行星齒輪教學實驗平臺的設(shè)計和應(yīng)用

李 崢，韓勤鍇，孫 通，孫 力，褚福磊

（1. 清華大學 機械工程系，北京 100084；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3. 上?？浦J人才咨詢有限公司北京分公司，北京 100020；4. 北京石油化工學院 材料科學與工程學院，北京 102627）

行星齒輪傳動系統(tǒng)由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈組成，傳動特點是內(nèi)齒圈固定在齒輪箱箱體，太陽輪帶動行星輪轉(zhuǎn)動，行星輪同時自傳和公轉(zhuǎn)，這就決定了其復(fù)雜的振動信號及傳遞路徑，因此診斷其不同位置的故障具有一定的難度。而行星齒輪傳動系統(tǒng)主要部件運行于低速重載，因此相對于輸出端，齒輪嚙合頻率很低，采集到的信號常常是輸出端信號，行星級的信號基本上都被淹沒，因此上述行星齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷及定位在科研和研究生教學中尤為重要[1-4]。

本文研發(fā)了一套行星齒輪實驗教學平臺，主要由三部分組成：①硬件系統(tǒng)，包括變頻控制器、電機、扭矩傳感器、行星齒輪箱、加載裝置、加載控制器、底座；②測試系統(tǒng)，采用BBM噪聲振動采集系統(tǒng)；③信號分析系統(tǒng)，利用 MATLAB軟件建立數(shù)據(jù)分析程序。通過采集不同位置的故障信號進行對比分析，為今后的科研及教學工作打下堅實基礎(chǔ)[5-6]。

1 教學實驗平臺簡介

行星齒輪教學實驗平臺如圖1所示。變頻控制器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，電機通過聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩到行星齒輪箱，磁粉制動器提供相應(yīng)的不同負載，從而模擬實際行星齒輪箱的工作狀況。在實驗平臺的搭建過程之中，需要注意軸系的對中。由于電機等儀器較重，基本采用起重機輔助粗調(diào)，之后在試驗臺上插入部分螺栓固定，然后精調(diào)對中，以保證各個軸之間利用聯(lián)軸器精確對中。為了驗證此設(shè)備的可靠性，利用線切割分別設(shè)計加工了一批故障程度相同的典型損傷零部件用于實驗研究，按位置分別對應(yīng)行星輪、內(nèi)齒圈、太陽輪故障，如圖2所示。

圖1 行星齒輪教學實驗平臺

圖2 典型損傷零部件

2 教學實驗平臺各種參數(shù)

行星齒輪箱系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 行星齒輪箱參數(shù)

3 行星齒輪故障特征頻率分析

設(shè)定齒輪嚙合頻率為fm，fc為行星架轉(zhuǎn)頻，根據(jù)文獻[7]，行星齒輪傳動系統(tǒng)故障特征頻率計算公式如下：

行星架轉(zhuǎn)頻為

太陽輪局部故障特征頻率為

行星輪局部故障特征頻率為

內(nèi)齒圈局部故障特征頻率為

其中：zring、zsun、zplant分別是內(nèi)齒圈、太陽輪、行星輪齒數(shù)，nc為行星架轉(zhuǎn)速。

當電機轉(zhuǎn)速在1500 r/min時，根據(jù)式（1）—（4）計算得到：fm= 359.6 579 Hz，fsun=27.66 599 230 769 231 Hz，fplant=9.464 681 578 947 368 Hz，fring=3.909 325 Hz。

4 實驗研究

行星齒輪箱振動信號采集系統(tǒng)如圖3所示，包括：①Dytran加速度傳感器，如圖3(a)所示，用來采集實驗平臺的振動信號；②激光轉(zhuǎn)速傳感器，如圖 3(b)所示，用來測量電機轉(zhuǎn)速信號；③PAK振動檢測設(shè)備，如圖3(c)所示，用來采集振動信號和轉(zhuǎn)速信號。實驗時電機轉(zhuǎn)速為1500 r/min，設(shè)定的信號采樣頻率為10 240 Hz，采樣時間為30 s。實驗分別采集了無故障、太陽輪故障、行星輪故障、內(nèi)齒圈故障4種情況下的信號。

圖3 振動信號采集系統(tǒng)

5 信號分析與處理

對節(jié)4的振動信號進行時域和頻域分析處理[7-12]。

時域信號分析：對信號采用時域的12個指標進行對比分析，得到信號特征值如表2所示。

無故障情況下由于設(shè)備完好，沒有過多的振動，因此振動信號的各個指標都是最低的，然后從低到高依次是內(nèi)齒圈、太陽輪、行星輪故障。分析實驗平臺信號傳遞路徑及行星齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，該結(jié)果符合實際工況。由于內(nèi)齒圈固定在齒輪箱體上，雖然傳遞路徑最短，但是其振動信號最弱；太陽輪的振動信號要通過行星輪，再通過內(nèi)齒圈，因此信號比傳遞路徑更短的行星輪要更小一些。通過振動信號時域分析，容易得到不同位置的信號時域值的特征趨勢，對今后行星齒輪系統(tǒng)診斷有一定的指導(dǎo)作用。

頻域分析：對信號進行頻率分析對比，以驗證其各個位置的頻率特征，結(jié)果如圖4—7所示。

表2 不同情況下振動信號時域指標

圖4 無故障

圖5 太陽輪故障

圖6 行星輪故障

圖7 內(nèi)齒圈故障

無故障情況下，沒有明顯振動，所有頻率為轉(zhuǎn)頻及各個齒輪的嚙合頻率，無突出的頻率。當太陽輪出現(xiàn)故障時，其嚙合頻率為25 Hz左右，從圖5可以看出，出現(xiàn)了明顯倍頻成分。當行星輪出現(xiàn)故障的時候，從圖6可以看出，在輸出端的嚙合頻率兩邊出現(xiàn)了明顯的調(diào)制頻率，分別位于360 Hz的左右。同理，內(nèi)齒圈發(fā)生故障的時候，從圖7可以看出，其嚙合頻率也被調(diào)制到了輸出端的嚙合頻率附近。通過上述頻域?qū)Ρ确治瞿芎芎迷\斷不同位置的齒輪故障，對今后行星齒輪箱故障診斷研究起到了一定的借鑒作用。數(shù)據(jù)的分析很好地驗證了設(shè)備的可靠性，設(shè)備能有效地用于行星故障診斷信號分析的科研及實驗教學。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種行星齒輪教學實驗平臺，有利于研究生對課程知識的理解和應(yīng)用，對相關(guān)研究起到了一定推動作用。通過對平臺不同位置故障信號的分析處理，驗證了設(shè)備的各個指標。