一種基于行星齒輪箱復(fù)合運(yùn)動(dòng)的故障診斷指標(biāo)

王 況, 王科盛, 左明健,2

(1. 電子科技大學(xué) 設(shè)備監(jiān)控與健康管理研究所，成都 611731； 2.阿爾伯塔大學(xué) 機(jī)械工程系，埃德蒙頓，加拿大)

一種基于行星齒輪箱復(fù)合運(yùn)動(dòng)的故障診斷指標(biāo)

王 況1, 王科盛1, 左明健1,2

(1. 電子科技大學(xué) 設(shè)備監(jiān)控與健康管理研究所，成都 611731； 2.阿爾伯塔大學(xué) 機(jī)械工程系，埃德蒙頓，加拿大)

行星齒輪箱廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空、船舶等大型工程機(jī)械中，惡劣的工作環(huán)境使得其中的關(guān)鍵部件容易出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損或疲勞斷裂等故障。現(xiàn)有的故障診斷方法大多在時(shí)、頻域中對信號進(jìn)行處理，然而由于行星齒輪箱振動(dòng)響應(yīng)信號頻率成分的復(fù)雜性和故障傳遞路徑的時(shí)變特性，使得傳統(tǒng)的針對定軸轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪系統(tǒng)的故障診斷方法很難有效的對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷;抓住行星齒輪系統(tǒng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的突出特征，結(jié)合故障振動(dòng)傳遞路徑的時(shí)變特性，提出了一種基于故障運(yùn)動(dòng)特征的潮汐頻率特征指標(biāo)對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷。通過對行星齒輪箱太陽輪局部故障的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了潮汐頻率指標(biāo)的存在，分析了潮汐頻率作為行星齒輪箱故障診斷指標(biāo)的優(yōu)勢和前景。

行星齒輪箱；潮汐頻率；故障診斷

行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈組成，當(dāng)考慮齒圈固定不動(dòng)時(shí)，行星輪繞著自身轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，同時(shí)還繞著太陽輪公轉(zhuǎn)，并且和太陽輪、齒圈同時(shí)嚙合，是典型的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。因此，行星齒輪箱的振動(dòng)響應(yīng)比定軸齒輪箱更加復(fù)雜，相應(yīng)的故障診斷過程也具有其獨(dú)特的特點(diǎn)和難點(diǎn)[1]：由于自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和各齒輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，使得故障傳遞路徑呈現(xiàn)時(shí)變特性并導(dǎo)致頻率響應(yīng)十分復(fù)雜、故障響應(yīng)微弱。

目前，研究人員在不斷探索有效的行星齒輪箱故障診斷方法，主要的研究手段集中在對其振動(dòng)信號的時(shí)域、頻域或時(shí)頻域中的分析：如YIP[2]利用時(shí)域同步平均技術(shù)對行星齒輪箱時(shí)域振動(dòng)信號進(jìn)行處理，然后從處理后的數(shù)據(jù)中提取出健康指標(biāo)來對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷；MARK等[3]提出了一種簡單的頻域方法，減弱了傳感器安裝位置以及行星齒輪箱自身復(fù)雜的傳遞路徑引起的振幅變化對故障診斷段的影響；雷亞國等[4]提出了一種新的自適應(yīng)總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǎ⒃摲椒☉?yīng)用在行星齒輪箱故障診斷中，明顯提高了行星齒輪箱的故障診斷能力。

由文獻(xiàn)[5-9]可知，行星齒輪箱故障診斷的關(guān)鍵是識別出行星齒輪箱的各齒輪故障頻率及其幅值變化。現(xiàn)有的可以用來對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷的特征頻率一般為嚙合頻率(嚙合頻率同時(shí)存在于各個(gè)行星輪與太陽輪之間，以及各個(gè)行星輪與齒圈之間)、行星架旋轉(zhuǎn)頻率、太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率、太陽輪故障頻率、行星輪故障頻率、齒圈故障頻率，這些頻率由于行星輪系的復(fù)合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，以及振動(dòng)傳遞路徑的時(shí)變特性，使得狀態(tài)監(jiān)測過程收集到的振動(dòng)信號十分復(fù)雜，特別是當(dāng)輪系中主要部件出現(xiàn)故障，動(dòng)態(tài)變化著的行星輪系導(dǎo)致行星齒輪箱故障診斷的難度大大增加。與傳統(tǒng)定軸齒輪箱相比較，造成行星齒輪箱監(jiān)測數(shù)據(jù)難于分析的最大難點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)變化的行星輪系及其導(dǎo)具有時(shí)變特性的振動(dòng)傳遞路徑。因此，為了有效地實(shí)現(xiàn)行星齒輪箱系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，十分有必要從行星齒輪箱運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)入手，深入研究和探索具有行星齒輪箱特點(diǎn)的故障特征成分。

