直齒齒輪教學試驗臺研制與應用

李 崢，秦朝燁，王天楊，褚福磊

（清華大學 機械工程系，北京 100084）

風力發電是國家能源安全的重要保證，對發展低碳產業、節能減排具有重要意義。近年我國風電產業迅猛發展，但在役風電裝備故障率高。降低故障率，實現裝備可靠運行已成為當前風電發展的主要挑戰。行星齒輪箱在機組中故障率居高不下，尤其是齒輪箱內部的高速齒輪在變工況、變載荷的情況下運行容易發生故障導致災難性的后果，如何對其高速齒輪系統進行準確的狀態監測與故障診斷是一項意義重大又極具挑戰性的研究。在工程中，由于各種復雜工況的干擾，風電齒輪箱的故障診斷尤為困難[1-3]。因此，研究風電齒輪箱初期故障診斷既是工程應用的迫切需求，也符合當前故障診斷學科發展的趨勢。同時相關設備的研制與應用，可以為清華大學研究生課程機械振動、轉子動力學提供很好的實驗教學平臺。在此背景下，本文搭建了一種小型風電直齒齒輪教學試驗臺，為開展旋轉機械設備系統的故障動力學機理與診斷技術研究奠定試驗基礎[4-6]。

1 試驗臺簡介

直齒齒輪教學試驗臺框架如圖1 所示，主要由4部分組成：動力系統、負載系統、傳動系統、信號采集及處理系統。圖2 和3 分別為直齒齒輪教學試驗臺原理圖和實物。

圖1 直齒齒輪教學試驗臺框架

圖3 直齒齒輪教學試驗臺實物

2 試驗臺各種參數

直齒齒輪教學試驗臺的動力系統由電機和控制器組成，通過控制器調節輸入電壓來調節電機的轉速，從而模擬設備轉速改變。電機型號為110ST-M05030，主要性能參數為：額定功率1.5 kW，額定電壓220 V，額定電流6 A，額定轉速2 000 r/min，額定扭矩5 Nm，最高轉速3 000 r/min。控制器電壓可調范圍為0～30 V，調節精度為0.01 V。負載系統是通過磁粉制動控制器調節電流對磁粉制動器進行控制，對直齒齒輪設備施加不同的負載，從而模擬設備工況。磁粉制動器型號為CZ-2，主要性能參數為：電流范圍0～3 A，額定轉矩0～20 N?m，滑差功率0.8 kW，冷卻方式為水冷。

本教學試驗臺核心部分采用單級漸開線直齒齒輪傳動系統，基本參數為：系統傳動比2.5，箱體總長355mm，箱體總寬310mm，齒輪副中心距及其公差值（100±0.027）mm。

3 故障類型及模擬

為了驗證直齒齒輪教學試驗臺的可靠性，加工了不同直齒來模擬各種故障，其參數如表1 所示。

表1 直齒齒輪教學試驗臺輸入軸、輸出軸齒輪故障

輸入軸、輸出軸齒輪故障如圖4 所示。

圖4 輸入軸、輸出軸齒輪故障圖

4 小型直齒系統特征頻率分析

Nj為齒輪j（ j= 1,2,3,4）的齒數。 fj為齒輪j的旋轉頻率， f1是整個齒輪傳動的輸入頻率，通常為已知量。ki 為嚙合副k（k =1,2）的傳動比，定義為一對嚙合齒輪副中主動齒輪與從動齒輪旋轉頻率之比，也等于從動齒輪與主動齒輪齒數之比，fmk為嚙合副k 的嚙合頻率。

直齒齒輪教學系統特征頻率如下[7-10]：

5 試驗研究

采集設備為米勒貝母公司的噪聲振動測試分析系統——BBM 采集系統，見圖5；傳感器為DYTRAN振動加速度傳感器，型號為3056B，靈敏度為10 mV/g，見圖6。

圖5 BBM 采集系統

圖6 加速度傳感器

根據教學設備參數特點，采樣頻率設定為8 192 Hz，為了充分采集到可靠有效的實驗數據，加速度傳感器盡量布置在離被測點較近的位置（見圖7），設定系統采集時間為60 s。M1 和M2 是采集系統數采端口，每個端口對應四路加速度傳感器。表2 為采集系統數采端口及傳感器對應的端口編號和位置。

圖7 測點布置圖

表2 采集系統數采端口及傳感器對應的端口編號和位置

6 信號分析與處理

采用表1 中故障3 與無故障齒輪信號對比，針對采集到的實驗數據進行頻譜分析，驗證設備的可靠性。

數據首先選取輸出軸轉頻為15 Hz 下斷齒和無故障加速度信號進行分析處理，如圖8 所示。

圖8 15 Hz 下輸出軸齒輪加速度信號分析

從圖8 可以看出，Fourier 頻譜中嚙合頻率幅值很高，并且在齒輪嚙合頻率 fm附近出現以故障特征頻率fg調制的邊帶及其諧波；在細化譜中，由于對其進行了細分頻率處理，得到加工后的直齒故障嚙合頻率的幅值非常高，而且還在嚙合頻率附近出現了更加明顯的邊頻幅值；在包絡譜中，設計加工后的齒輪故障特征頻率要比正常齒輪嚙合頻率高出很多。

同理對輸入軸轉頻為15 Hz 下的斷齒和無故障信號進行頻譜分析，結果如圖9 所示。

由圖9 可以看出，Fourier 頻譜以及細化譜中嚙合頻率幅值很高，出現了很高的故障特征頻率 fg的邊帶及其諧波，其結論與輸入軸轉頻為15 Hz 下的頻率分析一致；同理在包絡譜中，能明顯看到輸入軸的轉頻finput及齒輪各階次故障特征頻率。因此，直齒齒輪教學試驗臺能很好地模擬齒輪的各種故障特征頻率，從而用于研究生實驗教學及科研。

圖9 15 Hz 下輸入軸齒輪加速度信號分析

7 結語

本文研制了直齒齒輪教學試驗臺，用于學生開展實驗研究，驗證課堂上的理論知識，使理論與實際相結合，從而提高科研能力。通過實驗數據的對比分析，驗證了該設備能很好在研究生教學中發揮作用，有助于開展齒輪傳動系統動力學特性與故障診斷方法研究相關工作。