行星齒輪減速機(jī)的研究與故障判斷

王士偉

河鋼唐鋼設(shè)備機(jī)動(dòng)部，河北唐山 063305

隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，行星減速器作為一種重要的部件，已廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械領(lǐng)域，并在一定程度上取代了傳統(tǒng)的固定軸減速器。行星齒輪減速器也用于煤礦設(shè)備，如采煤機(jī)、料斗和挖掘機(jī)。

行星齒輪減速器的特點(diǎn)是同軸傳動(dòng)與輸出軸同軸，大大減小了減速器的體積。同時(shí)，在傳輸功率時(shí)，減速器可以分配輸入功率，大大提高了減速器的承載力。總而言之，與固定軸減速器相比，行星減速器的體積較小。它能驅(qū)動(dòng)電源，效率高，傳動(dòng)寬，范圍寬。

隨著我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，主機(jī)對(duì)關(guān)鍵部件提出了更高的要求，以獲得更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，更高的可靠性和更好的性能。因此，為了滿足機(jī)械市場(chǎng)的需要，有必要在此階段提高減速器的性能。

1 行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)與故障特征分析

行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的基本部件是太陽齒輪，行星齒輪齒條和內(nèi)齒圈。 根據(jù)行星齒輪減速器的具體結(jié)構(gòu)、有許多不同的分類方法。簡(jiǎn)而言之，可以區(qū)分第一次減少，第二次減少，第三次減少和第四次減少。二級(jí)減速以上減速器的太陽齒輪采用浮動(dòng)連接方式。故障機(jī)制與信號(hào)傳輸路徑和模式有許多相似之處。它的運(yùn)動(dòng)形式和自我結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。因此，分析一階行星齒輪減速器作為示例。

在第一級(jí)行星齒輪減速器中，太陽齒輪通常固定在驅(qū)動(dòng)軸上，并且多個(gè)行星齒輪分別與太陽齒輪和內(nèi)齒圈嚙合，并通過行星齒輪架輸出動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。齒輪系的主要缺陷是腐蝕、齒磨損和齒斷裂。常見的齒輪故障發(fā)生在10%的齒輪表面磨損，31%的點(diǎn)蝕，41%的牙齒被折斷，18%的其他齒輪被磨損。經(jīng)過一段時(shí)間的齒輪磨損，很難找到初始齒面磨損。只有當(dāng)磨耗達(dá)到一定的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，齒輪的嚙合頻率和諧波幅值才顯著增加。齒輪傳動(dòng)的循環(huán)應(yīng)力一般超過齒輪材料的疲勞極限，在齒輪的根部逐漸出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致齒裂。齒輪故障振動(dòng)信號(hào)通常以齒輪嚙合頻率和諧波為載頻，齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率和雙頻為調(diào)制頻率，因此，調(diào)制帶寬非常高。行星齒輪的載波頻率為齒輪嚙合頻率或倍增器，調(diào)制頻率為故障齒輪特性頻率或乘法器。

2 行星齒輪減速器的設(shè)計(jì)方法

行星減速器的尺寸、重量和承載能力取決于傳動(dòng)參數(shù)的選擇。設(shè)計(jì)問題是確定給定的齒輪比和輸入扭矩的小齒輪數(shù)、每齒輪的齒數(shù)、齒輪的模數(shù)和寬度。由于行星減速器的特殊結(jié)構(gòu)，每個(gè)齒輪的齒數(shù)不能任意選擇，必須根據(jù)一定的匹配條件嚴(yán)格計(jì)算。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是先選擇行星齒輪的數(shù)量，然后根據(jù)匹配條件匹配齒。這種方法的結(jié)果并不獨(dú)特。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)人員定義的經(jīng)驗(yàn)，可以選擇一組齒數(shù)方案，然后根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算模型和齒寬等參數(shù)進(jìn)行選擇。在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，必須進(jìn)行大量的計(jì)算，才能得到滿足性能要求、尺寸合理的方案。因此，利用計(jì)算機(jī)尋找更好的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)用價(jià)值。

