羅成

【摘 要】行星齒輪箱具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，它的結(jié)構(gòu)特性與定軸齒輪箱完全不同。因而，對(duì)行星齒輪箱的診斷方法不能采用定軸齒輪箱那些較為古老的方法。目前，很多學(xué)者在定軸齒輪箱上的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷方面已經(jīng)做出了很多研究，但是在行星齒輪箱上這方面的研究還不是很完善，本文的目的就是回顧和總結(jié)這些文獻(xiàn)，并為對(duì)這個(gè)方向感興趣的研究人員提供綜合的參考。并對(duì)定軸齒輪箱和行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)作出了介紹，簡(jiǎn)單論述與分析了行星齒輪箱特有的特征和故障特點(diǎn)，基于目前可采用的方法對(duì)行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】行星齒輪箱;狀態(tài)檢測(cè);故障診斷

中圖分類號(hào)： TH132.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）25-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.067

Fault Diagnosis Method of Planetary Gear Box

LUO Cheng

（School of mechanical engineering， tongling university， Tongling Anhui 244000， China）

【Abstract】The planetary gearbox is quite different from the fixed-axle gearbox and has unique characteristics. Therefore， the application of good fault diagnosis method in the fixed-axle gearbox is not suitable for the planetary gearbox. There are many studies on condition monitoring and fault diagnosis of fixed-axle gearbox， but the research on planetary gearbox is insufficient. However， we find that the literature on condition monitoring and fault diagnosis of planetary gearbox has appeared in academic journals， conference summaries and technical reports. The purpose of this paper is to review and summarize these literatures， and to provide a comprehensive reference for researchers interested in this direction. This paper briefly introduces and compares the structure of planetary gearbox and fixed-axis gearbox， expounds and analyses the unique features and fault characteristics of planetary gearbox， and summarizes the research progress of condition monitoring and fault diagnosis of planetary gearbox based on the currently available methods.

【Key words】Planetary Gear Box; State Detection; Fault Diagnosis

1 行星齒輪箱常見故障分析與排除措施

1.1 行星齒輪箱壓力差

齒輪箱在運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)副由于摩擦而發(fā)熱和受環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致箱內(nèi)溫度升高。隨箱內(nèi)溫度逐漸升高，箱內(nèi)壓力增大，齒輪箱內(nèi)外壓力差增大，將導(dǎo)致潤(rùn)滑油在壓差作用下，從縫隙處漏出，破壞摩擦環(huán)境，甚至影響齒輪箱傳動(dòng)過程。

1.2 減速機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)檢驗(yàn)孔蓋板太薄時(shí)，在上緊螺栓后非常容易產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致結(jié)合面的不平整，油會(huì)在有接觸縫隙的地方漏掉。

減速機(jī)在制造的時(shí)候，由于鑄造器件未及時(shí)退火、時(shí)效處理和消除內(nèi)應(yīng)力，這樣定會(huì)產(chǎn)生變形，從而形成縫隙，最終油泄露掉。

在箱體上未設(shè)置回油槽，潤(rùn)滑油堆積在軸封、端蓋、結(jié)合面等處，在壓力差的作用下，從間隙處向外泄漏。

軸封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在很早之前，減速機(jī)大多都使用氈圈式軸封與油溝這樣的結(jié)構(gòu)，在組裝的過程時(shí)會(huì)使毛氈發(fā)生變形，從而會(huì)導(dǎo)致結(jié)合面縫隙會(huì)被密封起來。倘若軸頸與密封器件接觸不是很理想，因?yàn)槊珰值难a(bǔ)償性極差，密封在短時(shí)間內(nèi)會(huì)立即失效。油溝上雖設(shè)有回油孔，但非常容易堵塞，回油的作用難以顯現(xiàn)。

1.3 加油量過多

當(dāng)減速機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中，油會(huì)在油池里被攪動(dòng)得非常厲害，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑油在機(jī)器內(nèi)部到處飛迸，但是加油過多的話，會(huì)使?jié)櫥头e聚在軸封與結(jié)合面處，從而導(dǎo)致油泄漏。

1.4 檢修工藝不當(dāng)

設(shè)備檢修時(shí)，由于結(jié)合面上污物未清除徹底，又或者是選取密封膠不正確、把密封件裝反、沒有及時(shí)更換密封件等都會(huì)引起漏油。

2 齒輪箱診斷方法

目前，對(duì)齒輪箱進(jìn)行采集振動(dòng)信號(hào)、特征提取與故障診斷是常見的診斷方法。由于行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)特征與定軸齒輪箱相比有很大區(qū)別，所以這些方法只適用于診斷定軸齒輪箱，并不適用于行星齒輪箱。時(shí)域特征分析與頻域分解法是行星齒輪箱的主要診斷方法。

