行星變速箱故障模擬試驗臺設計及故障特征提取

丁 闖， 張兵志， 馮輔周 ， 陳向前

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 北京特種車輛研究所， 北京 100072)

行星變速箱故障模擬試驗臺設計及故障特征提取

丁 闖1， 張兵志2， 馮輔周1， 陳向前1

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 北京特種車輛研究所， 北京 100072)

針對復雜行星齒輪變速箱故障診斷問題，設計了一種某型裝甲車輛行星變速箱故障模擬試驗臺，并選擇不同狀態下的振動信號進行了故障特征提取。首先，簡要介紹了PGB-A行星變速箱的結構和工作原理；其次，設計了該行星變速箱的故障模擬試驗臺和增速箱，設置了機械和液壓故障并布置了測試傳感器；最后，利用數據采集系統對該行星變速箱的各狀態信號進行了采集，并應用排列熵算法對采集到的數據進行了故障特征提取。結果表明：該故障模擬試驗臺能夠完成多種故障狀態的試驗，為復雜行星變速箱的故障診斷提供了數據支撐，且所提故障特征提取方法能夠很好地檢測故障。

行星變速箱； 故障模擬試驗臺； 數據采集； 特征提取

行星傳動具有重量輕、體積小、傳動比大、承載能力強和傳動效率高等諸多優點，已被廣泛地應用于作戰飛機、艦船、裝甲車輛、自行火炮及風力發電和工程機械等軍用裝備和民用裝備中[1-2]。某型裝甲車輛變速箱采用的2自由度行星變速箱(PGB-A)為多擋位行星變速箱，同時具有機械傳動系統和液壓控制系統，結構復雜。在實際使用過程中，由于需要承受重載負荷及應對復雜多變的運行工況，變速箱各行星排中的太陽輪、行星輪、齒圈和液壓控制的離合器和制動器等關鍵部件容易出現故障[3-4]。若故障不能及時發現并排除，將嚴重影響裝備的機動性能，導致其戰斗力下降，此外，還將造成變速箱的二次損傷，使維修費用大幅提高[5]，因此研究行星變速箱的故障診斷具有重要意義。國內外專家對行星齒輪箱進行了大量的研究，但主要以單級和僅有一個傳動比的兩級行星齒輪傳動為主，對具有多個自由度、多個傳動比的行星變速箱研究較少[6-7]。為解決上述問題，需要采集多個運行參數，但直接從實車上采集參數難度較大，且經濟成本較高，安全沒有保證，因此需要設計一套安全、經濟且能全面地模擬行星變速箱機械和液壓故障的試驗臺。

基于此，筆者在分析PGB-A行星變速箱的結構和工作原理的基礎上，設計此行星變速箱的故障模擬試驗臺，然后設置其齒輪故障和液壓故障，并使用數據采集系統對其運行參數進行采集，最后對采集的數據進行故障特征提取，以實現此行星變速箱的異常檢測。

1 行星變速箱工作原理

PGB-A行星變速箱由齒輪傳動系統和液壓控制系統2部分組成，齒輪傳動依靠3個行星排、2個離合器和3個制動器完成，通過液壓系統控制液壓缸來完成離合器和制動器的結合和分離，以實現動力沿不同路徑傳遞，致使嚙合齒輪發生改變，從而改變傳動比。圖1為行星變速箱在1擋時的工作原理，其涉及K1和K2行星排。由圖1可知：動力由輸入齒輪輸入，并由與輸出軸相連的行星架H1輸出；當行星變速箱處于1擋時，由于離合器Φ3和制動器Φ4的結合，齒圈3和太陽輪4合為一個整體，并同時與行星變速箱殼體固定。K1和K2行星排的齒輪齒數如表1所示。

圖1 行星變速箱1擋時工作原理

表1 K1和K2行星排的齒輪齒數

設輸入軸(即太陽輪1)的轉速為

ni=n1，

(1)

由于齒圈3和太陽輪4固定，行星架H2(即齒圈6)和行星架H1(即輸出軸)的轉速分別為

(2)

(3)

聯立式(1)-(3)可得1擋傳動比為

(4)