通過對行星齒輪箱運(yùn)行動(dòng)態(tài)過程中振動(dòng)信號傳遞路徑以及行星架通過效應(yīng)的研究，提出了潮汐頻率指標(biāo)，它是一種基于行星齒輪箱故障運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的特征指標(biāo)，考慮傳遞路徑調(diào)幅和行星架的通過效應(yīng)調(diào)幅共同作用而產(chǎn)生的頻率成分。經(jīng)對行星齒輪箱太陽輪局部故障實(shí)驗(yàn)信號的分析，驗(yàn)證了潮汐頻率的存在并討論了其在行星齒輪箱故障診斷中的能力。

1 行星齒輪箱振動(dòng)分析

在行星齒輪箱工作過程中，當(dāng)太陽輪或行星輪有故障時(shí)，數(shù)據(jù)采集傳感器的位置與齒輪故障部位嚙合點(diǎn)的相對位置隨著系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)而不斷發(fā)生著遠(yuǎn)近的變化。齒輪故障部位產(chǎn)生的嚙合振動(dòng)信號隨著振動(dòng)傳遞路徑的遠(yuǎn)近而具有了時(shí)變特性，這是行星齒輪箱復(fù)雜復(fù)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。因此，傳感器收集到的振動(dòng)信號會(huì)因?yàn)楣收险駝?dòng)信號傳遞路徑的變化而產(chǎn)生調(diào)幅作用，傳遞路徑對行星齒輪箱的故障診斷會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

馮志鵬等分析了行星齒輪箱分布式故障下的振動(dòng)信號的組成成分，并且討論了行星輪的通過效應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號調(diào)幅作用：當(dāng)行星架旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，所有的行星輪各自將通過傳感器安裝位置一次，如果行星齒輪箱有N個(gè)行星輪，將對采集到的振動(dòng)信號產(chǎn)生N次調(diào)幅作用，這種調(diào)幅作用會(huì)產(chǎn)生N倍于行星架轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)頻率。

如果繼續(xù)深入的討論行星齒輪箱傳遞路徑對振動(dòng)信號的影響，行星齒輪箱的太陽輪或行星輪發(fā)生故障時(shí)，故障振動(dòng)信號一般會(huì)經(jīng)過3條傳遞路徑到達(dá)傳感器(見圖1)。

圖1 信號傳遞路徑[6]

路徑1：故障振動(dòng)信號由嚙合點(diǎn)產(chǎn)生經(jīng)過行星輪直接傳遞到齒圈，然后由箱體傳遞至傳感器；

路徑2：故障振動(dòng)信號由嚙合點(diǎn)產(chǎn)生通過太陽輪傳遞至太陽輪軸和太陽輪軸支撐軸承，再通過箱體傳遞至傳感器；

路徑3：故障振動(dòng)信號由嚙合點(diǎn)產(chǎn)生通過行星輪傳遞至行星輪軸和行星輪支撐軸承，再通過行星架、行星架軸、行星架軸承和箱體傳遞至傳感器。

其中，路徑2、路徑3相對于傳感器的距離不會(huì)隨著行星齒輪箱的旋轉(zhuǎn)而變化，而路徑1會(huì)對行星齒輪箱的振動(dòng)信號產(chǎn)生調(diào)幅作用。并且經(jīng)過該路徑傳遞的振動(dòng)信號沒有經(jīng)過軸承等零部件的振幅削弱作用，包含更清晰更直接的故障信息。因此，應(yīng)該對該路徑的振動(dòng)信號進(jìn)行深入的研究。