時(shí)域特征分析

a.有量綱振幅檢測(cè)：檢測(cè)齒輪的振動(dòng)強(qiáng)度，可以先把時(shí)域特征中的峰值和有效值等參數(shù)檢測(cè)出來，從而可以判定齒輪的工作狀態(tài)?？梢杂妙惐确ㄅc絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法或者相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法來判別標(biāo)準(zhǔn)。

b.無量綱振幅檢測(cè)：通常為了方便于診斷，所以常用無量綱振幅參數(shù)指標(biāo)來作為故障特征。波形、峰值、脈沖、裕度與峭度指標(biāo)是無量綱的診斷參數(shù)。其主要特點(diǎn)為對(duì)不同故障信息敏感，且傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特征參數(shù)影響較小。此外，對(duì)于信號(hào)的頻率分布來言采用無量綱較為穩(wěn)定。

頻域分析方法

2.1 倒頻譜分析及特點(diǎn)

倒頻譜（Cepstrum）的定義是對(duì)功率譜的對(duì)數(shù)數(shù)值進(jìn)行傅里葉逆變換，將繁雜的卷積關(guān)系變?yōu)楹芎?jiǎn)單的線性疊加。故可以很容易地在倒頻譜上檢測(cè)與識(shí)別信號(hào)頻率組成的分量，這種方法能夠很容易的提取所相關(guān)的頻率成分，這樣它能夠準(zhǔn)確的反映故障特性。即把時(shí)間信號(hào)x（t）的功率譜函數(shù)G（f）取對(duì)數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換，其表達(dá)式為：

在倒頻譜上縱坐標(biāo)與頻譜可以是相同的單位，但是它的橫坐標(biāo)必須是倒頻率，單位為毫秒。高倒頻率表示倒頻譜上時(shí)間變量值大的那部分，它表示頻譜的快速跳動(dòng)，其中低倒頻率為其值小的那部分，它表示頻譜的慢速跳動(dòng)。對(duì)倒頻譜的分析有下面兩個(gè)特點(diǎn)：

a.可有效地提取識(shí)別頻譜上的周期成分

在齒輪箱中的振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱邊帶這樣的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)是因?yàn)楹芏鄠€(gè)齒輪產(chǎn)生很多種轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率，而且還會(huì)常常受到多個(gè)調(diào)制源的共同作用，況且在功率譜里面有很多大小與周期變化都不一樣的結(jié)構(gòu)。所以，在這個(gè)時(shí)候采用細(xì)化譜分析邊頻有一定的局限性。

行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜且多重耦合的時(shí)間歷程信號(hào)，不僅具有嚙合振動(dòng)信號(hào)和故障振動(dòng)信號(hào)，另外還有噪聲信號(hào)、傳遞路徑等因素的調(diào)制。所以，在嚙合處的頻率與其諧波周圍散布著很多不同的邊帶，因此，邊帶的間隔頻率即它的故障頻率。故障頻率的諧波階次數(shù)與它的幅值成反比。采用對(duì)數(shù)刻度來表示該功率譜的幅值，故一個(gè)周期波大約是功率譜峰的平均包絡(luò)線，對(duì)于這樣包含了邊帶成分從而具有周期性頻率結(jié)構(gòu)（即各譜線間具有相同的間隔）的功率譜采用傅里葉逆變換，把原有的對(duì)數(shù)功率譜轉(zhuǎn)到一個(gè)新域中便是它的結(jié)果，在該新域里，具有周期性的頻率結(jié)構(gòu)可以在倒頻譜上變化為單根譜線與高階譜線。

根據(jù)變換過程可以得出，倒頻譜是再次對(duì)周期性頻率結(jié)構(gòu)成分的能量進(jìn)行集中，當(dāng)功率譜的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)分別給低幅值分量、高幅值分量以較高的加權(quán)和較低的加權(quán)，從而使小信號(hào)周期得以突出。

b.倒頻譜分析受傳輸途徑影響小

經(jīng)驗(yàn)說明，由于測(cè)量齒輪箱振動(dòng)時(shí)不同的傳感器安裝位置，不同的信號(hào)傳遞方法，所形成的傳遞函數(shù)也會(huì)各異，因此在測(cè)點(diǎn)頻譜中，函數(shù)反映得到的結(jié)果也有差異。在通過倒頻譜處理后，兩個(gè)倒頻譜上部分高倒頻率將近于相同，而部分低倒頻率有所差異，系統(tǒng)傳遞特性差異可通過以上體現(xiàn)出來。

2.2 細(xì)化譜分析法

頻譜中的一些有限頻段中的分辨能力可通過細(xì)化譜來增強(qiáng)，就是所說的“局部頻率擴(kuò)展”方法。一般在譜圖中，標(biāo)準(zhǔn)頻譜的頻率是由0Hz到最高分析頻率。根據(jù)譜線條數(shù)及最高分析頻率來確定頻率的分辨率。兩者關(guān)系如下：

細(xì)化分析是為得到比較高的圖像分辨率而沿頻率軸將部分頻段進(jìn)行放大，把圖像中的局部區(qū)域進(jìn)行放大，如果把需要進(jìn)行觀察的頻段的中心頻率fm作為放大中心，進(jìn)行重新采樣和頻率移位等過程，就可獲得細(xì)化譜。

