摘要

　　行星齒輪箱具有傳動(dòng)比大、體積小、承載能力大、工作穩定等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用于航空領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電等機械傳動(dòng)系統中，行星齒輪箱工作運行時(shí)狀態(tài)與機械設備工作效率密切相關(guān)，但又因行星齒輪箱長(cháng)期處于高強度、高負荷的惡劣環(huán)境中工作，容易產(chǎn)生疲勞裂紋及齒輪磨損等機械故障。所以對行星齒輪箱進(jìn)行故障診斷領(lǐng)域的研究有著(zhù)重要意義，可以提前診斷出故障、提高設備使用壽命，預防突發(fā)性故障等。為此，本文研究了基于扭振信號行星齒輪箱故障特征提取，主要內容如下:

　　提出并實(shí)現了基于安裝在行星齒輪箱上的增量式編碼器采集扭振信號的測量方法，通過(guò)高頻脈沖計數原理選擇多功能數據采集卡和高分辨率的編碼器，完善行星齒輪箱相應的軟件數據采集系統，再增加所需的硬件配置，搭建出完整的行星齒輪箱故障診斷實(shí)驗平臺。介紹了行星齒輪箱扭振信號有關(guān)的頻譜特征，通過(guò)實(shí)驗對比分析出扭振信號的可行性，相對于橫向振動(dòng)信號，扭振信號具有頻譜結構簡(jiǎn)單、信噪比高、不易受其他振源影響、對故障敏感等優(yōu)點(diǎn)，確定扭振信號為行星齒輪箱故障診斷實(shí)驗分析信號。

　　分別研究了在空載和不同負載下行星齒輪箱輸入軸與輸出軸的扭振信號，并分別在正常狀態(tài)與斷齒故障狀態(tài)下對比分析，認為行星齒輪箱在空載運行時(shí)，輸入軸扭振信號比輸出軸對故障更加敏感，更能反映出故障特征。在負載不斷變化時(shí)，發(fā)現輸出軸扭振信號比輸入軸更具優(yōu)勢，對故障特征更加敏感，剛好與空載時(shí)情況相反。與此同時(shí)，從故障特征指標的角度診斷故障，分別對比分析峭度值與均方根值故障前后的變化，發(fā)生兩者診斷效果較好。

　　針對行星齒輪箱在惡劣環(huán)境下故障特征提取，提出了基于 H-P 濾波與變分模態(tài)分解相結合的扭振信號時(shí)域分析方法。先通過(guò)構建模擬信號對該方法進(jìn)行初步驗證，然后通過(guò)實(shí)驗方式，分別在不同負載下進(jìn)一步論證該方法的可行性，實(shí)驗還從扭振信號處理前后峭度值指標變化情況判斷出故障的發(fā)生，較好的解決了負載時(shí)行星齒輪箱輸入軸扭振信號故障特征提取不明顯的問(wèn)題。

　　關(guān)鍵字：行星齒輪箱，扭振信號，增量式編碼器，故障診斷，H-P濾波，變分模態(tài)分解，故障特征

Abstract

　　Planetary gearbox with a large transmission ratio, small size, carrying capacity, work stability and many other advantages, widely used in aviation, wind power and other mechanical transmission systems, planetary gearbox is closely related to the working efficiency of the mechanical equipment during its operation. However, due to the long-term operation of the planetary gearbox in harsh environments with high strength and high load, mechanical faults such as fatigue cracks and gear wear easily occur. Therefore, research on the field of fault diagnosis of planetary gearboxes is of great significance. It can diagnose faults in advance, improve the service life of devices and prevent unexpected faults. Therefore, this paper studies the fault feature extraction of planetary gearboxes based on torsional vibration signals. The main contents are as follows:

　　The measurement method of acquiring torsional vibration signal based on the incremental encoder installed on the planetary gearbox is proposed and implemented.

　　The multi-function data acquisition card and high-resolution encoder are selected by the principle of high-frequency pulse counting, improve the corresponding planetary gearbox software data acquisition system, and then add the required hardware configuration, build a complete planetary gearbox fault diagnosis experimental platform. The spectrum characteristics of the torsional vibration signals of planetary gearbox are introduced. The feasibility of the torsional vibration signal is analyzed through experiments. Compared with the transverse vibration signal, the torsional vibration signal has the advantages of simple spectral structure, high signal-to-noise ratio, less susceptible to other vibration sources and being sensitive to the fault, so as to determine the torsional vibration signal as an experimental analysis signal of the planetary gearbox fault diagnosis.

　　The torsional vibration signals of the input shaft and the output shaft of the planetary gearbox under no-load and under different loads are studied respectively. The contrastive analysis is made between the normal state and the broken tooth state respectively, it is considered that the torsional vibration signal of the input shaft is more sensitive than the output shaft to the fault when the planetary gear box is in no-load operation, which can better reflect the fault characteristics. When the load is changing, it is found that the output shaft torsional vibration signal has more advantages than the input shaft and is more sensitive to the fault characteristics, just the opposite of the no-load condition. At the same time, the fault diagnosis from the perspective of fault characteristics indicators, respectively, comparative analysis of kurtosis and root mean square value before and after the change, the occurrence of both diagnosis is better.