1.1 潮汐特征頻率

以太陽輪局部故障為例，圖2為路徑1在行星齒輪箱運(yùn)行的不同階段故障位置的示意圖。圖中太陽輪上黑點(diǎn)處表示太陽輪該處發(fā)生了故障，見圖2圈中位置處。

由路徑1可知，當(dāng)太陽輪的其中一個(gè)輪齒發(fā)生故障時(shí)，故障信號經(jīng)由和故障點(diǎn)嚙合的行星輪傳遞到齒圈，再傳遞到傳感器上。考慮行星輪的公轉(zhuǎn)特點(diǎn)，當(dāng)太陽輪旋轉(zhuǎn)到圖2(a)所示位置時(shí)，故障點(diǎn)經(jīng)過行星輪至傳感器的距離最短，信號衰減最小，產(chǎn)生的振動(dòng)信號最強(qiáng)；當(dāng)太陽輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，到達(dá)圖2(b)所示位置時(shí)，傳遞路徑的長度漸漸變長，信號衰減變大，產(chǎn)生的振動(dòng)信號變?nèi)酰划?dāng)太陽輪旋轉(zhuǎn)到圖2(c)所示位置時(shí)，故障位置與傳感器距離最遠(yuǎn)，該種情況的傳遞路徑最長，信號衰減最多，產(chǎn)生的振動(dòng)信號最弱。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽輪發(fā)生故障，行星輪圍繞其公轉(zhuǎn)時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生通過效應(yīng)，而且還會(huì)產(chǎn)生故障嚙合過程振動(dòng)的振幅和相位的時(shí)變特性，這一時(shí)變特征是由于行星齒輪箱特殊的運(yùn)動(dòng)過程以及傳感器位置與故障嚙合點(diǎn)間時(shí)變的傳遞路徑而引起的。這個(gè)振幅和相位的時(shí)變特征是太陽輪故障信號的根本屬性之一，定軸齒輪傳動(dòng)沒有這一特點(diǎn)，捕捉到這個(gè)時(shí)變特征將會(huì)成為太陽輪故障診斷的特有指標(biāo)。

圖2 路徑1隨時(shí)間的變化

行星齒輪箱在旋轉(zhuǎn)的過程中，太陽輪和行星輪的位置由圖2(a)經(jīng)圖2(b)到圖2(c)，最后再回到圖2(a)，不斷的循環(huán)。因此，由該傳遞路徑產(chǎn)生的故障調(diào)幅信號具有周期性。只有在太陽輪故障輪齒、行星輪、傳感器位于一條直線上時(shí)，如圖2(a)所示，該調(diào)幅振動(dòng)信號才會(huì)出現(xiàn)最大。此時(shí)，故障嚙合點(diǎn)與傳感器位置以及傳遞路徑同時(shí)達(dá)到了最近。值得注意的是，這個(gè)最明顯的位置，需要太陽輪要達(dá)到此位置，必須旋轉(zhuǎn)過正整數(shù)圈。而行星輪只需要其中一個(gè)在太陽輪旋轉(zhuǎn)到圖2(a)所示位置時(shí)到達(dá)最頂端就可以了。這個(gè)效應(yīng)非常相似于潮汐的周期特性，必須等到地球(太陽輪)和月亮(行星輪)在一條直線上時(shí)才會(huì)潮汐最大，因此而產(chǎn)生了潮漲潮落，故此，本文將此種行星齒輪箱故障特征，命名為潮汐特征頻率。值得注意的是,潮汐特征頻率成分不是單純由行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)特征所決定的，而是輪齒發(fā)生故障以后輪系復(fù)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,因此,是一種區(qū)別于傳統(tǒng)特征頻率的新指標(biāo)。

1.2 太陽輪局部故障潮汐特征頻率

假設(shè)太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為

fn=n(t)/60

(1)

式中:n(t)為行星齒輪箱太陽輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min，該轉(zhuǎn)速可隨時(shí)間變化。

則行星架的旋轉(zhuǎn)頻率為

(2)

式中:Zs為太陽輪齒數(shù)，Zr為齒圈齒數(shù)。(本文只討論齒圈固定的行星齒輪箱形式)

