行星齒輪齒根裂紋漸進故障分析

閆明松　曹亮

摘 要：針對未來直升機使用完好性監測需求，本文開展了直升機行星齒輪結構的漸進式故障狀態特征分析。通過試驗研究，達到如下目的：（1）通過對ZJ主減速器的拆解，了解主減速器行星傳動結構組成;（2）研究行星結構故障傳播機理;（3）通過拆解和再組裝，研究拆解過程對主減速器結構功能的影響;（4）開展行星傳動結構故障試驗，并與正常狀態實驗數據進行分析。為未來直升機完好性與使用監測系統的功能完善提供一定的技術支撐。

關鍵詞：行星齒輪結構;漸進式故障狀態;技術支撐

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

1 引言

通常直升機傳動系統構成為“三器兩軸”，即：主減速器、為減速器、中間減速器、動力傳動軸和為傳動軸，其中傳動系統的主要性能是由其主減速器所決定的[1]。主減速器由多級齒輪傳動組成，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上發動機水平方向輸入運動改變成主旋翼軸垂直方向的輸出運動，減速比一般不大，而對于主減速器減速比大且傳遞功率大的要求，是通過行星結構來實現的，作為直升機傳動系統主減速器的核心，行星傳動結構一般放置在主減速器最后一級[4-6]，將高轉速小扭矩發動機功率轉變變成低轉速大扭矩的傳動功率，對于大功率直升機來說，其行星結構為多級結構，齒輪轉速比更高，對齒輪傳動不見剛度、強度提出極高的要求，使用工況更惡劣，更易造成各種形式的損傷，因此對行星傳動結構的故障監測與診斷尤為重要[7-8]。

本文通過某型直升機主減速器漸進式故障模擬運行試驗的研究，開展了在不同故障程度和不同運行工況下行星傳動結構時頻域特征分布的對比分析，探究其故障分布與多工況操作的規律，為實現行星傳動結構的故障診斷與預測提供一定的技術支撐。

2 試驗條件

本次試驗以現有的直升機主減速器為試驗平臺，該試驗平臺由電動機驅動。主減速器包含一級錐齒輪、二級減速錐齒輪、太陽齒輪軸、固定齒圈、行星齒輪、尾槳傳動主動錐齒輪、尾槳傳動從動錐齒輪等構成。動力由電動機提供，并經一級、二級減速錐齒輪傳遞給太陽輪軸，繼而傳輸給尾槳傳動錐齒輪和行星齒輪。

2.1 試驗對象

本次試驗對象為直升機主減行星齒輪。直升機主減行星齒輪共有5個星星輪，每個行星輪通過承壓軸承與旋翼軸輪盤相連，并將太陽輪軸動力傳遞給旋翼，同時起到減速的作用。對其中一個行星輪進行破壞，形成一定程度的切槽，模擬行星齒輪齒根裂紋故障。

2.2 試驗項目

根據試驗對象的類型以及本實驗的條件限制，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，一種是正常狀態，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

本次試驗僅針對行星齒輪，行星齒輪與太陽輪和內齒圈均處在統一水平面內，而僅內齒圈周圍存在固定點，因此需根據需要在內齒圈周圍尋找合適的固定點安裝傳感器。擬根據需要沿齒圈三個方向安裝傳感器（X方向，Y方向，Z方向）共計6個傳感器。

3 數據對比分析

3.1 時域特征指標

時域指標主要反映在RMS值與峭度值上，各傳感器在不同轉速狀態及故障狀態下的RMS。

綜上，除5號傳感器出現故障數據RMS值比正常數據RMS值偏大，且與故障程度越高，RMS值越大之外，其他傳感器監測的數值基本為正常數據的RMS值均大于故障數據的RMS值;但RMS值的大小與故障程度也基本呈現一種線性關系，即為正相關或者負相關。同時也表明，ZSJ主減速器行星齒輪箱的拆解安裝對傳感信號也存在一定的影響。

3.2 頻域特征指標

通過不同轉速狀態下時頻域信號對比可知，隨著轉速信號的逐漸增大，時域信號的振動幅值也逐步增大，其頻域成分主要集中在0-5000Hz范圍內，且其低頻與幅值隨轉速增大而逐步增加。

不同轉速狀態下，各傳感器監測信號倍頻對比分析：

（1）3000rpm轉速狀態下，各傳感器倍頻對比分析。通過分析輸入轉速3000rpm狀態下，不同傳感器各個行星輪局部故障倍頻數據的對比可以看出，其4倍故障頻率出現了一定的相關性，即故障越大，其4倍特征頻率越小的規律。

（2）2500rpm轉速狀態下，各傳感器倍頻對比分析。通過分析2500rpm轉速下各傳感器倍頻特征頻率頻譜可以看出，其并未出現某一個倍頻特征頻率出現基于特征的線性規律，但其三號傳感器監測數據的行星輪局部故障特征頻率的5倍、4倍、3倍、2倍以及1倍頻均出現一定程度的負線性相關性。

（3）2000rpm轉速狀態下，各傳感器倍頻對比分析。通過分析輸入轉速2000rpm狀態下，不同傳感器各個行星輪局部故障倍頻數據的對比可以看出，其4倍故障頻率出現了一定的相關性，即故障越大，其4倍特征頻率越小的規律。

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

參考文獻：

[1]王衛剛，陳仁良，蔡賀新.齒輪減速器在直升機動力傳動系統中的應用[J].機械研究與應用，2010：48-52.

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[5]王正峰，夏富春，萬隆.直升機主減速器行星齒輪系熱分析[J].直升機技術，2018（01）：20-24.

[6]ROMANO P A.A model based framework for fault diagnosis and prognosis of dynamical systems with an application to helicopter transmissions[D].Atlabta，G-A：Georgia Institute of Technology，2007：33-196.

[7]劉立生，楊宇航.基于小波神經網絡的直升機主減速器故障診斷系統[J].航空動力學報，2012（06）.

[8]朱定金.直升機減速器齒輪疲勞壽命評定方法[J].直升機技術，2007（02）.

作者簡介：閆明松（1973-），男，遼寧瓦房店人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：機器學習、航空電子、裝備質量監督。