　　Aiming at the fault feature extraction of planetary gearbox in harsh environment, a time-domain analysis method of torsional vibration signal based on H-P filtering combined with variational mode decomposition is proposed. Firstly, the method is verified by constructing analog signals, and then the feasibility of this method is further demonstrated under different loads by means of experiments, the experiment also judges the occurrence of the fault from the change of kurtosis index before and after the torsional vibration signal processing, and solves the problem that the fault feature of the torsional vibration signal of the input shaft of the planetary gearbox is not obvious when the load is loaded.

　　Key Words: planetary gearbox, torsional vibration signal, incremental encoder, fault diagnosis, H-P filter, variational mode decomposition, fault feature

　　行星齒輪傳動(dòng)相對于定軸輪系傳動(dòng)其優(yōu)勢更為明顯，經(jīng)常被當做差速器、增減速機等零部件使用，圖 1-1 為行星齒輪傳動(dòng)圖解形式，行星齒輪不同于一般齒輪，由于其特殊結構組成，具有一些特定優(yōu)點(diǎn)，諸如傳動(dòng)比大、體積小、質(zhì)量輕、承載能力強、傳動(dòng)效率較高等，因此，廣泛適用于風(fēng)力發(fā)電機、航空、礦山等工作環(huán)境較為惡劣的工程領(lǐng)域[1-3]。

　　行星齒輪傳動(dòng)具有諸多特點(diǎn)和優(yōu)勢的同時(shí)，也面對許多困難，行星輪系長(cháng)期處于高速、重載、非封閉、高降速比等極其惡劣的環(huán)境中，行星齒輪容易發(fā)生故障，例如齒根裂紋、齒輪局部磨損、點(diǎn)蝕，甚至出現輪齒斷裂或者齒軸折斷。

　　在現在行星齒輪箱故障診斷技術(shù)領(lǐng)域中，大多數是將振動(dòng)信號作為分析信號，對其進(jìn)行處理，診斷出設備故障。振動(dòng)信號是由安裝于行星齒輪箱體表面加速度傳感器測得，也稱(chēng)為直線(xiàn)運動(dòng)往復振動(dòng)信號。起初多用于定軸齒輪軸系領(lǐng)域上的故障診斷，之后便試著(zhù)將振動(dòng)信號應用到行星齒輪軸系進(jìn)行故障診斷。研究發(fā)現，如果我們將往復振動(dòng)信號直接作為行星齒輪傳動(dòng)系統的診斷信號，會(huì )出現許多問(wèn)題：

　　1、在行星齒輪箱處所采集的振動(dòng)信號內容較為豐富。行星齒輪傳動(dòng)系統組成結構相對復雜，通常是由太陽(yáng)輪、齒圈、行星齒輪、行星架等部件組合而成。正是因為其結構的特殊性，行星齒輪既公轉也自轉，運行時(shí)太陽(yáng)輪和行星輪各自旋轉。齒圈固定不變，行星輪一邊圍繞著(zhù)自身中心軸線(xiàn)自轉，一邊圍繞著(zhù)太陽(yáng)輪公轉，安裝在行星齒輪箱上的加速度傳感器也是固定不變的。由于行星輪不停的旋轉，其與加速度傳感器的位置也不斷發(fā)生改變，行星齒輪與太陽(yáng)輪運行時(shí)嚙合點(diǎn)也隨之變化，振動(dòng)信號傳遞路徑改變等易對信號產(chǎn)生調幅調頻作用，原始信號失真，導致所采集的扭振信號較為混亂。所采集的振動(dòng)信號與定軸輪系類(lèi)似，相關(guān)軸承、箱體的干擾振動(dòng)信號包含其中，信號成分復雜多變，不利于分離出所需的嚙合振動(dòng)信號進(jìn)行分析研究。

　　2、行星齒輪故障特征信號較弱，不利于提取故障信號特征，低頻受到嚴重噪聲干擾。通常故障時(shí)所出現的故障沖擊特征信號極其微弱，容易受到復雜的嚙合振動(dòng)影響，導致故障特征信號被其所掩蓋。很難提取到故障特征，特別是在齒輪早期故障時(shí)期，診斷效果不佳。