同理，可求出各擋位的傳動比如表2所示。

表2 PGB-A行星變速箱各擋位的傳動比

2 故障模擬試驗臺

2.1 總體設計方案

根據行星變速箱的工作原理，設計了行星變速箱故障模擬試驗臺，其工作原理如圖2所示。其中：動力源為電動機；采用90°換向傳動箱，以避免驅動電機和同側的加載測功機出現位置干涉；采用兩側風冷式測功機進行加載，模擬車輛行駛過程中的阻力；2個增速箱用于調節行星變速箱和負載測功機間的特性，增加加載扭矩，提高加載功率；使用離合器實現驅動電機運轉情況下換擋；液壓站主要完成行星變速箱的潤滑和分配機構的供油和放油，從而實現換擋[8]。

圖2 行星變速箱故障模擬試驗臺工作原理

由于行星變速箱在運行過程中其主泵和回油泵存在能量消耗，加之運轉過程中各處摩擦及安裝誤差，使得變速箱在正常運轉時需要額外消耗能量為PS=20kW。電動機額定轉速為n=1 500r/min，當小于額定轉速運轉時以恒扭矩700.3N·m輸出，當大于額定轉速運轉時以恒功率P=110kW輸出。因此,選擇電動機額定功率為P=110kW。

測功機的額定轉速為750r/min，在小于額定轉速加載時以恒扭矩700.3N·m加載，在大于額定轉速加載時以恒功率55kW加載。因此，為保證存在加載余量，選擇測功機的額定功率為55kW。

2.2 增速箱的選擇

若不采用增速箱，而直接使用測功機進行加載，行星變速箱處于1擋時，其傳動比i1=6.525。當電動機輸出轉速ni=1 500r/min平穩運轉時，此時行星變速箱輸出轉速為

(5)

行星變速箱最大輸出扭矩為

(6)

根據測功機的特性，此轉速下測功機的最大加載扭矩為

TL1_max=700.3(N·m)。

(7)

同理，在各擋位時行星變速箱最大輸出轉速no_max與最大輸出扭矩To_max和測功機的最大加載扭矩TL_max如表3所示。

表3 行星變速箱no_max與To_max和測功機TL_max

由表3可知：當行星變速箱為1-3擋時，測功機的最大加載扭矩小于行星變速箱的最大輸出扭矩，加載扭矩過小；當行星變速箱為4-5擋時，測功機的最大加載扭矩大于行星變速箱的最大輸出扭矩，測功機能夠滿足加載需求。為了增加低轉速時測功機的加載扭矩，設計增速箱調整其加載特性，根據行星變速箱1擋時的輸出扭矩和加載扭矩的大小，設計增速箱2個傳動比，分別為1∶3和1∶1。增加增速箱后測功機的加載扭矩如表4所示。

表4 增加增速箱后測功機的加載扭矩

由表4可知：在設計增速箱后，行星變速箱在任何擋位時的測功機加載扭矩均大于其輸出扭矩，滿足了加載需求。

3 故障設置

PGB-A行星變速箱由機械部分和液壓系統組成。在實際運行過程中，常常出現齒輪故障和液壓缸密封墊故障，而任何一部分的零部件出現故障都將可能影響整個行星變速箱的運行，因此研究行星變速箱的機械和液壓故障響應規律意義重大。

3.1 齒輪故障設置

齒輪故障可分為輪體故障和輪齒故障2大類，由于實際中輪體故障很少發生，因此齒輪故障通常指輪齒故障。其中，點蝕、裂紋、磨損和斷齒是輪齒故障的常見類型[9]，齒輪典型故障形式如圖3所示。

圖3 齒輪典型故障形式

本試驗裝置分別設計行星變速箱中3個行星排的太陽輪、行星輪和齒圈等9個部件，每個部件設置4種形式的故障，共36種故障形式，此外增加1種正常狀態，共設計37種機械運行狀態。本文以K2行星排正常、太陽輪裂紋和行星輪裂紋3種狀態為例進行特征提取。

3.2 液壓故障設置

液壓系統通過控制行星變速箱各行星排的嚙合情況，改變變速箱的傳動比，進而實現行星變速箱換擋，因此液壓系統的故障將影響整個行星變速箱的正常運轉。此外，由于換擋頻繁，液壓缸的密封墊容易損壞，造成各液壓缸的泄漏，進而使液壓缸推力不足，離合器和制動器結合力變小。當行星變速箱大負荷運行時，離合器和制動器的結合力不足，致使摩擦片之間產生滑動，摩擦片溫度迅速提高，引起嚴重磨損甚至燒結，致使內外摩擦片不能正常分離，最終導致變速箱工作時擋位混亂，動力不能正常輸出，并使與其相配合及關聯的零件有很大程度的損壞。

