齒輪箱系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展簡(jiǎn)述

楊東山，寇應(yīng)展，田海寧

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.石家莊機(jī)械化步兵學(xué)院，河北 石家莊 050083）

0 引言

齒輪箱是用來改變轉(zhuǎn)速和傳遞動(dòng)力的常用機(jī)械設(shè)備，其故障率較高，是誘發(fā)機(jī)器故障的重要原因。為了確保其安全、可靠、正常運(yùn)行，對(duì)齒輪箱的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷就顯得尤為突出。眾所周知，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，就可能中斷生產(chǎn)，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來危害生命等災(zāi)難性后果。對(duì)齒輪箱系統(tǒng)進(jìn)行診斷是自故障診斷技術(shù)問世以來一直受到人們普遍重視的課題之一。

1 研究背景和意義

最近幾十年來，作為基礎(chǔ)零部件的齒輪和滾動(dòng)軸承應(yīng)用在各種機(jī)械設(shè)備中，而對(duì)于它們的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷一直是人們的研究熱點(diǎn)。研究顯示，傳統(tǒng)機(jī)械中80%的故障是由齒輪引起的，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中齒輪故障占其故障的10%左右，齒輪箱60%的故障是由齒輪引發(fā)的；而90%的齒輪故障都是局部故障，如裂紋、斷齒等，特別是對(duì)于渦軸、渦槳航空發(fā)動(dòng)機(jī)。而在齒輪箱中各零件損壞的比例中，齒輪零件所占比例約為60%，軸承零件所占比例為19%，軸零件所占比例為7%［1］。

資料顯示，1992年6月，日本海南電廠的一臺(tái)600 MW超臨界火力發(fā)電機(jī)組因機(jī)組軸承失效和臨界轉(zhuǎn)速下降引起機(jī)組共振，造成機(jī)毀事故，直接經(jīng)濟(jì)損失45億～50億日元；1986年一架英國斯威士蘭公司的直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，傳輸動(dòng)力的螺旋錐齒輪突然斷裂造成飛機(jī)失事［2］。同樣在我國也有因齒輪箱故障而產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)損失，船舶“舟鷹4”從普陀山駛往大榭，在駕駛過程中，由于右機(jī)齒輪箱失壓、少油導(dǎo)致正車摩擦片組緊密咬死，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約30萬元；在我國的水泥行業(yè)，水泥磨齒輪箱故障使水泥產(chǎn)量每年減少200萬噸以上；1988年2月，我國秦嶺發(fā)電廠的一臺(tái)200MW氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)生了軸系斷裂的嚴(yán)重事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過億元［3］。

以上實(shí)例不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且由事故本身所帶來的巨大的社會(huì)影響更是難以用金錢來估量。

隨著機(jī)械電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們面對(duì)的機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜程度和規(guī)模不斷增大，而機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、魯棒性顯得越發(fā)重要，一個(gè)細(xì)小的零件出現(xiàn)故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備不能繼續(xù)使用。在社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)中，一些關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備一旦發(fā)生故障，可能會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以使用者希望建立一套完整的機(jī)械故障檢測(cè)告警系統(tǒng)來監(jiān)控機(jī)器設(shè)備的使用情況，當(dāng)故障將要出現(xiàn)時(shí)，快速解決，以保證機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定可靠安全運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和故障預(yù)測(cè)技術(shù)得到了社會(huì)的極大重視。

2 齒輪箱故障診斷技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)

2.1 齒輪箱故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷史

齒輪箱的故障診斷技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，歐美等國在這一方面始終走在了世界的前列。1967年，在美國宇航局倡導(dǎo)下，美國海軍實(shí)驗(yàn)室ONR率先開始了對(duì)機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究與開發(fā)，并在故障機(jī)理研究及故障檢測(cè)、故障診斷和故障預(yù)測(cè)等方面取得了許多具有實(shí)用意義的研究成果，且成功地應(yīng)用在航天、航空、軍事及機(jī)械等工業(yè)中。英國學(xué)者H.Optiz發(fā)表了關(guān)于齒輪箱振動(dòng)和噪聲函數(shù)曲線后，齒輪的振動(dòng)和噪聲指標(biāo)作為判斷一個(gè)齒輪裝置好壞的重要因素得到了廣泛關(guān)注［4］。20世紀(jì)中后期齒輪箱故障診斷技術(shù)得到了初步發(fā)展，但是其局限性比較大，僅僅限于測(cè)量振動(dòng)參數(shù)和直接分析等手段。20世紀(jì)80年代，齒輪箱診斷技術(shù)取得了較大發(fā)展，對(duì)機(jī)理研究、故障特征提取、診斷方法都有了一定的進(jìn)步，積累了大量的診斷實(shí)例。20世紀(jì)90年代以后，科學(xué)技術(shù)日新月異，并且伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，齒輪箱故障診斷技術(shù)也得到了較快速度的發(fā)展，各種診斷技術(shù)和診斷系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。

2.2 齒輪箱故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新，故障診斷技術(shù)與前沿學(xué)科不斷融合，成為這個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況環(huán)境極端惡劣，不斷改進(jìn)和研究診斷技術(shù)，更應(yīng)該與前沿學(xué)科相互融合，相互借鑒，主要表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

