蘇偉

陸軍裝甲兵學(xué)院 北京 100072

1 變速箱故障診斷的背景及意義

車輛是一個集機(jī)、電、液于一體的復(fù)雜重型機(jī)電系統(tǒng)，其內(nèi)部的變速箱作為關(guān)鍵部位，擔(dān)負(fù)著傳遞功率和變換轉(zhuǎn)速的重要作用。行星齒輪箱通常由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈構(gòu)成，如圖所示。

因為行星齒輪箱運行在低速重載的惡劣環(huán)境中，并且工作狀態(tài)復(fù)雜，其行星輪、太陽輪和齒圈上經(jīng)常出現(xiàn)諸如點蝕、裂紋和斷齒等故障，在一定程度上影響齒輪箱的完好率和可靠性。行星齒輪箱發(fā)生故障后，如果沒有及時有效的診斷，故障將持續(xù)升級，導(dǎo)致行星齒輪箱功能喪失，嚴(yán)重影響整車的行駛狀況，嚴(yán)重時將造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。通過采集變速箱振動信號進(jìn)行降噪處理進(jìn)而進(jìn)行研究分析，最終找到對變速箱故障敏感的特征量及工況，能夠較好的為實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)早期故障診斷提供理論依據(jù)和方法支撐。

2 國外研究概況

自上世紀(jì)五十年代到六十年代，人們隨著對變速箱振動以及噪音的檢測診斷發(fā)現(xiàn)，其可以將齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)間接的反映出來，因此對變速箱的振動以及噪音診斷受到了廣泛的的關(guān)注，通過檢測診斷變速箱可以對齒輪裝置的性能進(jìn)行評價，已經(jīng)成為其最重要的評判指標(biāo)。針對變速箱的振動以及噪音，很多著名的學(xué)者都有著非常獨到的見解以及看法。例如來自美國的Buckingham、德國的Niemann以及英國學(xué)者H.optiz，特別是上世紀(jì)六十年代英國學(xué)者H.optiz針對變速箱的振動以及噪音發(fā)表了多篇研究成果，這些研究成果主要是通過變速箱中齒輪的機(jī)械振動和噪音原理繪制成研究曲線，在通過這些曲線主要闡述了變速箱振動以及噪音作為重要的影響因素，對齒輪的傳動誤差、傳動功率以及傳動精度都有著非常重要的影響?；谶@些研究曲線就形成了“簡易故障診斷法”，這種診斷方法經(jīng)過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，其不但不能及時對變速箱的故障進(jìn)行診斷，而且其診斷的誤差率非常高，經(jīng)常會出現(xiàn)誤判的情況。因此研究學(xué)者如B. Randall 和 JamesI. Taylor 等人尤為突出，經(jīng)過不斷的試驗研究，經(jīng)過甄別篩選就形成了非常準(zhǔn)確的變速箱故障診斷方法，其中最重要的發(fā)現(xiàn)就是頻域分析法，這種方法對于診斷變速箱故障振動信號具有非常有效的作用。目前變速箱故障診斷的重要研究方向就是對變速箱的狀態(tài)進(jìn)行分析，通過監(jiān)測儀器的開發(fā)以及利用及時對故障信號進(jìn)行診斷與處理，從而得到變速箱故障特征以及形成機(jī)理，從而有效的進(jìn)行維修。

3 國內(nèi)研究概況

我國在機(jī)械故障診斷技術(shù)方面較國外還有較大的差距，但是隨著近些年來的機(jī)械設(shè)備越來越復(fù)雜，故障診斷技術(shù)得到了眾多學(xué)者及專家的關(guān)注。北京科技大學(xué)的馮志鵬與清華大學(xué)的褚福磊教授針對行星齒輪箱開展了深入的研究，主要致力于振動信號仿真模型的研究工作，并基于頻譜分析法研究了故障特征，并給出了計算太陽輪故障頻率的計算公式。南京航空航天大學(xué)的朱如鵬教授等使用集中質(zhì)量法構(gòu)建了行星齒輪傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)非線性振動動力學(xué)模型，其包含了齒側(cè)間隙及時變嚙合剛度等非線性因素對模型的影響，該技術(shù)能夠從理論方面解釋這一類參數(shù)對振動的影響。國防科技大學(xué)的馮占輝與胡蔦慶教授等針對直升機(jī)主減速器行星齒輪箱進(jìn)行了多年的研究，提出了基于小波分解與HHT的行星齒輪系統(tǒng)故障診斷方法，并且使用了頻段分析技術(shù)進(jìn)行了研究。西安交通大學(xué)的何正嘉教授在機(jī)械故障診斷領(lǐng)域開展了細(xì)致的研究工作，為了提取微弱故障信號，創(chuàng)建了幾種自適應(yīng)多小波奇函數(shù)構(gòu)造方法。陸軍裝甲兵學(xué)院的馮輔周等人針對裝甲車輛齒輪箱提出了很多故障診斷方法，包括：基于小波相關(guān)排列熵的早期故障診斷方法，基于小波相關(guān)排列熵算法和隱馬爾科夫模型的診斷方法。處理信號以及分析信號的方法也取得了相當(dāng)大的突破發(fā)展。它們是由時域波形分析、轉(zhuǎn)速同步分析、功率譜分析、細(xì)化譜分析、相關(guān)分析、相干分析、倒頻譜分析、解調(diào)分析、澤布圖、伯得圖等傳統(tǒng)的分析方法逐步地通過研究試驗，創(chuàng)新出一些如復(fù)調(diào)制帶通濾波器解調(diào)、小波分析等較新的信號分析方法。

總體來講，在變速箱的故障機(jī)理研究和特征信號提取方面，雖然取得了一定的成績，但是由于變速箱本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，工作環(huán)境一般比較惡劣，干擾因素較多，涉及問題較廣，使得現(xiàn)有的方法還不能完全揭示變速箱內(nèi)部的故障情況，還需要進(jìn)一步研究。

4 變速箱振動故障診斷的發(fā)展趨勢

從上個世紀(jì)七十年代開始，專家學(xué)者對于變速箱的振動故障診斷就在進(jìn)行不斷的實驗，經(jīng)過這些實現(xiàn)對變速箱的機(jī)理特征以及故障診斷情況進(jìn)行分析，另外還提出了變速箱故障診斷最為重要的準(zhǔn)確方法與理論知識，通過研究發(fā)現(xiàn)，變速箱發(fā)生振動故障的主要判斷特征就是振動信號，這些振動信號可以變速箱的故障特征，隨著不同故障的發(fā)生，振動信號的能量分布也不盡相同，從而使得檢測振動信號成為判斷變速箱的重要依據(jù)。在對振動的能量分布情況進(jìn)行監(jiān)測的過程中，隨著分布情況的不斷變化，對變速箱的運行狀況也就能夠快速掌握，基本上可以實現(xiàn)設(shè)備不停機(jī)的情況下對變速箱的故障進(jìn)行診斷，使得在變速箱存在故障問題時，能夠?qū)收蠁栴}的大小提前估計，對變速箱進(jìn)一步采取措施處理。今后機(jī)械故障診斷的發(fā)展方向隨著時代的進(jìn)步，主要集中在實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。

5 結(jié)語

總而言之，變速箱的故障診斷技術(shù)是非常重要的，車輛行星變速箱是一個復(fù)雜的齒輪傳動系統(tǒng)，是車輛的重要組成部分，由于其惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的內(nèi)部傳動，經(jīng)常導(dǎo)致齒輪及傳動系統(tǒng)故障，對行星變速箱典型故障機(jī)理研究及其振動信號特征分析便顯得格外重要。