假設(shè)太陽輪旋轉(zhuǎn)k1圈后，其中一個(gè)行星輪恰好到達(dá)最頂端，此時(shí)共有k2次行星輪經(jīng)過了最頂端。根據(jù)太陽輪和行星架用的時(shí)間相同，可得

(3)

式中，N為行星輪個(gè)數(shù)。

整理得

(4)

k1、k2為符合條件的最小正整數(shù)。

由式(4)可以看出，在行星齒輪箱中，根據(jù)已知的太陽輪、齒圈齒數(shù)和行星輪個(gè)數(shù)，就可以求出采集到的故障信號最強(qiáng)時(shí)太陽輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，進(jìn)而得到行星齒輪箱太陽輪局部故障時(shí)潮汐特征頻率。由于太陽輪旋轉(zhuǎn)k1圈才出現(xiàn)一次潮汐現(xiàn)象，因此，潮汐頻率為：

(5)

1.3 行星輪局部故障時(shí)潮汐特征頻率

如果為行星輪局部故障，則只有當(dāng)該故障行星輪運(yùn)行到傳感器所在位置并且故障齒正好和齒圈嚙合時(shí)才會(huì)采集到振幅最大的信號。

假設(shè)當(dāng)故障行星輪和齒圈嚙合m次時(shí)，產(chǎn)生了一次潮汐現(xiàn)象，由于只有當(dāng)行星輪故障齒與齒圈嚙合時(shí)才會(huì)產(chǎn)生潮汐現(xiàn)象，m應(yīng)為行星輪齒數(shù)Zp的正整數(shù)倍。

此時(shí)，行星架也應(yīng)該旋轉(zhuǎn)了正整數(shù)圈，即mfc/fm為正整數(shù)。

行星輪和齒圈嚙合m次的時(shí)間

t=m/fm

(6)

則潮汐特征頻率為

(7)

式中:fm為行星齒輪箱的嚙合頻率。

如果已知輸入軸太陽輪的旋轉(zhuǎn)頻率，則嚙合頻率為

(8)

潮汐頻率為

(9)

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)說明

1.電機(jī) 2. 脈沖傳感器 3. 行星齒輪箱 4. 加速度傳感器5.直齒齒輪箱 6. 負(fù)載施加裝置

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于電子科技大學(xué)設(shè)備監(jiān)控與健康管理研究所動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(DDS)，實(shí)驗(yàn)平臺見圖3，行星齒輪箱參數(shù)見表1。為了模擬行星齒輪箱太陽輪局部故障，在太陽輪其中一個(gè)輪齒上加工了一個(gè)半齒斷齒，見圖4。實(shí)驗(yàn)過程中，考慮采集到的振動(dòng)信號的強(qiáng)弱以及傳感器安裝的難易，在行星齒輪箱的頂部安裝了加速度傳感器，采集行星齒輪箱的振動(dòng)信號，見圖3中“4”處；在驅(qū)動(dòng)電機(jī)處安裝了脈沖傳感器，采集輸入軸轉(zhuǎn)速脈沖，見圖3中“2”處。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率設(shè)置為50 Hz，即太陽輪的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，共運(yùn)行2 s。行星齒輪箱的各個(gè)特征頻率見表2。考慮到最大觀測頻率以及設(shè)備實(shí)際情況，將采樣頻率設(shè)為30 720 Hz，采集無故障齒時(shí)行星齒輪箱的信號和太陽輪有一個(gè)斷齒時(shí)的振動(dòng)信號。

表1 行星齒輪箱參數(shù)

由式(4)可得：

因?yàn)閗1、k2為符合條件的最小正整數(shù)，則k1=8，k2=25。

由式(5)可得

表2 行星齒輪箱特征頻率

圖4 斷齒太陽輪

2.2 行星齒輪箱振動(dòng)信號分析

圖5為行星齒輪箱勻速運(yùn)行過程中采集的時(shí)域振動(dòng)信號，其中圖5(a)為正常太陽輪運(yùn)行過程，圖5(b)為斷齒太陽輪運(yùn)行過程。對比圖5(a)、圖(b)可以發(fā)現(xiàn)，在圖5(b)中明顯出現(xiàn)了振幅調(diào)制的成分，并且調(diào)幅后產(chǎn)生了多種不同大小的振幅，這些調(diào)幅成分具有明顯的周期性。

