行星齒輪箱故障診斷方法

伺服減速機(jī)

摘   要：行星齒輪箱具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性,它的結(jié)構(gòu)特性與定軸齒輪箱完全不同。因而,對行星齒輪箱的診斷方法不能采用定軸齒輪箱那些較為古老的方法。目前,很多學(xué)者在定軸齒輪箱上的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷方面已經(jīng)做出了很多研究,但是在行星齒輪箱上這方面的研究還不是很完善,本文的目的就是回顧和總結(jié)這些文獻(xiàn),并為對這個方向感興趣的研究人員提供綜合的參考。并對定軸齒輪箱和行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)作出了介紹,簡單論述與分析了行星齒輪箱特有的特征和故障特點(diǎn),基于目前可采用的方法對行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：行星齒輪箱；狀態(tài)檢測；故障診斷

1  行星齒輪箱常見故障分析與排除措施

1.1行星齒輪箱壓力差

齒輪箱在運(yùn)動過程中，運(yùn)動副由于摩擦而發(fā)熱和受環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致箱內(nèi)溫度升高。隨箱內(nèi)溫度逐漸升高，箱內(nèi)壓力增大，齒輪箱內(nèi)外壓力差增大，將導(dǎo)致潤滑油在壓差作用下，從縫隙處漏出，破壞摩擦環(huán)境，甚至影響齒輪箱傳動過程。

1.2減速機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)檢驗(yàn)孔蓋板太薄時，在上緊螺栓后非常容易產(chǎn)生形變，從而導(dǎo)致結(jié)合面的不平整，油會在有接觸縫隙的地方漏掉。

減速機(jī)在制造的時候，由于鑄造器件未及時退火、時效處理和消除內(nèi)應(yīng)力，這樣定會產(chǎn)生變形，從而形成縫隙，最終油泄露掉。在箱體上未設(shè)置回油槽，潤滑油堆積在軸封、端蓋、結(jié)合面等處，在壓力差的作用下，從間隙處向外泄漏。伺服減速機(jī)

軸封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。在很早之前，減速機(jī)大多都使用氈圈式軸封與油溝這樣的結(jié)構(gòu)，在組裝的過程時會使毛氈發(fā)生變形，從而會導(dǎo)致結(jié)合面縫隙會被密封起來。倘若軸頸與密封器件接觸不是很理想，因?yàn)槊珰值难a(bǔ)償性極差，密封在短時間內(nèi)會立即失效。油溝上雖設(shè)有回油孔，但非常容易堵塞，回油的作用難以顯現(xiàn)。

1.3加油量過多

當(dāng)減速機(jī)在運(yùn)動過程中，油會在油池里被攪動得非常厲害，從而導(dǎo)致潤滑油在機(jī)器內(nèi)部到處飛迸，但是加油過多的話，會使?jié)櫥头e聚在軸封與結(jié)合面處，從而導(dǎo)致油泄漏。

1.4檢修工藝不當(dāng)

設(shè)備檢修時，由于結(jié)合面上污物未清除徹底，又或者是選取密封膠不正確、把密封件裝反、沒有及時更換密封件等都會引起漏油。

2  齒輪箱診斷方法

目前，對齒輪箱進(jìn)行采集振動信號、特征提取與故障診斷是常見的診斷方法。由于行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)特征與定軸齒輪箱相比有很大區(qū)別，所以這些方法只適用于診斷定軸齒輪箱，并不適用于行星齒輪箱。時域特征分析與頻域分解法是行星齒輪箱的主要診斷方法。

時域特征分析

a.有量綱振幅檢測：檢測齒輪的振動強(qiáng)度，可以先把時域特征中的峰值和有效值等參數(shù)檢測出來，從而可以判定齒輪的工作狀態(tài)?？梢杂妙惐确ㄅc絕對標(biāo)準(zhǔn)法或者相對標(biāo)準(zhǔn)法來判別標(biāo)準(zhǔn)。伺服減速機(jī)

b.無量綱振幅檢測：通常為了方便于診斷，所以常用無量綱振幅參數(shù)指標(biāo)來作為故障特征。波形、峰值、脈沖、裕度與峭度指標(biāo)是無量綱的診斷參數(shù)。其主要特點(diǎn)為對不同故障信息敏感，且傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速特征參數(shù)影響較小。此外，對于信號的頻率分布來言采用無量綱較為穩(wěn)定。

