行星齒輪減速機的研究與故障判斷

王士偉

河鋼唐鋼設備機動部，河北唐山 063305

隨著我國機械制造業的不斷發展，行星減速器作為一種重要的部件，已廣泛應用于各種機械領域，并在一定程度上取代了傳統的固定軸減速器。行星齒輪減速器也用于煤礦設備，如采煤機、料斗和挖掘機。

行星齒輪減速器的特點是同軸傳動與輸出軸同軸，大大減小了減速器的體積。同時，在傳輸功率時，減速器可以分配輸入功率，大大提高了減速器的承載力。總而言之，與固定軸減速器相比，行星減速器的體積較小。它能驅動電源，效率高，傳動寬，范圍寬。

隨著我國機械設計和制造技術的不斷發展，主機對關鍵部件提出了更高的要求，以獲得更優化的結構，更高的可靠性和更好的性能。因此，為了滿足機械市場的需要，有必要在此階段提高減速器的性能。

1 行星齒輪減速器的結構與故障特征分析

行星齒輪傳動系統的基本部件是太陽齒輪，行星齒輪齒條和內齒圈。 根據行星齒輪減速器的具體結構、有許多不同的分類方法。簡而言之，可以區分第一次減少，第二次減少，第三次減少和第四次減少。二級減速以上減速器的太陽齒輪采用浮動連接方式。故障機制與信號傳輸路徑和模式有許多相似之處。它的運動形式和自我結構更加復雜。因此，分析一階行星齒輪減速器作為示例。

在第一級行星齒輪減速器中，太陽齒輪通常固定在驅動軸上，并且多個行星齒輪分別與太陽齒輪和內齒圈嚙合，并通過行星齒輪架輸出動力或運動。齒輪系的主要缺陷是腐蝕、齒磨損和齒斷裂。常見的齒輪故障發生在10%的齒輪表面磨損，31%的點蝕，41%的牙齒被折斷，18%的其他齒輪被磨損。經過一段時間的齒輪磨損，很難找到初始齒面磨損。只有當磨耗達到一定的振動信號時，齒輪的嚙合頻率和諧波幅值才顯著增加。齒輪傳動的循環應力一般超過齒輪材料的疲勞極限，在齒輪的根部逐漸出現裂紋，導致齒裂。齒輪故障振動信號通常以齒輪嚙合頻率和諧波為載頻，齒輪軸的旋轉頻率和雙頻為調制頻率，因此，調制帶寬非常高。行星齒輪的載波頻率為齒輪嚙合頻率或倍增器，調制頻率為故障齒輪特性頻率或乘法器。

2 行星齒輪減速器的設計方法

行星減速器的尺寸、重量和承載能力取決于傳動參數的選擇。設計問題是確定給定的齒輪比和輸入扭矩的小齒輪數、每齒輪的齒數、齒輪的模數和寬度。由于行星減速器的特殊結構，每個齒輪的齒數不能任意選擇，必須根據一定的匹配條件嚴格計算。

傳統的設計方法是先選擇行星齒輪的數量，然后根據匹配條件匹配齒。這種方法的結果并不獨特。根據結構布置和設計人員定義的經驗，可以選擇一組齒數方案，然后根據強度計算模型和齒寬等參數進行選擇。在確定結構參數時，必須進行大量的計算，才能得到滿足性能要求、尺寸合理的方案。因此，利用計算機尋找更好的設計方案具有實用價值。

3 行星齒輪減速器振動信號特征

由于行星減速器傳動系統具有旋轉和旋轉的行星齒輪，振動信號不僅包括太陽輪、行星齒輪、內齒圈和行星齒輪架的轉動頻率，還包括它們之間的嚙合頻率。另外，上述頻率的倍頻與振動信號的其他部分疊加。通常，傳感器安裝在齒圈上或連接到殼體上以收集振動信號。嚙合點相對于太陽齒輪，行星齒輪和齒輪副的位置隨行星齒輪架的旋轉而變化，因此，改變了嚙合點與傳感器之間的振動傳遞路徑。時變傳輸路徑對振動測試信號產生幅度調制效應，進一步增加了信號的復雜性。考慮到行星齒輪系統的這一特性，適用于不同結構的行星齒輪減速器的振動信號模型是進一步分析的基礎。國內外許多學者根據行星齒輪減速器的一些特點建立了相應的信號模型和加工方法。

2009年，澳大利亞新南威爾士大學利用光譜峰度有效地提取故障特征，以解決傳統診斷方法無法診斷風力渦輪機行星齒輪箱環形裂縫的問題。清華大學馮志鵬開展了對風扇行星齒輪減速器分布式故障及局部故障系統的研究，詳細討論了行星齒輪系統中行分析了太陽星齒輪和內齒輪環的失效機理，建立了相應的信號模型，推導出相應的計算公式。換句話說，行星齒輪系統故障診斷的故障特征頻率，建立了更完整的分析方法。但是，由于行星齒輪系統本身的復雜性，研究人員只采用簡化的方法對其進行研究，忽略了許多特征，只是在某一點上進行分析，沒有形成完整的系統診斷方法。此外，只有嚴重的齒輪失效（嚴重磨損、斷齒等）才能識別出早期的失效信號。