（1）深入開展理論研究。齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件多樣且惡劣，在診斷信號(hào)測(cè)量及處理中遇到的問題較多，目前對(duì)故障和振動(dòng)等產(chǎn)生機(jī)理的研究尚不夠透徹，多是定性結(jié)論及對(duì)一些表象的研究，要建立起完整的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析還有一定難度，因此，深入開展齒輪箱故障診斷技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究非常必要。

（2）大量融合傳感技術(shù)。傳感器的發(fā)展使人們獲取診斷設(shè)備的工況數(shù)據(jù)變得更加方便，通過分析研究大量的數(shù)據(jù)可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，如激光測(cè)試技術(shù)已深入發(fā)展到齒輪箱的振動(dòng)測(cè)量和故障診斷中。

（3）融合信號(hào)處理技術(shù)。隨著新的信號(hào)處理方法在設(shè)備故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換的信號(hào)處理分析技術(shù)有了新的突破性進(jìn)展。

（4）融合現(xiàn)代智能方法?，F(xiàn)代智能技術(shù)包括專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)化計(jì)算等，融合現(xiàn)代智能方法的齒輪箱故障診斷技術(shù)將在未來得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3 故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

故障預(yù)測(cè)是當(dāng)前故障診斷應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外都有許多應(yīng)用實(shí)例，美國的“空間站自動(dòng)化演示計(jì)劃”的長期規(guī)劃中，把故障趨勢(shì)分析和故障預(yù)測(cè)技術(shù)作為其高級(jí)研究目標(biāo)。美國馬里蘭大學(xué)Michael-GPecht教授認(rèn)為故障預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了故障診斷、故障預(yù)測(cè)、系統(tǒng)集成3個(gè)日漸完善的階段，要提高故障診斷與預(yù)測(cè)精度就必須以系統(tǒng)級(jí)集成應(yīng)用為牽引，不斷融合智能診斷技術(shù)。目前，國內(nèi)故障預(yù)測(cè)的研究對(duì)象主要以港口設(shè)備、大型工程機(jī)械、船舶設(shè)備以及航空、航天設(shè)備為主，山東大學(xué)陳舉華教授用模糊貼近度來優(yōu)化參數(shù)，將灰色模型（GM）模糊優(yōu)化方法應(yīng)用于小子樣機(jī)械系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)；黑龍江工程學(xué)院的劉亞娟教授對(duì)采礦設(shè)備進(jìn)行了故障預(yù)測(cè)研究利用，很好地給出了基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法［5］；上海交通大學(xué)董振興博士將灰色理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，進(jìn)行了機(jī)械設(shè)備智能狀態(tài)預(yù)測(cè)方法的研究［6］。

故障診斷技術(shù)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域主要體現(xiàn)在武器裝備方面，國際國內(nèi)都在這一方面進(jìn)行了很好的嘗試。例如，基于案例推理的方法來建立對(duì)自行火炮故障診斷的專家系統(tǒng)，其核心思想是將自行火炮過去的大量診斷案例和采集的數(shù)據(jù)以及信號(hào)分析作為專家系統(tǒng)診斷的來源；西方某些國家基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)對(duì)裝甲車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障檢測(cè)和排除，這一方法也得到了推廣和應(yīng)用［7］；另外，還有專家將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用在故障診斷上，提取自行火炮、坦克的齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的特征參數(shù)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷和模式識(shí)別［8］。

4 結(jié)束語

齒輪箱系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)逐漸積累和漸進(jìn)的過程。筆者認(rèn)為，隨著對(duì)齒輪箱故障診斷技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，這一技術(shù)將會(huì)逐步推廣到其他機(jī)械設(shè)備的故障診斷當(dāng)中；同時(shí)，在武器裝備方面，由于其復(fù)雜程度的提高，使得故障或事故增多，產(chǎn)生的影響也在增大，充分應(yīng)用故障診斷技術(shù)，既可以有限地預(yù)防故障的發(fā)生，又可以減少不必要的維修，節(jié)省開支，提高效率，因此，這一技術(shù)在我軍裝備建設(shè)中具有重要意義。

［1］趙軍，張丹，王金光.齒輪箱的失效原因與振動(dòng)診斷［J］.中國修船，2008，21（5）：15-17.

［2］蔣平，賈民平，許飛云，等.機(jī)械故障診斷中微弱信號(hào)處理特征的提?。跩］.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2005，25（1）：48-50.

［3］國家秦嶺發(fā)電廠5號(hào)機(jī)事故專家調(diào)查組.秦嶺發(fā)電廠5號(hào)機(jī)事故調(diào)查分析總報(bào)告［R］.［出版地不詳］：［出版者不詳］，1988：1-9.

［4］丁康，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］劉亞娟，李洪智，王致杰.基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械故障預(yù)測(cè)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2006（3）：68-72.

［6］董振興，史定國，張東山，等.基于灰色理論的機(jī)械設(shè)備智能狀態(tài)預(yù)測(cè)［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（4）：392-395.

［7］溫朝暉，裝甲車輛遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（9）：21-24.

［8］王進(jìn).改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色理論在坦克發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006（3）：7-8.