　　針對以上振動(dòng)信號在行星齒輪軸系故障診斷的局限性，扭振信號就表現出其優(yōu)勢所在。扭振信號是故障診斷很好的選擇。行星齒輪的嚙合扭振信號在扭轉中，其相應的波動(dòng)信號會(huì )有扭振信號產(chǎn)生。相比于往復振動(dòng)信號故障發(fā)生時(shí)，扭振故障信號的傳遞路徑要簡(jiǎn)便得多。扭振信號幾乎不受外界其它振動(dòng)源干擾，其頻譜結構也極其簡(jiǎn)單。扭振信號還不受?chē)Ш衔恢酶淖兂霈F調幅調頻的影響，相對于振動(dòng)信號其對不同故障信息反應更強烈，因此，扭振信號在行星齒輪相關(guān)傳動(dòng)系統中，其故障診斷方面的優(yōu)勢更為明顯[ 4 ]。

　　綜上所述，對于行星齒輪箱振動(dòng)信號表現的不穩定、易受干擾等諸多不足之處。本課題擬將所采集的扭振信號作為行星齒輪傳動(dòng)故障的診斷原始信號，將扭振信號代替橫向振動(dòng)信號，充利用好扭振信號相關(guān)的優(yōu)勢，對行星齒輪箱不同故障工況給予診斷。本研究希望通過(guò)扭振信號的優(yōu)點(diǎn)，將行星齒輪故障診斷流程簡(jiǎn)單化，提高行星齒輪故障診斷效率，是種較為有效的故障特征提取方法。該方法能及時(shí)發(fā)現齒輪早期故障并分辨出不同的故障類(lèi)型，一定程度上，其彌補振動(dòng)信號所存在的一些缺陷，在行星齒輪箱故障診斷方法上提供新的思路。

扭振信號行星齒輪箱故障特征提取：

行星齒輪傳動(dòng)

齒輪傳動(dòng)系統簡(jiǎn)化模型

模擬信號的時(shí)域圖

經(jīng) H-P 濾波與 VMD 處理后的模擬時(shí)域圖

采集的原始扭振信號時(shí)域波形

H-P 處理后的扭振時(shí)域波形

目 錄

　　摘 要
　　Abstract
　　目 錄
　　第 1 章 緒論
　　　　1.1 課題來(lái)源
　　　　1.2 本課題的研究目的及意義
　　　　1.3 國內外研究現狀
　　　　1.4 本課題的主要研究?jì)热莺凸ぷ?br /> 　　第 2 章 故障齒輪及行星齒輪箱扭振信號模型
　　　　2.1 齒輪的失效形式
　　　　2.2 齒輪振動(dòng)機理
　　　　2.3 行星齒輪扭振信號頻譜特征
　　　　　　2.3.1 分布式故障扭振信號模型
　　　　　　2.3.2 分布式故障特征頻率
　　　　　　2.3.3 局部故障扭振信號模型
　　　　　　2.3.4 局部故障特征頻率
　　　　2.4 行星輪系傳動(dòng)比
　　　　2.5 嚙合頻率的計算
　　　　2.6 本章小結
　　第 3 章 行星齒輪扭振信號采集系統
　　　　3.1 扭振簡(jiǎn)介
　　　　3.2 扭振測量方法
　　　　3.3 增量式編碼器和高頻脈沖計數法
　　　　　　3.3.1 增量式編碼器簡(jiǎn)介
　　　　　　3.3.2 脈沖時(shí)序計數法原理
　　　　　　3.3.3 增量式編碼器扭振測量原理
　　　　3.4 采集系統總體構成
　　　　　　3.4.1 機械設備
　　　　　　3.4.2 增量式編碼器
　　　　　　3.4.3 多功能數據采集卡
　　　　　　3.4.4 其他設備
　　　　　　3.4.5 行星齒輪箱故障診斷試驗平臺
　　　　3.5 采集系統軟件部分
　　　　3.6 本章小結
　　第 4 章 基于扭振信號的行星齒輪故障分析實(shí)驗
　　　　4.1 扭振信號與橫向振動(dòng)信號對比分析
　　　　4.2 故障齒輪的扭振信號分析
　　　　4.3 空載時(shí)行星齒輪箱輸入輸出軸扭振信號對比
　　　　　　4.3.1 正常工況時(shí)輸入輸出軸扭振信號對比分析
　　　　　　4.3.2 正常與斷齒工況下輸入軸扭振信號對比分析
　　　　　　4.3.3 正常與斷齒工況下輸出軸扭振信號對比分析
　　　　　　4.3.4 斷齒工況下輸入輸出軸扭振信號對比分析
　　　　4.4 不同負載工況下輸入輸出軸扭振信號對比分析
　　　　4.5 不同負載下故障指標對比分析
　　　　4.6 本章小結
　　第 5 章 基于 H-P 濾波與 VMD 的行星齒輪箱故障特征提取
　　　　5.1 H-P 濾波與 VMD 介紹
　　　　5.2 模擬分析
　　　　5.3 故障齒輪扭振信號分析
　　　　5.4 本章小結
　　第 6 章 總結與展望
　　　　6.1 總結
　　　　6.2 展望
　　參考文獻
　　攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
　　致 謝

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