行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷概述.doc

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1、行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷概述摘要行星齒輪箱與定軸齒輪箱截然不同，具有獨一無二的特性，因此，在定軸齒輪箱上應用良好的故障診斷方法并不適用于行星齒輪箱。對定軸齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究已經(jīng)很多，但是對行星齒輪箱在這方面的研究還不足，然而，我們發(fā)現(xiàn)關于行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的文獻已經(jīng)出現(xiàn)在學術期刊、會議紀要和技術報告中。這篇論文的目的就是回顧和總結這些文獻，并為對這個方向感興趣的研究人員提供綜合的參考。本文對行星齒輪箱和定軸齒輪箱的結構作了簡單介紹和對比，闡述和分析了行星齒輪箱獨有的特征和故障特點，基于目前可采用的方法對行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究進

2、展進行了總結。最后，討論了目前存在的問題，指出了潛在的研究方向。1.引言由于行星齒輪箱具有大傳動比和重載特征，其被廣泛應用在航空航天、汽車和重工行業(yè)，例如直升飛機、風力渦輪機和重型卡車[1,2]。行星齒輪箱通常工作在惡劣的工況下，例如，其關鍵組件齒輪和軸承的損傷模式一般為疲勞裂紋和點蝕[3]，行星齒輪箱的任一失效都有可能引起整輛列車的停車，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷目的是避免事故的發(fā)生，并降低用戶使用成本。齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷已經(jīng)引起了越來越多的關注[4-6]。然而大多數(shù)的研究集中在定軸齒輪箱上，定軸齒輪箱所有的齒輪都繞某一根固定軸轉動[7-

3、10]（見圖1）。行星齒輪箱與定軸齒輪箱最根本的不同就在于其具有一組行星圖1...齒輪傳動機構，圖2所示的行星齒輪箱是一組負責的齒輪系統(tǒng)。他包括一個內(nèi)齒圈，一個繞著固定軸轉動的太陽輪和幾個繞著自身中心轉動的同時又繞著太陽輪中心轉動的行星輪。由于具有如此復雜的傳動結構，行星齒輪箱表現(xiàn)出獨有的特性，因此，在定軸齒輪箱上應用很好的故障診斷方法不適用于行星齒輪箱。與定軸齒輪箱相比，行星齒輪箱在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究沒有那么多，但是，近幾年這方面的研究增長迅速，每年都有這方面的文章發(fā)表在學術期刊，會議紀要和技術報告中。在2005年，Samuel和Pines[11]全面闡述了直升飛機傳動

4、機構的基于振動的診斷技術，這種直升飛機的傳動機構包含一個行星齒輪箱，然而，作者通過文獻檢索，沒有發(fā)現(xiàn)專注于行星齒輪箱故障診斷方法的論述文章。本篇論文的寫作目的是總結和概括行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究進展，并試圖綜合這個研究方面有關的各種分散的文章，為研究人員提供一個綜合參考，幫助他們在本領域中作進一步研究。這篇文章根據(jù)多種不同的方法進行了闡述，也就是建模、信號處理和智能診斷。這篇論文其余部分的架構如下，第二章將行星齒輪箱與定軸齒輪箱進行了簡要對比，并闡述了行星齒輪箱的獨有特性和故障特點。第三章根據(jù)已有的方法對發(fā)表過的關于行星齒輪箱的故障診斷方面的文章進行了闡述，第四章以

5、表格的形式對這些文章進行了總結，并指出了目前研究工作中存在的問題。第五章闡述了該研究領域的研究前景和研究方向。結語放在了第六章。2.行星齒輪箱的簡要介紹2.1傳動結構和運行特性這一節(jié)中，在介紹行星齒輪箱之前，首先介紹兩級傳動的定軸齒輪箱的傳動機構圖，如圖1所示，從圖1中明顯看出，所有的齒輪只繞各自的固定中心轉動。只包含這種類型的齒輪傳動機構的齒輪箱被定義成定軸齒輪箱。與此相反的是，行星齒輪箱具有幾個繞著非固定中心轉動的行星齒輪，圖2展示了一個基本的行星齒輪箱，它包含有一個內(nèi)齒圈，一個繞著自身固定的中心轉動的太陽輪，四個既繞自身非固定中心轉動的行星輪，行星輪處于太陽輪的內(nèi)齒圈之間，與

6、兩者同時嚙合。通常來說，在現(xiàn)在工業(yè)中，有三種基本類型的行星齒輪箱。三種行星齒輪箱如圖2b至d所示。圖2b所示的齒輪箱具有固定的內(nèi)齒圈，圖2C所示的齒輪箱具有固定的太陽輪，圖2d所示的齒輪均可轉動。由于行星齒輪箱所具有的獨特結構，其具有定軸齒輪箱所不具有的下列特性。（1）與太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合的多個行星齒輪和很多同時運動的鄰近的組件（齒輪或軸承）將在行星齒輪箱中產(chǎn)生相似的振動。這些具有不同嚙合相位的振動相互耦合，導致一些振動被中和掉或是掩蓋掉[12]。（2）從齒輪嚙合點到固定在齒輪箱外殼上的傳感器有多條時變的振動傳遞路徑。由于耗散和干擾效應，傳遞路徑可能會加強或減弱故障組件的振動信號[

7、13]。而且，加載到齒輪箱上的扭矩或是載荷可能增大非線性傳遞路徑的影響[12]。所有這些影響可能減弱隱藏在復雜振動信號中的故障信號的特性。（3）與定軸齒輪箱相比，行星齒輪箱具有不同的振動信號頻譜分布，對于一對...圖2已經(jīng)有損傷的定軸齒輪箱嚙合齒輪來說，故障頻率特性例如邊頻帶出現(xiàn)在頻譜中嚙合頻率和其共振頻率附近，并呈對稱分布[14]。對于行星齒輪箱，無論其是否有損傷，邊頻帶都會出現(xiàn)在頻譜上。而且，邊頻帶通常不關于嚙合頻率和共振頻率對稱。這可能是因為，多個行星齒輪產(chǎn)生相