李 崢，王天楊，明安波，秦朝燁，盧文秀，褚福磊

（1.清華大學(xué)機械工程系，北京 100084；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072）

0 引言

國內(nèi)外針對風(fēng)電行星齒輪開展故障診斷的研究有很多，但是真正用到實際工程中的卻很少。為此清華大學(xué)動力學(xué)課題組利用本實驗室的風(fēng)電齒輪模擬試驗臺開展針對行星齒輪實驗研究，結(jié)合各種頻域分析方法開展針對行星齒輪信號分析對比，從而得到更適用于行星齒輪的故障診斷頻域分析方法，為開展旋轉(zhuǎn)機械故障診斷實驗教學(xué)與研究以及后續(xù)工程應(yīng)用提供參考［1-4］。

1 試驗臺

針對1.5 MW風(fēng)電齒輪箱縮比設(shè)計了風(fēng)電齒輪箱模擬試驗臺，如圖1 所示。風(fēng)電齒輪模擬試驗臺為一級行星級兩級平行，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示［5-9］，表1 為該系統(tǒng)各級齒輪參數(shù)及傳動比。

表1 各級齒輪參數(shù)及傳動比

圖1 風(fēng)電增速齒輪箱

圖2 風(fēng)電增速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 行星齒輪特征頻率分析及實驗

利用行星級齒輪箱特征頻率計算公式［6］，控制器在50 Hz下。行星齒輪故障頻率fpf＝1.16 Hz；行星架轉(zhuǎn)頻fc＝0.44 Hz，太陽輪轉(zhuǎn)頻fs＝2.49 Hz，行星級齒輪箱的行星輪與內(nèi)齒圈和太陽輪的嚙合頻率fm＝34.43 Hz。在嚙合頻率兩邊會出現(xiàn)以fpf故障特征頻率為33.28、35.58 Hz，行星架的fc＝0.44 Hz，調(diào)制頻率分別為33.11、33.55、33.99、34.87、35.31、35.75 Hz等，太陽輪fs＝2.49 Hz，調(diào)制頻率為31.94、36.92 Hz。

fpf±fc＝0.72 和1.60 Hz，所得到的邊頻為：32.80，33.71，35.15，36.03 Hz。

fs±fpf＝1.33 和3.65 Hz，所得到的邊頻為：30.78，30.10，35.76，38.08 Hz。

fs±fc＝2.05 和2.93 Hz，所得到的邊頻為：31.50，32.38，36.48，37.35 Hz。

fs＋fc-fpf＝1.77 Hz，所得到的邊頻為：32.66，36.20 Hz。

fs-fc-fpf＝0.89 Hz，所得到的邊頻為：33.54，35.32 Hz。

fs＋2fc-fpf＝2.21 Hz，所得到的邊頻為：32.22，36.62 Hz。

采集設(shè)備和各種傳感器如圖3 所示，采集模塊為NI設(shè)備，加速度傳感器為3056B1，靈敏度為10 mV／g（為了能采集到準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，采樣頻率8.192 kHz，采樣時間60 s）。具體參數(shù)如下：靈敏度（10 ±5%）mV／g，量程500 g，頻率響應(yīng)1～10 000 Hz，質(zhì)量10 g，溫度范圍-51～＋121 ℃，安裝方法：螺栓。

圖3 NI采集系統(tǒng)

采集硬件設(shè)備具體參數(shù)如下：cDAQ-9174 采集箱：共有4 個插槽，可插4 個采集卡，最多16 個通道。3個指示燈：POWER，READY，ACTIVE，側(cè)面還有一個螺釘連接接地線。NI 9234 采集卡：4-Ch，±5 V，24 bit，51.2 kS／s／ch，Simultaneous，AC／DC Coupling，IEPE AC Coupling，支持AC、DC、IEPE、BNC接頭，可以直接連接加速度傳感器。自帶驅(qū)動軟件NI MAX，軟件控制界面如圖4 所示。

圖4 NI MAX軟件控制界面

利用上述程序分別對以下實驗工況進行數(shù)據(jù)采集，其加載方式為無加載、0.1、0.2、0.3 MPa 4 種狀態(tài)下對行星齒輪無故障、剝落、斷齒3 種情況，如圖5所示。

圖5 行星齒輪的故障狀況

3 信號分析與處理

利用風(fēng)電模擬試驗臺采集得到的無故障、剝落、斷齒三種行星齒輪數(shù)據(jù)，利用傅里葉、頻譜自相關(guān)、包絡(luò)譜、平方包絡(luò)方法進行對比分析，從而得出針對行星齒輪最優(yōu)的頻域分析方法［10-16］，如圖6 所示。

圖6 各種分析方式信號分析對比圖

通過對以上4 種頻域分析方法都可以分析出行星齒輪的故障特征頻率。但是各種頻域方法的比較不難發(fā)現(xiàn)，平方包絡(luò)方法對于此齒輪箱的行星級信號更明顯也更好一些，其次是包絡(luò)分析，再次是頻譜自相關(guān)，雖然傅里葉變換也可以找到故障的特征頻率，但是，由于頻譜圖上成分過于復(fù)雜，不能很快地找到所對應(yīng)的故障特征頻率。在分析行星齒輪的故障時，不僅要分析信號本身的特征，還要參考其當(dāng)時工作狀況，這樣才能做出正確的判斷。綜上所述，對于行星齒輪的頻域分析診斷中，診斷能力由大到小排列分別為：平方包絡(luò)＞包絡(luò)＞頻譜自相關(guān)＞頻譜分析。

4 結(jié)語

本文利用現(xiàn)有實驗設(shè)備，開展關(guān)于行星齒輪實驗研究，通過不同頻域分析方法進行信號分析，得到了頻域分析方法在行星齒輪故障診斷的適用性，為開展風(fēng)電不同工況實驗教學(xué)研究奠定了實驗分析和數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)。