4 行星齒輪減速器故障信號分析方法

根據行星齒輪減速器的結構特點，測量信號通常包含多個頻率分量。如何分離故障信號，識別障礙類型是解決這一問題的關鍵。馮志鵬等人提出了一種基于經驗模態分解和行星減速器振動信號調幅特性的頻率解調分析方法，提出了基本模態函數的選取原則。分析中應考慮齒輪嚙合的瞬時影響因素以及齒輪剛度和相變的影響。在目前的行星齒輪系統中，多級行星齒輪減速器經常用于非常重要的場合，其結構比較復雜。因此，在齒輪故障診斷中，有必要將基于實時信號處理的時域同步平均法與現代信號采集技術相結合，以提高信號的實時性，進行實時診斷有效的檢測。為了提高行星齒輪系統故障預測的準確性，需要采取多種方法。

5 提高減速機性能的措施

5.1 齒輪修形

齒輪修改包括齒冠修改和齒根齒根修改。當齒輪嚙合時，齒廓具有彈性變形。當切割或退出齒輪時，主動齒輪的頂部和根部相互干涉，嚙合剛度急劇變化，導致重力激勵。齒輪齒廓的改進不僅可以避免產生數千個波浪，減少激勵和動載荷，還可以減小由基圓螺距誤差引起的額外動載荷的影響。

5.2 提高齒輪嚙合的接觸度

齒輪嚙合越大，齒輪傳動越穩定，嚙合沖擊越小，噪聲越低。

5.3 數合理設計齒輪齒數和模數

齒輪減速器的減速比由齒輪齒數決定，齒輪減速器的承載能力由齒輪齒數和齒輪模數決定。在減速器中，太陽輪的工作條件非常差，因此在設計階段，必須根據減速器的實際用途選擇齒數和模數，并檢查太陽輪的力。

同時，為了減少齒輪制造中可能出現的誤差，在選擇齒輪齒數時，傳動比為非整數，是一個素數。此齒數可避免齒輪周期性制造誤差，造成振動或異常噪聲。

5.4 制造精度

任何機器的精度都將直接影響機器的機械性能，特別是高精度機械的性能。行星減速機在一般工程中的精度為7及以上。

齒輪表面粗糙度是影響齒輪加工精度的重要因素之一。因為齒輪副傳遞扭矩通過與齒面接觸和幻燈片在傳輸過程中，較小的表面粗糙度可以減少齒輪之間的磨損，降低齒輪的熱量，提高生命的齒輪傳動和齒輪的承載能力。為了獲得更高的表面形貌，齒輪需要研磨。

齒輪的制造精度也與齒距累積誤差有關。徑向跳動偏差和齒輪齒形偏差用于測量實際齒形和理想齒形之間的偏差。如果實際加工齒廓偏差較大，會造成齒輪受力不均，造成振動和噪聲。

5.5 合理的均載機構

事實上，齒輪的制造誤差總是存在的。齒輪傳動裝置采用負荷分配機構，可自動補償齒輪與行星架之間的各種制造和安裝誤差，實現負荷平衡。行星齒輪減速器通常分為浮動的一個部件和同時浮動的兩個部件。單組分浮、太陽輪浮、內齒輪浮、行星齒條浮、兩部分浮、太陽輪與內齒輪同時浮、太陽輪與行星架同時浮起。兩個組件比一個組件浮動得更好。

5.6 齒輪材料及表面處理

減速器的承載力不僅與齒數模量有關，還涉及齒輪和行星齒條材料的選擇。為了進一步提高齒輪和行星架的承載能力，通常需要根據所選材料進行熱處理，如滲碳或滲氮。經過熱處理后，齒輪齒面具有恒定的硬化層。齒輪硬度可達到HRC60，承載能力較高，齒輪中心硬度較低，使齒輪具有一定的韌性。

5.7 設置合理的側隙

齒輪間隙嚙合可避免因制造誤差和熱變形引起的齒間干擾，便于潤滑油儲存。 然而，很明顯，過大的間隙會引起嚙合齒輪的沖擊，從而增加振動和噪音。

分析了行星齒輪減速器的故障類型和成因，從設計和制造水平提出了提高減速器性能的措施。從分析中可以看出，為了提高減速器的性能，有必要將設計和制造的各個方面結合起來。除了必要的設計計算外，齒輪減速機的優異性能更依賴于成熟的制造工藝和豐富的產品經驗。