在測(cè)得的齒輪故障信號(hào)中，所得到的調(diào)制后的邊頻，為兩邊分散著把故障特征頻率作為間隔且中心為嚙合頻率的邊頻帶。邊頻帶?？梢赃\(yùn)用于齒輪的故障分析，但是由于在一般頻譜圖上間隔很小的調(diào)制頻率，較低的頻譜分辨率，致使這些間隔頻率常常無法找到。因而，運(yùn)用細(xì)化分析方法來細(xì)化處理后的頻譜，可以實(shí)現(xiàn)有效地觀察。

細(xì)化譜邊頻的查找和故障診斷，可從兩方面入手：

一是通過邊帶的對(duì)稱性來找尋fm±ifr（i=1，2，3…）的頻率關(guān)系，確定其有無成為一組邊帶的條件。依據(jù)邊帶的成分與故障特征頻率相互對(duì)應(yīng)，即可辨別行星齒輪箱內(nèi)故障位置。

二是對(duì)比各次測(cè)量中邊帶譜峰的幅值差異水平，邊帶譜峰圖形的轉(zhuǎn)變就包括著齒是否存在局部故障或分布故障及故障程度。

細(xì)化譜是使用頻移定理作為主要的分析過程，實(shí)現(xiàn)時(shí)域樣本的變化，使相應(yīng)頻譜原點(diǎn)和感興趣頻段中心頻率重合，重新進(jìn)行采樣作FFT，即能獲取更高的頻率分辨率。

例如行星齒輪箱的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)x（t），濾波器的截止頻率在經(jīng)由低通濾波處理后為fc≤fs/2，（式中fs是采樣頻率）。下述即為細(xì)分譜的詳盡分析舉措。

（1）復(fù)調(diào)制移頻：通過左右移動(dòng)頻域坐標(biāo)，讓其零頻位置即為被觀察的頻段起點(diǎn)。這時(shí)用e實(shí)現(xiàn)對(duì)離散信號(hào)x（n）的復(fù)調(diào)制，對(duì)應(yīng)該細(xì)化的頻帶中心頻率，將其移動(dòng)到頻率軸原點(diǎn)，即可獲得：

（2）數(shù)字低通濾波：為濾出所需求分析的頻段信號(hào)，須要運(yùn)用抗混疊濾波來確保重新采樣后不會(huì)發(fā)生頻譜混疊。如果D為頻率細(xì)化的倍數(shù)，那么得到低通濾波器的截止頻率fc=fs/2D。

（3）重新采樣：分析信號(hào)頻帶會(huì)因在信號(hào)移頻及低通濾波后而變窄，因此可以用相對(duì)原采樣頻率下降了D倍的較低的采樣頻率f's=fs/D實(shí)現(xiàn)重新采樣，即對(duì)原采樣點(diǎn)抽樣每間隔N點(diǎn)再進(jìn)行一次。

（4）復(fù)FFT處理：對(duì)沖采樣后的N點(diǎn)復(fù)序列經(jīng)過復(fù)傅里葉變換處理獲得N條譜線，此中的頻率分辨率為Δf'=f's/N=fs/ND=Δf/D，可以看出分辨率提升了D倍。

（5）頻率調(diào)整：細(xì)化后的頻譜可通過上述中的譜線移動(dòng)到實(shí)際頻率處來獲得。如果Y（k）為步驟四所獲得的頻譜，X（k） 是細(xì)化后所能得到的頻譜，那么

細(xì)化譜分析特點(diǎn)：

a.集中缺陷，其沖擊次數(shù)（即故障齒輪）不改變邊帶間隔，只改變邊帶強(qiáng)度。邊帶強(qiáng)度因沖擊次數(shù)愈多而愈大。另外，邊帶的強(qiáng)度還與嚙合齒輪振動(dòng)的大小和沖擊強(qiáng)度的大小有關(guān)。因此邊帶本身強(qiáng)度的大小可作為齒輪運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)判定參數(shù)。

b.從理論上講，集中故障的邊帶數(shù)目多，強(qiáng)度起伏小。而對(duì)于分布故障，若調(diào)質(zhì)波為單頻，則在理論上在嚙合頻率和2倍頻兩側(cè)各成一條邊帶，若調(diào)制波含有2次諧波，則在嚙合頻率和2倍頻兩側(cè)各成2條邊帶。

【參考文獻(xiàn)】

[1]葛航奇，潘宏俠，畢靜偉.基于小波包分解和矩陣分形的齒輪箱故障診斷研究[J].中北大學(xué)，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2016.

[2]Jinyu Wang，Dejian Kong，Shi Dong，Chao Wang The Gearbox Fault Diagnosis Based on Wavelet Transform[J].Atlantis Press，2015.

[3]張耀.基于Hilbert-Huang變換的齒輪箱故障診斷方法研究[J].蘭州理工大學(xué)，2014.

[4]諸文俊主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，西安交通大學(xué)出版社，1997.

[5]吳宗澤.機(jī)械零件.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1986.

[6]何小柏主編.機(jī)械設(shè)計(jì).重慶大學(xué)出版社：1996.