內(nèi)齒圈，同時也是第一級的行星支架和輸出軸。

齒輪是齒輪箱中最重要的部件，隨著滲碳淬火技術(shù)的發(fā)展，齒面的硬度得到提高，齒輪的抗點蝕能力及抗膠合能力有明顯增強，齒輪的彎曲疲勞斷裂成為主要失效形式；船用齒輪箱因其使用的特殊環(huán)境，軸承應(yīng)采用壓力循環(huán)潤滑，它是利用油泵經(jīng)油路系統(tǒng)將一定壓力的潤滑油送到軸承表面，在軸與軸瓦間形成油膜，通過潤滑油將摩擦熱帶走，當(dāng)軸承故障時，軸溫度會緩慢升高。因此，齒輪箱齒根應(yīng)力和齒輪軸溫是極其重要的物理量，對其進行監(jiān)測能有效預(yù)測齒輪箱的故障。

齒輪箱監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)可以分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括測量系統(tǒng)、無線供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。測量系統(tǒng)分為應(yīng)力測量系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)；由于被測量行星輪是位于第一級行星輪系的行星輪，該行星輪相對于機殼具有復(fù)雜的運動規(guī)律，它既有相對于輸入軸太陽輪的公轉(zhuǎn)，還有繞著自身行星架（亦即輸出軸）的自轉(zhuǎn)，因此本文設(shè)計了兩級旋轉(zhuǎn)式無線供電使電能從齒輪箱外部傳到行星輪上。軟件部分指的是位于上位機PC端的人機界面，該軟件需要能夠接收來自齒輪箱內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，同時經(jīng)過計算處理后用最直觀的方式呈現(xiàn)給操作者。

圖1 齒輪箱軸系機構(gòu)簡圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)需要完成對應(yīng)力和溫度傳感器的信號采集，放大電壓信號，由單片機采集完數(shù)據(jù)以后計算出相應(yīng)的應(yīng)力值，再通過無線數(shù)傳模塊傳輸出來，其流程如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)工作流程

由齒根應(yīng)力的分析可知，齒輪輪齒折斷一般都是局部性的，而且多見于端面，因此其危險截面可確定為在輪齒端面的30°切線的受拉一側(cè)，雖然確定了輪齒的危險的截面，但是在這種情況下的主應(yīng)力方向未知，因此我們可以將應(yīng)變片如圖4所示貼于齒根端面。

由彈性力學(xué)知識可求得該點的主應(yīng)力大小為：

圖4 直角應(yīng)變花

圖5 行星輪軸孔溫度測量裝置安裝圖

本文采用測量行星輪軸孔溫度的方法來測量溫度。鑒于動油壓和振動的影響，本文采用以下測量方案：將測試傳感器PT100置于具有較好導(dǎo)熱性能的黃銅管內(nèi)，并使用彈性固定法固定在行星輪軸孔上，這樣可以保證元件的良好接觸，又可以保證元件能牢固地固定在測試點不產(chǎn)生相對移動，同時這樣的方法具有一定的防震性能和密封效果。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，圖5中1為元件護套；2為壓緊彈簧；3為雙頭凸接頭； 4為鎖緊螺母； 5為電線護管。

2.2 無線供電系統(tǒng)

由于所測量行星輪運動的復(fù)雜性，電能要從齒輪箱外部傳到行星輪上，必須經(jīng)過兩級旋轉(zhuǎn)式無線供電。本文采用二級非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)完成電能的無線傳輸，非接觸電能傳輸技術(shù)是利用電磁耦合以非接觸的方式給負載傳遞能量的一項新穎技術(shù)。該系統(tǒng)的組成如圖6所示。系統(tǒng)從工頻電網(wǎng)獲取工頻交流電，經(jīng)過工頻整流濾波環(huán)節(jié)后得到平穩(wěn)的直流電，高頻逆變電路將直流電流逆變成高頻的交流電，并輸入松散耦合變壓器的原邊線圈，這樣就在松耦合變壓器內(nèi)部及周圍產(chǎn)生高頻交變的磁場，電源拾取機構(gòu)通過氣隙以松散磁感應(yīng)耦合方式在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)交變電動勢，交變電動勢在次級閉合回路中產(chǎn)生高頻交變電流，經(jīng)過高頻整流濾波電路和穩(wěn)壓調(diào)節(jié)后給負載供電，從而完成了整個非接觸電能傳輸?shù)墓╇娺^程。由圖6可知，一個完整的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)需要包括原邊變換器、松散耦合變壓器、副邊電能拾取電路以及必要的電容補償方案。

