應力波技術在復合行星齒輪箱故障診斷中的應用

康 洪

重慶川儀自動化股份有限公司 重慶 401121

復 合行星齒輪箱涵蓋了定軸齒輪箱和行星齒輪箱，具有傳動比大、結構緊湊、傳動效率高、承載能量更高等優點，已被廣泛應用于風電、冶金、建材和化工等各行業[1]，由于復合行星齒輪箱在極其復雜的變速變載工況下適應性更強，使得其在部分行業的關鍵領域已經完全替代了定軸齒輪箱。但復合行星齒輪箱在實際工作過程中，由于其工作環境惡劣，且工況復雜，導致關鍵部位的齒輪、軸承以及軸系極其容易出現故障，一旦出現故障就會出現停工停產，從而帶來一些經濟上的損失，所以對行星齒輪箱進行在線監測與故障診斷具有切實的理論意義[2]。

復合行星齒輪箱主要包括太陽輪、行星輪、內齒圈組成的行星齒輪箱以及定軸齒輪組成。由于其在運行過程中存在相對運動和絕對運動，導致對其進行故障診斷研究比較困難。目前，對齒輪箱在線監測與故障診斷的研究主要還是以振動技術為主，前期通過采集器采集振動信號之后，后期采用希爾伯特變換、小波變換、經驗模態分解以及包絡濾波等一系列信號處理方法，提取出需要的故障特征信號，得到數據之后，還有學者進行了更深入的研究。周建華等人[3]基于小波時頻圖和卷積神經網絡，搭建了較為理想的行星齒輪故障診斷模型，最終通過試驗證明該模型相比 BP 神經網絡模型，在魯棒性和準確性上有所提升；王朝閣等人[4]通過建立多目標優化新指標，采用一種參數自適應的多點最優最小熵反褶積方法，實現了行星齒輪箱微弱信號的提取；吳天舒等人[5]對應力波在設備內部的傳播理論進行了研究，并成功將應力波技術用于流程工業領域的部分設備狀態監測；李洪元等人[6]將應力波技術用于冶金行業的關鍵設備軋機減速機上，且取得了良好的運用效果。但目前還沒有研究學者或者工程技術人員將該技術應用于復雜結構行星齒輪箱的在線監測與診斷。筆者采用應力波技術完成了對某水泥廠磨機復合行星齒輪箱的故障診斷。

1 應力波技術的故障診斷

1.1 技術原理

在工業領域，齒輪嚙合、軸承運轉、水泵運轉、葉片旋轉等都存在相對運動，兩部件在相對運動過程中會產生摩擦與沖擊信號，并以一種高頻信號的形式向外傳播，這就是應力波。應力波信號主要反映機械設備的運行狀態，從本質上也是一種超聲能量脈沖群。應力波來源于設備內部相對運動部件的摩擦與沖擊，可沿著固體介質進行傳導，且在傳播過程中無方向性 (如水波紋)。應力波傳遞到殼體后，通過專有的應力波傳感器拾取需要的應力波信號，這樣就完成了初始信號的采集。應力波傳感器采集設備的信號，就如通過麥克風來聽取設備內部的聲音，傳感器只對通過其底部傳遞到壓電晶體的高頻內部激波敏感，并在模擬信號調制器中通過高頻帶通濾波器進行放大和濾波，以去除設備正常運動的低頻噪聲和振動能量。所以專用的應力波傳感器對設備自身的振動信號以及外界環境的干擾信號都不敏感，從而更能精確地采集到故障診斷分析所需要的故障信號。

1.2 應力波在線監測系統組成

應力波在線監測診斷系統如圖 1 所示，主要由應力波傳感器、信號處理單元和控制顯示單元 3 個部分組成。應力波傳感器安裝在與設備運動部件剛性連接的表面，傳感器中的壓電晶體將應力波振幅轉換為電壓信號，然后在模擬信號調制器中通過高頻帶通濾波器進行放大和濾波。模擬信號調制器的輸出是一個應力波脈沖串 (Stress Wave Pulse Train，SWPT)，代表設備受到的沖擊和機械摩擦事件的時間歷史。數字處理單元通過分析 SWPT 來確定摩擦、沖擊事件產生的峰值水平和總能量。計算出的應力波脈沖幅值 (Stress Wavepulse Amplitude Plitude，SWPA) 和 SWE 值存儲在數據庫中，作為歷史趨勢并與正常讀數進行比較分析。脈沖信號處理完成之后，對其進行解調、包絡、FFT 變換、高斯密度函數統計等一些列信號處理之后，在控制顯示單元得到了應力波能量圖、頻譜圖、直方圖等。