3 行星齒輪減速器振動(dòng)信號(hào)特征

由于行星減速器傳動(dòng)系統(tǒng)具有旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的行星齒輪，振動(dòng)信號(hào)不僅包括太陽輪、行星齒輪、內(nèi)齒圈和行星齒輪架的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，還包括它們之間的嚙合頻率。另外，上述頻率的倍頻與振動(dòng)信號(hào)的其他部分疊加。通常，傳感器安裝在齒圈上或連接到殼體上以收集振動(dòng)信號(hào)。嚙合點(diǎn)相對(duì)于太陽齒輪，行星齒輪和齒輪副的位置隨行星齒輪架的旋轉(zhuǎn)而變化，因此，改變了嚙合點(diǎn)與傳感器之間的振動(dòng)傳遞路徑。時(shí)變傳輸路徑對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生幅度調(diào)制效應(yīng)，進(jìn)一步增加了信號(hào)的復(fù)雜性。考慮到行星齒輪系統(tǒng)的這一特性，適用于不同結(jié)構(gòu)的行星齒輪減速器的振動(dòng)信號(hào)模型是進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者根據(jù)行星齒輪減速器的一些特點(diǎn)建立了相應(yīng)的信號(hào)模型和加工方法。

2009年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)利用光譜峰度有效地提取故障特征，以解決傳統(tǒng)診斷方法無法診斷風(fēng)力渦輪機(jī)行星齒輪箱環(huán)形裂縫的問題。清華大學(xué)馮志鵬開展了對(duì)風(fēng)扇行星齒輪減速器分布式故障及局部故障系統(tǒng)的研究，詳細(xì)討論了行星齒輪系統(tǒng)中行分析了太陽星齒輪和內(nèi)齒輪環(huán)的失效機(jī)理，建立了相應(yīng)的信號(hào)模型，推導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式。換句話說，行星齒輪系統(tǒng)故障診斷的故障特征頻率，建立了更完整的分析方法。但是，由于行星齒輪系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，研究人員只采用簡(jiǎn)化的方法對(duì)其進(jìn)行研究，忽略了許多特征，只是在某一點(diǎn)上進(jìn)行分析，沒有形成完整的系統(tǒng)診斷方法。此外，只有嚴(yán)重的齒輪失效（嚴(yán)重磨損、斷齒等）才能識(shí)別出早期的失效信號(hào)。

4 行星齒輪減速器故障信號(hào)分析方法

根據(jù)行星齒輪減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測(cè)量信號(hào)通常包含多個(gè)頻率分量。如何分離故障信號(hào)，識(shí)別障礙類型是解決這一問題的關(guān)鍵。馮志鵬等人提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和行星減速器振動(dòng)信號(hào)調(diào)幅特性的頻率解調(diào)分析方法，提出了基本模態(tài)函數(shù)的選取原則。分析中應(yīng)考慮齒輪嚙合的瞬時(shí)影響因素以及齒輪剛度和相變的影響。在目前的行星齒輪系統(tǒng)中，多級(jí)行星齒輪減速器經(jīng)常用于非常重要的場(chǎng)合，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此，在齒輪故障診斷中，有必要將基于實(shí)時(shí)信號(hào)處理的時(shí)域同步平均法與現(xiàn)代信號(hào)采集技術(shù)相結(jié)合，以提高信號(hào)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷有效的檢測(cè)。為了提高行星齒輪系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，需要采取多種方法。

5 提高減速機(jī)性能的措施

5.1 齒輪修形

齒輪修改包括齒冠修改和齒根齒根修改。當(dāng)齒輪嚙合時(shí)，齒廓具有彈性變形。當(dāng)切割或退出齒輪時(shí)，主動(dòng)齒輪的頂部和根部相互干涉，嚙合剛度急劇變化，導(dǎo)致重力激勵(lì)。齒輪齒廓的改進(jìn)不僅可以避免產(chǎn)生數(shù)千個(gè)波浪，減少激勵(lì)和動(dòng)載荷，還可以減小由基圓螺距誤差引起的額外動(dòng)載荷的影響。

