行星轮系早期故障诊断的研究与进展

行星轮系是重要的旋转机械部件，对其早期故障进行诊断是避免重大事故发生的重要手段。行星轮系早期故障诊断已经成为学者研究的焦点。分析了行星轮系早期故障信号的特点，梳理了行星轮系早期故障机理、信号获取方法、故障特征提取与识别的研究现状；归纳总结了早期故障诊断研究存在的主要问题，提出了开展基于动力学模型的早期复合故障机理研究、基于多传感器的早期故障信号获取方法研究、基于多域分析的早期故障特征指标研究、基于数值模型驱动的早期故障诊断研究等方面的建议；为进一步开展行星轮系早期故障诊断的研究提供依据。     

行星轮系中太阳轮断齿故障特性分析

行星齿轮箱的诸多传动优点使其越来越广泛地被应用于诸多机械设备中,其振动响应比定轴齿轮箱更为复杂,相应的动力学模型建立及故障诊断成为近年来的研究难点和热点。目前对行星减速轮系的建模分析大多都是建立在正常状态下,缺乏对故障状态下的行星轮系建模研究;对行星轮系进行故障特性分析时,缺乏振动机理方面的研究。针对现有研究的不足,建立了考虑振动传递路径时变效应的行星齿轮系统动力学模型;推导了太阳轮断齿故障下的时变啮合刚度表达式,通过对行星齿轮系统动力学模型的求解,分析得到了太阳轮断齿时系统的频谱响应特性;最后通过试验信号的对比,验证了动力学模型分析结果的准确性。     

基于局域均值分解的行星齿轮箱故障诊断方法

在低转速工况下,容易出现行星齿轮箱故障的微弱信号和强信号难以分离的情况,导致行星齿轮箱存在微弱故障诊断精度较差的问题,为此,提出了一种基于局域均值分解(LMD)的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,采用DASP数据采集系统,采集了行星齿轮箱不同工况下的振动信号,采用平移不变量小波降噪方法,对其振动信号进行了降噪处理;然后,采用局域均值分解方法分解了其振动信号,分别采用了能量算子和循环频率对其进行了解调处理,获取了微弱故障信号分量所对应的幅值和相位调制信息,准确提取了行星齿轮箱的微弱故障信号特征;最后,采用最小二乘支持向量机(LSSVM)识别了齿轮箱不同故障特征,判断了行星齿轮箱的运行状态,实现了行星齿轮箱的故障诊断。研究结果表明：采用基于LMD的方法,可以对行星齿轮箱的微弱异常信号及强异常信号进行准确诊断,获得满意的行星齿轮箱故障诊断结果,有效保障行星齿轮箱的安全、稳定运转。     

行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展

行星齿轮箱广泛用于风力发电、直升机、工程机械等大型复杂机械装备中,低速重载的恶劣工作环境经常导致其太阳轮、行星轮、行星架等关键部件出现严重磨损或疲劳裂纹等故障。然而,现有的中心轴固定的传统齿轮箱故障诊断理论与技术不能有效解决行星齿轮箱诊断中所面临的诸多棘手问题,例如行星齿轮箱中多模式混淆和振动传输路径复杂导致故障响应微弱、载荷大范围瞬时波动引起振动的强烈非平稳性、多对齿轮啮合的振动相互耦合造成振动明显的非线性、低频特征频率成分噪声污染严重等。阐述行星齿轮箱故障诊断的特点与难点;从动力学建模和动态信号处理两方面,综述和分析行星齿轮箱故障诊断的国内外研究进展;指出当前研究中存在的关键问题;讨论解决这些关键问题的途径。     

基于形态分量分析的变工况齿轮箱故障诊断研究

齿轮箱变工况运行时表现为转速和负载的变化,其振动信号是非线性的多分量信号,变工况齿轮箱故障诊断是研究难点。首先使用数字微分的阶次跟踪方法对原始振动信号按计算得到等角度重采样时刻插值,将非平稳的振动信号转化为角域平稳信号;然后使用形态分量分析(MCA)方法从角域信号中分离出冲击、简谐分量与噪声成分,提取齿轮箱非线性、多分量信号中的故障特征;再对冲击分量做角域平均突出故障特征,最后进行瞬时功率谱分析识别齿轮是否有故障。实验分析表明,使用此方法能根据瞬时功率谱分布的阶次和角度范围识别故障,适用于变工况下的故障齿轮检测。     