本試驗臺設置密封墊存在疲勞裂紋故障，通過檢測液壓系統各通道的液壓變化，尋求故障與液壓之間的關系。

4 數據采集

對行星變速箱進行故障診斷時，應選取最能反映變速箱狀態特征的信號，振動信號可準確反映行星變速箱的機械運行狀況，且振動信號分析技術也較為成熟，已在機械設備故障診斷中得到廣泛應用。同時，行星變速箱轉速影響各嚙合頻率和特征頻率，測功機傳遞的扭矩又影響振動信號的幅值及狀態特征。因此，對于機械故障，本試驗主要測試振動加速度、轉速和扭矩3種信號。

轉速和扭矩通過轉速扭矩儀測試，安裝位置為行星變速箱的1個輸入端和2個輸出端。振動加速度傳感器的安裝位置示意圖如圖4所示，其中：在制動器Φ1、Φ5、Φ4的位置及輸出軸兩端軸承支撐處各安裝1個三向振動加速度傳感器，編號分別為A1-A5。其中：徑向方向為X方向；軸向方向為Y方向；垂直方向為Z方向。

圖4 振動加速度傳感器的安裝位置示意圖

壓力信號能夠準確反映行星變速箱的液壓系統運行狀況，因此對變速箱的液壓系統壓力和各液壓缸壓力信號進行采集，主要在液壓油主泵出口和分配機構的5個測壓孔安裝液壓傳感器。

使用NI采集卡對上述信號進行采集，設置采樣頻率為5 120Hz，采集行星變速箱不同健康狀況、擋位、轉速及扭矩下的數據樣本，以期為行星變速箱的故障特征提取及故障診斷提供可靠的數據支撐。

5 故障特征提取

5.1 試驗臺數據

故障特征的提取對后期的故障診斷及模式識別至關重要。采集1擋時K2行星排正常、太陽輪1裂紋和行星輪2裂紋3種狀態的數據，故障源位置如圖4中的標示。由于振動加速度傳感器A3的位置距離故障源最近，更能反映此處故障特征，因此選擇A3的振動信號數據進行分析。其他參數為：電動機轉速1 500r/min，測功機加載扭矩1 800N·m，采樣頻率5 120Hz，采樣時間1s。正常信號、太陽輪1裂紋及行星輪2裂紋故障時域和頻域波形分別如圖5-7所示。

由圖5-7的時域波形可得：在太陽輪1和行星輪2出現裂紋故障后，振幅有所增大并含有沖擊，不能診斷出是否異常。由圖5-7的頻域波形可得：信號中含有明顯的噪聲成分，出現了“頻率模糊”現象，邊頻帶集中在嚙合頻率和二倍頻附近，有不對稱分布，且在嚙合頻率和倍頻附近，頻率較復雜，并不能診斷其是否異常。密封墊疲勞裂紋故障的判定原理較為簡單，當壓力低于正常值時，說明密封墊出現了故障。

圖5 正常狀態下時域和頻域波形

圖6 太陽輪1裂紋時域和頻域波形

圖7 行星輪2裂紋時域和頻域波形

5.2 排列熵計算

排列熵是用于衡量一維時間序列復雜度的平均熵參數，其對信號變化具有很高的敏感性，能夠有效放大系統的微變信號，同時可很好地檢測復雜系統的動力學突變[10-11]，其具有計算過程簡單、抗噪聲能力強等特點[12]。因此，使用該方法處理行星變速箱產生的非線性、非平穩性振動信號具有較好的檢測效果。

排列熵算法的計算步驟為：首先對采集到的數據數列進行相空間重構，然后對重構分量按升序排列，計算每一種排序出現的概率，從而計算其排列熵。排列熵的具體計算步驟參考文獻[13]，排列熵的定義為

(8)

式中：pi為第i種排序出現的概率，其中i=1,2,…,k。Hp值反映了時間序列的不確定程度:Hp的值越小，說明時間序列越確定;反之，時間序列的不確定性越大。Hp的變化反映了時間序列的微小細節變化。

