行星齒輪齒根裂紋漸進(jìn)故障分析

閆明松　曹亮

摘 要：針對(duì)未來(lái)直升機(jī)使用完好性監(jiān)測(cè)需求，本文開展了直升機(jī)行星齒輪結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)式故障狀態(tài)特征分析。通過(guò)試驗(yàn)研究，達(dá)到如下目的：（1）通過(guò)對(duì)ZJ主減速器的拆解，了解主減速器行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成;（2）研究行星結(jié)構(gòu)故障傳播機(jī)理;（3）通過(guò)拆解和再組裝，研究拆解過(guò)程對(duì)主減速器結(jié)構(gòu)功能的影響;（4）開展行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障試驗(yàn)，并與正常狀態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為未來(lái)直升機(jī)完好性與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能完善提供一定的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：行星齒輪結(jié)構(gòu);漸進(jìn)式故障狀態(tài);技術(shù)支撐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.028

1 引言

通常直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成為“三器兩軸”，即：主減速器、為減速器、中間減速器、動(dòng)力傳動(dòng)軸和為傳動(dòng)軸，其中傳動(dòng)系統(tǒng)的主要性能是由其主減速器所決定的[1]。主減速器由多級(jí)齒輪傳動(dòng)組成，普遍采用了螺旋錐齒輪、行星齒輪以及常用的直齒和斜齒輪[2-3]。螺旋錐齒輪主要用于將直升機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)水平方向輸入運(yùn)動(dòng)改變成主旋翼軸垂直方向的輸出運(yùn)動(dòng)，減速比一般不大，而對(duì)于主減速器減速比大且傳遞功率大的要求，是通過(guò)行星結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作為直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主減速器的核心，行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般放置在主減速器最后一級(jí)[4-6]，將高轉(zhuǎn)速小扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)變變成低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動(dòng)功率，對(duì)于大功率直升機(jī)來(lái)說(shuō)，其行星結(jié)構(gòu)為多級(jí)結(jié)構(gòu)，齒輪轉(zhuǎn)速比更高，對(duì)齒輪傳動(dòng)不見剛度、強(qiáng)度提出極高的要求，使用工況更惡劣，更易造成各種形式的損傷，因此對(duì)行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的故障監(jiān)測(cè)與診斷尤為重要[7-8]。

本文通過(guò)某型直升機(jī)主減速器漸進(jìn)式故障模擬運(yùn)行試驗(yàn)的研究，開展了在不同故障程度和不同運(yùn)行工況下行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)頻域特征分布的對(duì)比分析，探究其故障分布與多工況操作的規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的故障診斷與預(yù)測(cè)提供一定的技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)以現(xiàn)有的直升機(jī)主減速器為試驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)平臺(tái)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。主減速器包含一級(jí)錐齒輪、二級(jí)減速錐齒輪、太陽(yáng)齒輪軸、固定齒圈、行星齒輪、尾槳傳動(dòng)主動(dòng)錐齒輪、尾槳傳動(dòng)從動(dòng)錐齒輪等構(gòu)成。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，并經(jīng)一級(jí)、二級(jí)減速錐齒輪傳遞給太陽(yáng)輪軸，繼而傳輸給尾槳傳動(dòng)錐齒輪和行星齒輪。

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)對(duì)象為直升機(jī)主減行星齒輪。直升機(jī)主減行星齒輪共有5個(gè)星星輪，每個(gè)行星輪通過(guò)承壓軸承與旋翼軸輪盤相連，并將太陽(yáng)輪軸動(dòng)力傳遞給旋翼，同時(shí)起到減速的作用。對(duì)其中一個(gè)行星輪進(jìn)行破壞，形成一定程度的切槽，模擬行星齒輪齒根裂紋故障。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的類型以及本實(shí)驗(yàn)的條件限制，僅加工其中一種類型的故障件為主減行星齒輪，故障類型為齒根裂紋，分為三種狀態(tài)，一種是正常狀態(tài)，一種是深度0.5mm的齒根裂紋，還有一種是1mm齒根裂紋。

2.3 傳感器采樣及布局

本次試驗(yàn)僅針對(duì)行星齒輪，行星齒輪與太陽(yáng)輪和內(nèi)齒圈均處在統(tǒng)一水平面內(nèi)，而僅內(nèi)齒圈周圍存在固定點(diǎn)，因此需根據(jù)需要在內(nèi)齒圈周圍尋找合適的固定點(diǎn)安裝傳感器。擬根據(jù)需要沿齒圈三個(gè)方向安裝傳感器（X方向，Y方向，Z方向）共計(jì)6個(gè)傳感器。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 時(shí)域特征指標(biāo)

時(shí)域指標(biāo)主要反映在RMS值與峭度值上，各傳感器在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)及故障狀態(tài)下的RMS。

綜上，除5號(hào)傳感器出現(xiàn)故障數(shù)據(jù)RMS值比正常數(shù)據(jù)RMS值偏大，且與故障程度越高，RMS值越大之外，其他傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)值基本為正常數(shù)據(jù)的RMS值均大于故障數(shù)據(jù)的RMS值;但RMS值的大小與故障程度也基本呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，即為正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)。同時(shí)也表明，ZSJ主減速器行星齒輪箱的拆解安裝對(duì)傳感信號(hào)也存在一定的影響。

3.2 頻域特征指標(biāo)

通過(guò)不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下時(shí)頻域信號(hào)對(duì)比可知，隨著轉(zhuǎn)速信號(hào)的逐漸增大，時(shí)域信號(hào)的振動(dòng)幅值也逐步增大，其頻域成分主要集中在0-5000Hz范圍內(nèi)，且其低頻與幅值隨轉(zhuǎn)速增大而逐步增加。

不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，各傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)倍頻對(duì)比分析：

（1）3000rpm轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，各傳感器倍頻對(duì)比分析。通過(guò)分析輸入轉(zhuǎn)速3000rpm狀態(tài)下，不同傳感器各個(gè)行星輪局部故障倍頻數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，其4倍故障頻率出現(xiàn)了一定的相關(guān)性，即故障越大，其4倍特征頻率越小的規(guī)律。

（2）2500rpm轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，各傳感器倍頻對(duì)比分析。通過(guò)分析2500rpm轉(zhuǎn)速下各傳感器倍頻特征頻率頻譜可以看出，其并未出現(xiàn)某一個(gè)倍頻特征頻率出現(xiàn)基于特征的線性規(guī)律，但其三號(hào)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的行星輪局部故障特征頻率的5倍、4倍、3倍、2倍以及1倍頻均出現(xiàn)一定程度的負(fù)線性相關(guān)性。

（3）2000rpm轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，各傳感器倍頻對(duì)比分析。通過(guò)分析輸入轉(zhuǎn)速2000rpm狀態(tài)下，不同傳感器各個(gè)行星輪局部故障倍頻數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，其4倍故障頻率出現(xiàn)了一定的相關(guān)性，即故障越大，其4倍特征頻率越小的規(guī)律。

綜上，直升機(jī)主減速器在500rpm及1000rpm轉(zhuǎn)速下的故障特征頻率并不明顯，且故障特征不固定且出現(xiàn)變化;而在其他轉(zhuǎn)速狀態(tài)下出現(xiàn)了較為固定的特征變化情況。

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作者簡(jiǎn)介：閆明松（1973-），男，遼寧瓦房店人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、航空電子、裝備質(zhì)量監(jiān)督。