頻域分析方法

2.1倒頻譜分析及特點(diǎn)

倒頻譜(Cepstrum)的定義是對功率譜的對數(shù)數(shù)值進(jìn)行傅里葉逆變換，將繁雜的卷積關(guān)系變?yōu)楹芎唵蔚木€性疊加。故可以很容易地在倒頻譜上檢測與識別信號頻率組成的分量，這種方法能夠很容易的提取所相關(guān)的頻率成分，這樣它能夠準(zhǔn)確的反映故障特性。即把時間信號x(t)的功率譜函數(shù)G(f)取對數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換，其表達(dá)式為：

其中，τ為倒頻譜的時間變量，稱為倒頻率。

在倒頻譜上縱坐標(biāo)與頻譜可以是相同的單位，但是它的橫坐標(biāo)必須是倒頻率，單位為毫秒。高倒頻率表示倒頻譜上時間變量值大的那部分，它表示頻譜的快速跳動，其中低倒頻率為其值小的那部分，它表示頻譜的慢速跳動。對倒頻譜的分析有下面兩個特點(diǎn)：伺服減速機(jī)

a.可有效地提取識別頻譜上的周期成分

在齒輪箱中的振動信號會產(chǎn)生非對稱邊帶這樣的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)是因?yàn)楹芏鄠€齒輪產(chǎn)生很多種轉(zhuǎn)頻和嚙合頻率，而且還會常常受到多個調(diào)制源的共同作用，況且在功率譜里面有很多大小與周期變化都不一樣的結(jié)構(gòu)。所以，在這個時候采用細(xì)化譜分析邊頻有一定的局限性。

行星齒輪箱振動信號是一個復(fù)雜且多重耦合的時間歷程信號，不僅具有嚙合振動信號和故障振動信號，另外還有噪聲信號、傳遞路徑等因素的調(diào)制。所以，在嚙合處的頻率與其諧波周圍散布著很多不同的邊帶，因此，邊帶的間隔頻率即它的故障頻率。故障頻率的諧波階次數(shù)與它的幅值成反比。采用對數(shù)刻度來表示該功率譜的幅值，故一個周期波大約是功率譜峰的平均包絡(luò)線，對于這樣包含了邊帶成分從而具有周期性頻率結(jié)構(gòu)（即各譜線間具有相同的間隔）的功率譜采用傅里葉逆變換，把原有的對數(shù)功率譜轉(zhuǎn)到一個新域中便是它的結(jié)果，在該新域里，具有周期性的頻率結(jié)構(gòu)可以在倒頻譜上變化為單根譜線與高階譜線。

根據(jù)變換過程可以得出，倒頻譜是再次對周期性頻率結(jié)構(gòu)成分的能量進(jìn)行集中，當(dāng)功率譜的對數(shù)轉(zhuǎn)換時分別給低幅值分量、高幅值分量以較高的加權(quán)和較低的加權(quán)，從而使小信號周期得以突出。伺服減速機(jī)

b.倒頻譜分析受傳輸途徑影響小

經(jīng)驗(yàn)說明，由于測量齒輪箱振動時不同的傳感器安裝位置，不同的信號傳遞方法，所形成的傳遞函數(shù)也會各異，因此在測點(diǎn)頻譜中，函數(shù)反映得到的結(jié)果也有差異。在通過倒頻譜處理后，兩個倒頻譜上部分高倒頻率將近于相同，而部分低倒頻率有所差異，系統(tǒng)傳遞特性差異可通過以上體現(xiàn)出來。

高精密行星減速機(jī)

2.2細(xì)化譜分析法

頻譜中的一些有限頻段中的分辨能力可通過細(xì)化譜來增強(qiáng)，就是所說的局部頻率擴(kuò)展方法。一般在譜圖中，標(biāo)準(zhǔn)頻譜的頻率是由0Hz到最高分析頻率。根據(jù)譜線條數(shù)及最高分析頻率來確定頻率的分辨率。兩者關(guān)系如下：

其中Δf是頻率間隔，f_s是采樣頻率，f_c是分析頻率范圍，N是采樣點(diǎn)數(shù)。

細(xì)化分析是為得到比較高的圖像分辨率而沿頻率軸將部分頻段進(jìn)行放大，把圖像中的局部區(qū)域進(jìn)行放大，如果把需要進(jìn)行觀察的頻段的中心頻率f_m作為放大中心，進(jìn)行重新采樣和頻率移位等過程，就可獲得細(xì)化譜。