圖6 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的組成

原邊變換器采用無控制方案的振蕩電路來實現(xiàn)。一般來說，這種無反饋的形式會給整個系統(tǒng)帶來較大的不穩(wěn)定性，但是考慮到副邊的測量電路是一個比較穩(wěn)定的負載，不存在負載的較大波動，因此只要保證輸入電源的穩(wěn)定，合理調(diào)整原副邊的參數(shù)是可以使系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定狀態(tài)的。基于以上考慮，非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的初級電路設(shè)計采用的形式如圖7所示。開關(guān)管采用的是高速開關(guān)管J13009-2，由于該變換器可以最大輸出180W的功率，因此開關(guān)管必須加裝散熱片。本設(shè)計經(jīng)過參數(shù)調(diào)節(jié)，其輸出電壓為25kHz，幅值為15V的交流矩形波，最大電流可達12A。

圖7 原邊變換器

圖8 副邊拾取電路

目前松散耦合變壓器并沒有一個完善的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因此本文的磁芯參數(shù)是參考普通高頻變壓器的鐵芯參數(shù)設(shè)計，在磁芯的形狀方面，由于使用場合為旋轉(zhuǎn)方式，因此選擇了罐狀鐵芯，它具有耦合性能好，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和調(diào)整的優(yōu)點。從傳輸效率上考慮，罐狀鐵芯相比其他鐵芯具有更合理的磁路結(jié)構(gòu)，它能保證最小的漏磁通。

副邊拾取電路包括副邊繞組線圈，橋式整流，平滑濾波和必要的電容補償環(huán)節(jié)。副邊感應(yīng)電動勢為一個高頻的交流電壓，其頻率理論上與原邊一致，同樣為25kHz，因此一般的整流二極管已經(jīng)無法滿足高頻的需要了，這里采用的是HER307快速恢復(fù)型整流二極管。副邊拾取電路如圖8所示，C1、R1構(gòu)成平滑濾波電路，R為負載，C2為補償電容。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

在選擇無線數(shù)傳模塊時，需要要求該模塊具有較低的發(fā)射和接收功率，高效的糾錯編碼以及高可靠性。本文在經(jīng)過篩選以后選用了深圳市安美通科技有限公司生產(chǎn)的APC220-43多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分。

3 實驗測試與分析

為了驗證設(shè)計的原理是否合理，本文根據(jù)測量系統(tǒng)的實際情況，設(shè)計了輸出功率為10W的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)。原邊變換器輸入：交流220V正弦波（50Hz）；原邊變換器輸出：交流15V矩形波（25kHz）；第一級松耦合變壓器：原邊采用Φ1.2mm的2組漆包線并繞15匝，線圈匝徑25mm，副邊采用Φ1.2mm的2組漆包線并繞15匝，線圈匝徑28mm；第二級松耦合變壓器：原邊采用Φ1.2mm的2組漆包線并繞15匝，線圈匝徑25mm副邊采用Φ0.4mm的3組漆包線并繞14匝，線圈匝徑28mm；負載：采用功率為20W的G4燈珠；磁罐規(guī)格為：GU58×36；磁罐間氣隙：2mm。

為了減小實驗誤差，實驗進行了5次，共記錄5組數(shù)據(jù)，如表1所示。從表中可以看出，二級輸電的效率較一級非接觸感應(yīng)電能傳輸明顯下降了很多，僅僅有30%左右。但是在負載獲得的功率上可以看出，基本能保證10W的功率輸出。第一級松耦合變壓器的原邊電流增加了將近1A，但是第一級的原邊電壓并未出現(xiàn)電壓的明顯拉低現(xiàn)象，實驗用的功率器件并未出現(xiàn)發(fā)燙情況，一切運行正常。由此可以說明，二級非接觸感應(yīng)電能傳輸在本系統(tǒng)中的應(yīng)用是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

表1 二級非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)墓β始靶蕯?shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文通過對某船用二級行星齒輪箱分析，設(shè)計了一種新型的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的區(qū)別在于，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)對各物理量的監(jiān)測往往是根據(jù)動態(tài)振動信號，經(jīng)過綜合分析來間接判斷的。本文設(shè)計的系統(tǒng)通過對齒輪箱行星齒輪根部應(yīng)力和行星輪軸溫進行測量，實現(xiàn)了實時并直接地監(jiān)測齒輪箱的狀態(tài)。本系統(tǒng)運用基于松散耦合變壓器的二級非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)完成電能的無線傳輸。最后對非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進行了模擬實驗，驗證了供電系統(tǒng)具有良好的可行性。

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