使用排列熵算法分別計算正常、太陽輪1裂紋和行星輪2裂紋3種狀態下各100個數據樣本的排列熵值，如圖8所示，每個樣本序列長度L=5120。由圖8可知：太陽輪1裂紋和行星輪2裂紋故障信號的排列熵小于正常信號的排列熵。其原因是：當齒輪正常工作時，各齒輪嚙合產生的沖擊信號的差別是隨機的，主要由齒面加工誤差產生的表面不平度、波動度和齒形誤差造成，故而能量分布的隨機性強，不確定程度大，排列熵值大；當太陽輪1齒輪某個輪齒出現裂紋時，此輪齒剛度降低，齒輪在此輪齒嚙合時將產生比其他輪齒更大的沖擊，且此嚙合信號產生的沖擊更具有確定性，所以排列熵值小。因此，排列熵可作為診斷行星齒輪箱運行時齒輪是否異常的特征，為以后的故障診斷和模式識別提供基礎。

圖8 各樣本的排列熵值

[1] 馮輔周，安鋼，劉建敏．軍用車輛故障診斷學[M].北京：國防工業出版社，2007：477-484.

[2] 雷亞國,何正嘉,林京,等.行星齒輪箱故障診斷技術的研究進展[J].機械工程學報, 2011,47(19):59-67.

[3] 張進,趙春華,鐘先友,等.風力發電機故障模擬試驗臺裝置研制[J].機械設計與制造,2013(8):120-123.

[4] 程哲．直升機傳動系統行星齒輪系損傷建模與故障預測理論及方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2011.

[5] 馮占輝,胡蔦慶,秦國軍.基于Pro/Engineer的直升機主傳動系統故障模擬實驗臺設計[J]. 機械設計與制造,2010(7):65-67.

[6]Ambarisha V K,Parker R G.Suppression of Planet Mode Response in Planetary Gear Dynamics Through Mesh Phasing[J].Journal of Vibration and Acoustics,2006,128(2):133-142.

[7] 蔡仲昌,劉輝,項昌樂,等.車輛多級行星傳動系統強迫扭轉振動與動載特性[J].吉林大學學報(工學版),2012,42(1):19-26.

[8] 郭華,羅建,宮秀芳,等.風力發電機齒輪故障診斷仿真與模擬試驗[J].振動、測試與診斷,2015,35(2):263-268.

[9] 劉志亮.基于數據驅動的行星齒輪箱故障診斷方法研究[D].西安：西安電子科技大學,2013.

[10]Bandt C,Pompe B.Permutation Entropy:A Natural Complexity Measure for Time Series[J].Phys Rev Lett,2002,88(17):1-4.

[11]Cao Y,Tung W,Gao J B,et al.Detecting Dynamical Changes in Time Series Using the Permutation Entropy[J].Phys Rev E,2004,4(7):1-7.

[12] 劉永斌,龍潛,馮志華，等.一種非平穩、非線性振動信號檢測方法的研究[J].振動與沖擊，2007，26(12)：131-134.

[13] 馮輔周,饒國強,司愛威,等.排列熵算法研究及其在振動信號突變檢測中的應用[J].振動工程學報，2012，25(2)：221-224.

(責任編輯: 尚菲菲)

Design of Fault Simulation Experimental Platform for Planetary Gearbox and Fault Feature Extraction

DING Chuang1, ZHANG Bing-zhi2, FENG Fu-zhou1, CHEN Xiang-qian1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 2. Beijing Special Vehicle Institute,Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of fault diagnosis of complex planetary gearbox, fault simulation experimental platform for planetary gearbox of some type of armored vehicles is designed and vibration signs feature in different conditions are extracted. Firstly, the structure and the operating principle of the planetary gearbox are introduced. Secondly, the fault simulation experimental platform and the step-up box for the transmission are designed, mechanical and hydraulic faults are set, sensors are deployed, and working signs in different conditions of planetary gearbox are monitored by data acquisition system, which provides the basis for fault diagnosis of planetary gearbox. Finally, permutation entropy of vibration signs collected is computed as fault feature extracted. The results indicate that many conditions test are to be completed by the fault simulation experimental platform for planetary gearbox, and data is acquired for fault diagnosis, and fault feature extraction method proposed is effective for fault diagnosis of planetary gearbox

planetary gearbox; fault simulation experimental platform; data acquisition; feature extraction

2016-07-13

軍隊科研計劃項目

丁 闖(1989-)，男，博士研究生。

TH132.425; TP206+.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.009

1672-1497(2016)06-0045-05