在測得的齒輪故障信號中，所得到的調(diào)制后的邊頻，為兩邊分散著把故障特征頻率作為間隔且中心為嚙合頻率的邊頻帶。邊頻帶?？梢赃\(yùn)用于齒輪的故障分析，但是由于在一般頻譜圖上間隔很小的調(diào)制頻率，較低的頻譜分辨率，致使這些間隔頻率常常無法找到。因而，運(yùn)用細(xì)化分析方法來細(xì)化處理后的頻譜，可以實(shí)現(xiàn)有效地觀察。伺服減速機(jī)

細(xì)化譜邊頻的查找和故障診斷，可從兩方面入手：一是通過邊帶的對稱性來找尋f_m±if_r(i=1，2，3…)的頻率關(guān)系，確定其有無成為一組邊帶的條件。依據(jù)邊帶的成分與故障特征頻率相互對應(yīng)，即可辨別行星齒輪箱內(nèi)故障位置。

二是對比各次測量中邊帶譜峰的幅值差異水平，邊帶譜峰圖形的轉(zhuǎn)變就包括著齒是否存在局部故障或分布故障及故障程度。

細(xì)化譜是使用頻移定理作為主要的分析過程，實(shí)現(xiàn)時域樣本的變化，使相應(yīng)頻譜原點(diǎn)和感興趣頻段中心頻率重合，重新進(jìn)行采樣作FFT，即能獲取更高的頻率分辨率。

例如行星齒輪箱的時域振動信號x(t)，濾波器的截止頻率在經(jīng)由低通濾波處理后為f_c≤f_s/2，（式中f_s是采樣頻率）。下述即為細(xì)分譜的詳盡分析舉措。

1）復(fù)調(diào)制移頻：通過左右移動頻域坐標(biāo)，讓其零頻位置即為被觀察的頻段起點(diǎn)。這時用實(shí)現(xiàn)對離散信號x(n)的復(fù)調(diào)制，對應(yīng)該細(xì)化的頻帶中心頻率，將其移動到頻率軸原點(diǎn)，即可獲得：

2）數(shù)字低通濾波：為濾出所需求分析的頻段信號，須要運(yùn)用抗混疊濾波來確保重新采樣后不會發(fā)生頻譜混疊。如果D為頻率細(xì)化的倍數(shù)，那么得到低通濾波器的截止頻率f_{c伺服減速機(jī)}=f_s/2D。

3）重新采樣：分析信號頻帶會因在信號移頻及低通濾波后而變窄，因此可以用相對原采樣頻率下降了D倍的較低的采樣頻率f_s=f_s/D實(shí)現(xiàn)重新采樣，即對原采樣點(diǎn)抽樣每間隔N點(diǎn)再進(jìn)行一次。

4）復(fù)FFT處理：對沖采樣后的N點(diǎn)復(fù)序列經(jīng)過復(fù)傅里葉變換處理獲得N條譜線，此中的頻率分辨率為Δf=f_s/N=f_s/ND=Δf/D，可以看出分辨率提升了D倍。

5）頻率調(diào)整：細(xì)化后的頻譜可通過上述中的譜線移動到實(shí)際頻率處來獲得。如果Y(k)為步驟四所獲得的頻譜，X(k)是細(xì)化后所能得到的頻譜，那么

細(xì)化譜分析特點(diǎn)：

a.集中缺陷，其沖擊次數(shù)（即故障齒輪）不改變邊帶間隔，只改變邊帶強(qiáng)度。邊帶強(qiáng)度因沖擊次數(shù)愈多而愈大。另外，邊帶的強(qiáng)度還與嚙合齒輪振動的大小和沖擊強(qiáng)度的大小有關(guān)。因此邊帶本身強(qiáng)度的大小可作為齒輪運(yùn)行狀態(tài)的一個判定參數(shù)。

b.從理論上講，集中故障的邊帶數(shù)目多，強(qiáng)度起伏小。而對于分布故障，若調(diào)質(zhì)波為單頻，則在理論上在嚙合頻率和2倍頻兩側(cè)各成一條邊帶，若調(diào)制波含有2次諧波，則在嚙合頻率和2倍頻兩側(cè)各成2條邊帶。

伺服行星減速機(jī)