行星齒輪箱故障診斷方法

羅成

【摘 要】行星齒輪箱具有很復雜的結構特性，它的結構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，很多學者在定軸齒輪箱上的狀態監測與故障診斷方面已經做出了很多研究，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這些文獻，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構作出了介紹，簡單論述與分析了行星齒輪箱特有的特征和故障特點，基于目前可采用的方法對行星齒輪箱的狀態監測和故障診斷方面的研究進展進行了總結。

【關鍵詞】行星齒輪箱;狀態檢測;故障診斷

中圖分類號： TH132.41文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）25-0138-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.067

Fault Diagnosis Method of Planetary Gear Box

LUO Cheng

（School of mechanical engineering， tongling university， Tongling Anhui 244000， China）

【Abstract】The planetary gearbox is quite different from the fixed-axle gearbox and has unique characteristics. Therefore， the application of good fault diagnosis method in the fixed-axle gearbox is not suitable for the planetary gearbox. There are many studies on condition monitoring and fault diagnosis of fixed-axle gearbox， but the research on planetary gearbox is insufficient. However， we find that the literature on condition monitoring and fault diagnosis of planetary gearbox has appeared in academic journals， conference summaries and technical reports. The purpose of this paper is to review and summarize these literatures， and to provide a comprehensive reference for researchers interested in this direction. This paper briefly introduces and compares the structure of planetary gearbox and fixed-axis gearbox， expounds and analyses the unique features and fault characteristics of planetary gearbox， and summarizes the research progress of condition monitoring and fault diagnosis of planetary gearbox based on the currently available methods.

【Key words】Planetary Gear Box; State Detection; Fault Diagnosis

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

齒輪箱在運動過程中，運動副由于摩擦而發熱和受環境溫度的影響，導致箱內溫度升高。隨箱內溫度逐漸升高，箱內壓力增大，齒輪箱內外壓力差增大，將導致潤滑油在壓差作用下，從縫隙處漏出，破壞摩擦環境，甚至影響齒輪箱傳動過程。

1.2 減速機結構設計不合理

當檢驗孔蓋板太薄時，在上緊螺栓后非常容易產生形變，從而導致結合面的不平整，油會在有接觸縫隙的地方漏掉。

減速機在制造的時候，由于鑄造器件未及時退火、時效處理和消除內應力，這樣定會產生變形，從而形成縫隙，最終油泄露掉。

在箱體上未設置回油槽，潤滑油堆積在軸封、端蓋、結合面等處，在壓力差的作用下，從間隙處向外泄漏。

軸封結構設計不合理。在很早之前，減速機大多都使用氈圈式軸封與油溝這樣的結構，在組裝的過程時會使毛氈發生變形，從而會導致結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，因為毛氈的補償性極差，密封在短時間內會立即失效。油溝上雖設有回油孔，但非常容易堵塞，回油的作用難以顯現。

1.3 加油量過多

當減速機在運動過程中，油會在油池里被攪動得非常厲害，從而導致潤滑油在機器內部到處飛迸，但是加油過多的話，會使潤滑油積聚在軸封與結合面處，從而導致油泄漏。

1.4 檢修工藝不當

設備檢修時，由于結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構特征與定軸齒輪箱相比有很大區別，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：檢測齒輪的振動強度，可以先把時域特征中的峰值和有效值等參數檢測出來，從而可以判定齒輪的工作狀態?？梢杂妙惐确ㄅc絕對標準法或者相對標準法來判別標準。

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指標來作為故障特征。波形、峰值、脈沖、裕度與峭度指標是無量綱的診斷參數。其主要特點為對不同故障信息敏感，且傳動系統轉速特征參數影響較小。此外，對于信號的頻率分布來言采用無量綱較為穩定。

頻域分析方法

2.1 倒頻譜分析及特點

倒頻譜（Cepstrum）的定義是對功率譜的對數數值進行傅里葉逆變換，將繁雜的卷積關系變為很簡單的線性疊加。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的頻率成分，這樣它能夠準確的反映故障特性。即把時間信號x（t）的功率譜函數G（f）取對數，再進行傅里葉變換，其表達式為：

在倒頻譜上縱坐標與頻譜可以是相同的單位，但是它的橫坐標必須是倒頻率，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：