基于HEI量化故障信息的行星齿轮箱故障诊断方法研究

针对复杂工况下行星齿轮箱的故障信息难以量化衡量的问题,提出了基于谐波有效指数(HEI)量化故障信息的行星齿轮箱故障诊断方法。首先,对信号进行分析处理,对频率切片小波变换(FSWT)频率切片后的频带信号进行了精细复合多尺度散布熵(RCMDE)值计算,选取故障特征多的频带进行了信号重构,使用多点最优调整的最小熵解卷积(MOMEDA)对重构信号中的故障冲击成分进行了准确提取;通过建立谐波有效指数,量化了包含在振动信号中的故障信息,实现了对行星齿轮箱的故障诊断;最后,使用行星齿轮箱齿面磨损故障的试验数据进行了相关的验证。研究结果表明:该方法能够实现行星齿轮箱振动信号中故障特征的提取;从处理后信号的频谱中可以清楚地观察到行星轮故障特征频率f_p=7.03 Hz及其倍频nf_p;实验数据中的HEI值为3.47×10~(-6),可以作为衡量行星齿轮箱故障程度的有效指标。     

基于ADAMS的行星轮系动力学仿真

由于行星轮系的结构复杂,难以利用理论方法研究行星轮系的动力学行为,寻找一种简便、可靠的动力学行为研究方法来研究行星轮系的振动特性、可靠性等具有重要的意义。在对行星轮系进行三维参数化建模的基础上,利用机械系统动力学软件(ADAMS)建立了行星轮系的动力学模型,并对行星轮系的动力学行为进行了模拟。结果表明,仿真和理论结果的误差为0.2%,证明所建动力学模型是可靠、准确的;由于轮齿啮合的周期性致使轮系振动也具有周期性;行星轮轮齿间接触力满足力平衡关系,与理论分析相一致。研究结果对行星轮系振动特性、可靠性以及寿命等研究具有一定的指导意义。     

行星轮系动力学新模型及其故障响应特性研究

行星轮系中零部件多、结构复杂,建模难度大。行星轮既自转又公转,导致啮合点到固定在箱体上的传感器之间的距离时刻变化,从而产生振动传递路径时变效应,增加了振动响应的复杂性。现有的动力学模型大多针对正常情况下的行星轮系进行建模,而且未考虑振动传递路径时变效应对振动响应的影响。针对以上不足,推导了行星轮系正常、裂纹及剥落三种情况下的时变啮合刚度算法,考虑振动传递路径时变效应的影响,建立了相应的动力学模型,求解得到行星轮系正常、裂纹及剥落时的动态响应,并分析了它们的频谱特性。搭建了行星齿轮箱试验台以获取振动响应信号,与模型响应信号进行了对比分析,结果验证了动力学模型的准确性,为行星轮系的健康监测提供了理论依据。     

盾构机刀盘驱动多级行星齿轮传动系统的多目标优化

为满足盾构机刀盘驱动多级行星轮系高可靠性、低振动和高功率密度的设计要求,在建立系统的可靠性模型和动力学模型的基础上,建立了以系统可靠度、各级行星轮振动加速度和系统体积/质量为目标函数的多目标优化设计的数学模型,并针对工程实例,利用混合离散复合形法对其进行求解。结果表明,提出的优化模型及优化方法可有效地提高盾构机刀盘驱动多级行星轮系的可靠性,减小系统的振动水平和体积/质量。研究结果可为高可靠性、低振动、高功率密度的盾构机刀盘驱动多级行星减速器的设计提供参考。     

考虑误差下的变位齿轮行星轮系载荷特性研究

针对制造误差和安装误差使得变位齿轮行星轮系行星轮在径向和周向的安装位置与无偏移值存在偏差,进而使行星轮间所受载荷不均匀的问题,开展了变位齿轮行星轮系载荷特性研究。基于转子动力学理论,考虑时变刚度和行星轮的径向与周向偏移,建立了变位齿轮行星传动系统5自由度动力学模型;采用龙格库塔法求解了系统的响应和频域图,研究了变位齿轮行星轮系的载荷特性,分析了在不同径向偏移量、周向偏移量、复合偏移量情况下的行星轮间载荷分布特性,探讨了行星轮的径向与周向偏移对行星轮系载荷分配的影响,得到了变位齿轮行星轮系载荷振动幅值在时间和频率下的变化规律。仿真结果表明,考虑误差的行星轮系载荷特性与无偏移情况下的载荷特性有较大的差异,其幅值受径向偏移的影响较大,其中,径向偏移量大对行星轮所受载荷的影响最大;在安装过程中,行星轮的微小偏移都可能导致载荷特性的巨大变化。搭建了行星传动系统振动测试试验平台,测试了行星减速机壳体的倍频振动响应信号,得到了行星传动系统载荷与振动响应之间的关系。试验结果的振幅变化趋势与仿真分析结果中的振幅变化趋势相似,证明所建立的动力学模型及理论计算比较准确。