圖1 應力波在線監測診斷系統Fig.1 Online stress wave monitoring and diagnosis system

2 工程試驗驗證

2.1 復合行星齒輪箱故障特征計算

復合行星齒輪箱傳動如圖 2 所示，主要由定軸齒輪傳動和行星齒輪傳動組成。其故障特征頻率主要包括各級齒輪的嚙合頻率以及對應每個齒輪的局部故障頻率。

圖2 復合行星齒輪箱傳動Fig.2 Transmission of composite planetary gearbox

定軸齒輪傳動由 2 個相互嚙合的圓錐齒輪組成。由于定軸齒輪在運行過程中各齒輪的軸線相對于機架的位置都是固定的，所以定軸齒輪的特征頻率計算較為簡便。在該傳動模型中，以圓錐齒輪 Z1與電動機輸入端通過聯軸器相連，定軸齒輪的故障特征頻率計算如下：

式中：i14為定軸齒輪傳動比；ω1、ω2、ω3、ω4、z1、z2、z3、z4分別為齒輪的轉速及對應齒輪的齒數，其中ω2=ω3；f12為一級定軸錐齒輪嚙合頻率；f34為二級定軸齒輪嚙合頻率。

行星輪系在傳動過程中，行星輪存在自轉以及跟隨行星架一起的公轉運動，故傳動比的計算不能直接用定軸齒輪傳動計算公式。在求解行星傳動比時，根據相對運動的原理，人為給行星傳動系加上一個公轉速度“-ωH”，使得該轉速圍繞行星架的回轉軸線旋轉，此時各構件之間的相對運動仍然保持，而行星架的轉速變為 0，行星架就靜止不動，從而將行星傳動系統轉換為定軸齒輪傳動。針對原料磨中行星傳動部分，太陽輪-行星輪、行星輪-內齒圈 2 種齒輪副中的嚙合頻率完全相等，只是齒輪的局部故障頻率會存在差異。因此根據行星輪系的轉換傳動系統及定軸輪系傳動比計算公式，得到行星齒輪傳動系傳動比及嚙合頻率。

根據上式得到了行星齒輪系的齒輪嚙合頻率及輸出轉速，進一步求取各齒輪的局部故障頻率。齒輪的局部故障點會引起齒輪嚙合的異常沖擊，其異常沖擊的頻率等于在單位時間內故障齒輪與其他齒輪的嚙合次數。定軸齒輪箱、齒輪的局部故障頻率等于齒輪的旋轉頻率，對于行星輪系，各齒輪的局部故障頻率不僅與齒輪的轉速有關，還和太陽輪齒數、行星輪齒數、內齒圈齒數以及行星輪數量有關。查閱相關文獻，得到行星傳動系統的齒輪局部故障頻率[7]：

式中：f5、f6、f7分別表示太陽輪、行星輪、內齒圈的局部故障頻率，Hz；N為行星輪數量，個。

根據式 (1)～ (10) 計算得到原料磨復合行星齒輪箱特征頻率，如表 1 所列。

表1 復合行星齒輪箱特征頻率Tab.1 Characteristic frequency of composite planetary gearbox

2.2 特征數據識別與匹配

結合某水泥廠實際運行情況及日常設備維護經驗，基于應力波的技術原理及實時監測和量化旋轉式，根據往復式設備內部不同部件間的摩擦和沖擊情況，在原料磨行星傳動部分的齒圈測點外部間隔90°方向均勻布置了 4 個應力波傳感器，在減速機輸入軸布置了 1 個測點，各測點布置如圖 3 所示。

圖3 原料磨減速機測點布置Fig.3 Layout of testing points of reducer in raw material mill

按照上述測點安裝應力波傳感器，設置相關參數，調試軟硬件。最終經過測試，得到該設備齒圈 4個測點的應力波監測數據，如圖 4 所示。

圖4 應力波監測頻譜Fig.4 Stress wave monitoring spectra

對比原料磨減速機齒圈 4 個測點和輸入軸測點的應力波頻譜，結果顯示輸入軸測點頻譜無明顯異常，而齒圈 4 個測點的監測數據都呈現出非常明顯 53.71 Hz 的特征譜線，且都存在倍頻信號，該信號占據所有故障信號的主導地位。故障信號 53.71 Hz 與表 1 中的行星傳動的嚙合頻率 54.03 Hz 吻合，表明該故障來源于行星傳動系統，推測行星輪系存在嚙合不良問題。最終用戶檢修時，拆解了該減速機，發現行星輪軸承問題導致行星輪和太陽輪、內齒圈之間的嚙合間隙發生變化，從而導致行星傳動系統嚙合不良。

3 結語

針對水泥行業原料磨減速機結構復雜，在故障監測與診斷時，該減速機故障信號微弱，且存在較多外界干擾，難以精確提取故障信號。通過采用一種基于應力波技術的設備故障監測與診斷系統，完成了復雜結構的原料磨減速機故障診斷，成功提取出故障信號，并對其進行分析，精準定位到該故障信號的來源，最終通過試驗進行了有效驗證。通過該案例，有效驗證了應力波技術相比振動技術能夠更加準確地提取復雜結構設備的故障信號，從而對故障進行精準定位與有效診斷，對原料磨減速機這類設備的在線監測與故障診斷，提供了一種有效的方法。