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生非對稱邊帶這樣的結構，這樣的結構是因為很多個齒輪產生很多種轉頻和嚙合頻率，而且還會常常受到多個調制源的共同作用，況且在功率譜里面有很多大小與周期變化都不一樣的結構。所以，在這個時候采用細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與它的幅值成反比。采用對數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線，對于這樣包含了邊帶成分從而具有周期性頻率結構（即各譜線間具有相同的間隔）的功率譜采用傅里葉逆變換，把原有的對數功率譜轉到一個新域中便是它的結果，在該新域里，具有周期性的頻率結構可以在倒頻譜上變化為單根譜線與高階譜線。

根據變換過程可以得出，倒頻譜是再次對周期性頻率結構成分的能量進行集中，當功率譜的對數轉換時分別給低幅值分量、高幅值分量以較高的加權和較低的加權，從而使小信號周期得以突出。

b.倒頻譜分析受傳輸途徑影響小

經驗說明，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，所形成的傳遞函數也會各異，因此在測點頻譜中，函數反映得到的結果也有差異。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，系統傳遞特性差異可通過以上體現出來。

2.2 細化譜分析法

頻譜中的一些有限頻段中的分辨能力可通過細化譜來增強，就是所說的“局部頻率擴展”方法。一般在譜圖中，標準頻譜的頻率是由0Hz到最高分析頻率。根據譜線條數及最高分析頻率來確定頻率的分辨率。兩者關系如下：

細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行放大，把圖像中的局部區域進行放大，如果把需要進行觀察的頻段的中心頻率fm作為放大中心，進行重新采樣和頻率移位等過程，就可獲得細化譜。

在測得的齒輪故障信號中，所得到的調制后的邊頻，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。邊頻帶常可以運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，運用細化分析方法來細化處理后的頻譜，可以實現有效地觀察。

細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fm±ifr（i=1，2，3…）的頻率關系，確定其有無成為一組邊帶的條件。依據邊帶的成分與故障特征頻率相互對應，即可辨別行星齒輪箱內故障位置。

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。

細化譜是使用頻移定理作為主要的分析過程，實現時域樣本的變化，使相應頻譜原點和感興趣頻段中心頻率重合，重新進行采樣作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由低通濾波處理后為fc≤fs/2，（式中fs是采樣頻率）。下述即為細分譜的詳盡分析舉措。

（1）復調制移頻：通過左右移動頻域坐標，讓其零頻位置即為被觀察的頻段起點。這時用e實現對離散信號x（n）的復調制，對應該細化的頻帶中心頻率，將其移動到頻率軸原點，即可獲得：

（2）數字低通濾波：為濾出所需求分析的頻段信號，須要運用抗混疊濾波來確保重新采樣后不會發生頻譜混疊。如果D為頻率細化的倍數，那么得到低通濾波器的截止頻率fc=fs/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=fs/D實現重新采樣，即對原采樣點抽樣每間隔N點再進行一次。

（4）復FFT處理：對沖采樣后的N點復序列經過復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=fs/ND=Δf/D，可以看出分辨率提升了D倍。

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

細化譜分析特點：

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

b.從理論上講，集中故障的邊帶數目多，強度起伏小。而對于分布故障，若調質波為單頻，則在理論上在嚙合頻率和2倍頻兩側各成一條邊帶，若調制波含有2次諧波，則在嚙合頻率和2倍頻兩側各成2條邊帶。

【參考文獻】

[1]葛航奇，潘宏俠，畢靜偉.基于小波包分解和矩陣分形的齒輪箱故障診斷研究[J].中北大學，機械與動力工程學院，2016.

[2]Jinyu Wang，Dejian Kong，Shi Dong，Chao Wang The Gearbox Fault Diagnosis Based on Wavelet Transform[J].Atlantis Press，2015.

[3]張耀.基于Hilbert-Huang變換的齒輪箱故障診斷方法研究[J].蘭州理工大學，2014.

[4]諸文俊主編.機械設計基礎，西安交通大學出版社，1997.

[5]吳宗澤.機械零件.北京：中央廣播電視大學出版社，1986.

[6]何小柏主編.機械設計.重慶大學出版社：1996.