圖5 行星齒輪箱時(shí)域振動(dòng)信號

圖6為行星齒輪箱勻速運(yùn)行過程時(shí)域振動(dòng)信號包絡(luò)分析后的包絡(luò)譜。在圖6(b)中可以清晰的發(fā)現(xiàn)太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率成分fH、太陽輪故障頻率成分fX、行星架旋轉(zhuǎn)頻率成分fC以及潮汐頻率等成分fL，并且還有很多邊頻帶成分出現(xiàn)，這些成分和理論分析的成分十分吻合(見表2)。

圖6 行星齒輪箱時(shí)域振動(dòng)信號包絡(luò)譜

由圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，潮汐頻率成分并不明顯，這是由于潮汐頻率是故障點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過復(fù)雜的傳遞路徑后采集到振動(dòng)，信號經(jīng)過了衰減，會(huì)變得比較微弱。但是潮汐頻率是行星齒輪箱故障動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)變化的重要特征，是區(qū)別于以往的“靜態(tài)”故障特征頻率(例如太陽輪故障頻率、嚙合頻率等)的“動(dòng)態(tài)”顯著指標(biāo)，具有進(jìn)一步深入研究的重要價(jià)值。因此對潮汐頻率的提取放大還需要進(jìn)一步的研究，使其更有效的應(yīng)用于行星齒輪箱故障診斷。

對比圖6(a)、圖6(b)兩圖可以清楚地分析出圖6(b)中太陽輪已經(jīng)有了故障，特別需要指出的是在圖6(a)中潮汐特征頻率很不明顯，難以分辨，而其它的特征頻率均出現(xiàn)在無故障振動(dòng)數(shù)據(jù)的包絡(luò)譜中，如fC、fH。

圖7為圖6中0～60 Hz的頻率成分放大圖。為了清晰的說明各個(gè)頻率成分，將各頻率成分標(biāo)號并分析列入表3。

圖7 太陽斷齒故障包絡(luò)譜Fig.7 Envelope spectrum of the chipped sun gear

表3 斷齒太陽輪包絡(luò)譜中各頻率成分

通過分析，表3中各個(gè)頻率全部是由太陽輪故障頻率、行星架旋轉(zhuǎn)頻率、潮汐頻率和太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻組成，頻率成分十分復(fù)雜，然而也說明行星齒輪箱中的調(diào)幅作用全部是由于太陽輪、行星架旋轉(zhuǎn)、太陽輪故障以及潮汐現(xiàn)象引起的調(diào)制。圖6和圖7的分析表明，潮汐頻率在實(shí)驗(yàn)信號中是確實(shí)存在的，并且潮汐特征頻率是由于傳遞路徑變化而產(chǎn)生的一種行星齒輪箱特有的故障特征頻率。但是，從圖6和圖7也注意到，潮汐特征頻率的幅值并不高，分析其原因主要是由于潮汐特征頻率不是行星齒輪箱機(jī)械結(jié)構(gòu)所確定的特征頻率，而是一種由于行星輪系復(fù)合運(yùn)動(dòng)傳遞路徑的遠(yuǎn)近變化而產(chǎn)生的一種振動(dòng)信號調(diào)幅現(xiàn)象，這種振動(dòng)調(diào)幅現(xiàn)象的振幅與傳遞路徑的阻尼特性息息相關(guān)，而且會(huì)隨著局部故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生，是一種與故障同時(shí)發(fā)生和發(fā)展變化的故障特征頻率。

對于早期故障，潮汐頻率同樣具有分辨能力。如圖8所示，為行星齒輪箱太陽輪有齒根裂紋時(shí)的振動(dòng)加速度信號的包絡(luò)譜，該裂紋深度為1 mm。對比圖8和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，在齒根裂紋下的故障特征頻率fs處的幅值(0.002 072 m/s2)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷齒故障(0.007 367 m/s2)，相對降低了71.13%，而潮汐頻率ft在兩種故障下的幅值(0.001 171 m/s2、0.002 127 m/s2)相差不大，相對降低了43.48%，說明潮汐頻率在微弱故障的情況下同樣具有很好的指示作用。但是，潮汐頻率的幅值與其他成分相比相對較低，還需要進(jìn)一步提取、放大、跟蹤的深入研究，這也是針對潮汐頻率研究的下一步工作，以便充分發(fā)揮潮汐頻率在早期故障診斷中的作用。