5.2 提高齒輪嚙合的接觸度

齒輪嚙合越大，齒輪傳動(dòng)越穩(wěn)定，嚙合沖擊越小，噪聲越低。

5.3 數(shù)合理設(shè)計(jì)齒輪齒數(shù)和模數(shù)

齒輪減速器的減速比由齒輪齒數(shù)決定，齒輪減速器的承載能力由齒輪齒數(shù)和齒輪模數(shù)決定。在減速器中，太陽輪的工作條件非常差，因此在設(shè)計(jì)階段，必須根據(jù)減速器的實(shí)際用途選擇齒數(shù)和模數(shù)，并檢查太陽輪的力。

同時(shí)，為了減少齒輪制造中可能出現(xiàn)的誤差，在選擇齒輪齒數(shù)時(shí)，傳動(dòng)比為非整數(shù)，是一個(gè)素?cái)?shù)。此齒數(shù)可避免齒輪周期性制造誤差，造成振動(dòng)或異常噪聲。

5.4 制造精度

任何機(jī)器的精度都將直接影響機(jī)器的機(jī)械性能，特別是高精度機(jī)械的性能。行星減速機(jī)在一般工程中的精度為7及以上。

齒輪表面粗糙度是影響齒輪加工精度的重要因素之一。因?yàn)辇X輪副傳遞扭矩通過與齒面接觸和幻燈片在傳輸過程中，較小的表面粗糙度可以減少齒輪之間的磨損，降低齒輪的熱量，提高生命的齒輪傳動(dòng)和齒輪的承載能力。為了獲得更高的表面形貌，齒輪需要研磨。

齒輪的制造精度也與齒距累積誤差有關(guān)。徑向跳動(dòng)偏差和齒輪齒形偏差用于測(cè)量實(shí)際齒形和理想齒形之間的偏差。如果實(shí)際加工齒廓偏差較大，會(huì)造成齒輪受力不均，造成振動(dòng)和噪聲。

5.5 合理的均載機(jī)構(gòu)

事實(shí)上，齒輪的制造誤差總是存在的。齒輪傳動(dòng)裝置采用負(fù)荷分配機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)補(bǔ)償齒輪與行星架之間的各種制造和安裝誤差，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡。行星齒輪減速器通常分為浮動(dòng)的一個(gè)部件和同時(shí)浮動(dòng)的兩個(gè)部件。單組分浮、太陽輪浮、內(nèi)齒輪浮、行星齒條浮、兩部分浮、太陽輪與內(nèi)齒輪同時(shí)浮、太陽輪與行星架同時(shí)浮起。兩個(gè)組件比一個(gè)組件浮動(dòng)得更好。

5.6 齒輪材料及表面處理

減速器的承載力不僅與齒數(shù)模量有關(guān)，還涉及齒輪和行星齒條材料的選擇。為了進(jìn)一步提高齒輪和行星架的承載能力，通常需要根據(jù)所選材料進(jìn)行熱處理，如滲碳或滲氮。經(jīng)過熱處理后，齒輪齒面具有恒定的硬化層。齒輪硬度可達(dá)到HRC60，承載能力較高，齒輪中心硬度較低，使齒輪具有一定的韌性。

5.7 設(shè)置合理的側(cè)隙

齒輪間隙嚙合可避免因制造誤差和熱變形引起的齒間干擾，便于潤(rùn)滑油儲(chǔ)存。 然而，很明顯，過大的間隙會(huì)引起嚙合齒輪的沖擊，從而增加振動(dòng)和噪音。

分析了行星齒輪減速器的故障類型和成因，從設(shè)計(jì)和制造水平提出了提高減速器性能的措施。從分析中可以看出，為了提高減速器的性能，有必要將設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)方面結(jié)合起來。除了必要的設(shè)計(jì)計(jì)算外，齒輪減速機(jī)的優(yōu)異性能更依賴于成熟的制造工藝和豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)。