圖8 太陽輪齒根裂紋故障包絡(luò)譜

在局部故障振動(dòng)較小時(shí)(微弱故障)，這種故障對振動(dòng)調(diào)幅的影響也減弱，如圖8所示。無故障實(shí)驗(yàn)太陽輪沒有故障，但由于實(shí)驗(yàn)中的行星齒輪箱不是絕對完美的，并且齒輪的嚙合振動(dòng)信號隨著振動(dòng)傳遞路徑的遠(yuǎn)近也具有時(shí)變特性，潮汐頻率也存在，但是振幅很小，如圖6(a)中的潮汐頻率成分，幾乎分辨不出來。當(dāng)局部故障振動(dòng)較明顯時(shí)(斷齒)，潮汐特征頻率出現(xiàn)在頻譜里。因此，故障的特點(diǎn)也決定了潮汐頻率的特點(diǎn)。通過上述的實(shí)驗(yàn)，可以看出潮汐特征頻率作為行星齒輪系復(fù)合運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物可以用來對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷，與故障的特點(diǎn)和故障的程度緊密相關(guān)，對深入認(rèn)識行星齒輪箱故障的發(fā)生、發(fā)展過程可以提供重要的參考價(jià)值。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的行星齒輪箱故障診斷主要以其物理結(jié)構(gòu)來確定故障診斷指標(biāo)，如嚙合頻率、故障頻率等特征頻率。本文從行星齒輪箱運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，提出了一種潮汐頻率診斷指標(biāo)，從傳統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)提升到動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，對深入認(rèn)識行星齒輪箱故障動(dòng)態(tài)行為機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。

同時(shí)，通過對行星齒輪箱太陽輪局部故障實(shí)驗(yàn)信號的分析，表明潮汐頻率與行星齒輪箱太陽輪故障特征頻率、行星架特征頻率、太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率等相互作用，出現(xiàn)比較復(fù)雜的調(diào)頻現(xiàn)象，潮汐特征頻率作為行星齒輪箱的一個(gè)特有的特征頻率，可以用來對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷。

此外，通過本文的工作，作者也發(fā)現(xiàn)潮汐特征頻率是與故障本身的特性、行星輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)以及故障傳遞路徑的物理特性緊密相關(guān)。在復(fù)合運(yùn)動(dòng)和傳遞路徑的物理特性基本確定的情況下，可以通過潮汐頻率成分的分析指示故障振動(dòng)的特點(diǎn)，從而確定故障的形式和發(fā)展程度。作者也將進(jìn)一步針對故障特點(diǎn)與潮汐頻率成分的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行深入的研究，以期建立更為有效的、具有行星齒輪箱獨(dú)特特點(diǎn)的故障診斷方法。

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A fault diagnosis index based on complex movement of planetary gearbox

WANG Kuang1, WANG Kesheng1, ZUO Mingjian1,2

(1.Research Institute of Equipment Monitoring and Health Management， University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China；2. Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, Edmonton, Canada)

Planetary gearboxes are widely used in wind turbine, aerospace, marine and other large engineering machines. Harsh operation conditions frequently cause faults, such as, pitting and fatigue crack to occur in planetary gearboxes. Most reported fault diagnosis methods deal with vibration signals in time domain or frequency domain. But the general signal processing methods are not effective for planetary gearboxes due to the complexity of vibration signals and combined motions of planetary gears. Based on the motion analysis of a sun gear and a planet gear and the time-varying fearures of fault vibration transmission paths, a new characteristic frequency named tidal frequency was proposed as a unique fault diagnosis index for planetary gear system’s fault diagnostics. Through test signal analysis of a planetary gearbox with a localized fault on its sun gear, it was shown that there exists the tide frequency and the proposed method is effective for planetary gearbox fault diagnosis.

planetary gear box; tide frequency; fault diagnosis

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305067;51375078;SAST201311)

2015-08-03 修改稿收到日期：2015-10-22

王況 男，碩士，1990年生

王科盛 男，博士，副教授，1978年生

TH17