一种有效的空间齿轮传动系统振动测点选择方法

An effective method to select vibration measurement points for a space gear transmission system QI Liqun1 ，ZHANG Guangyu1 ，SHAN Xiaobiao1 ，YU Hui2
（ 1． School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 ，China； 2． No． 214 Research Institute，China North Industries Group Corporation，Jiangsu Suzhou 215163 ，China）
图4 齿轮箱振动测点分布示意图
数据集成处理和分析。
Fig． 4 Schemes of vibration measuring point of the gear box
难等。空间飞行器中常用的小模数齿轮传动系统亦属 故障多发件， 对其进行振动监测及故障诊断十分重要 。 传感器最佳测点位置的选择及优化对振动监测与 故障诊断的准确性至关重要。 在现有传感器优化研究 中， 对桥梁监测系统传感器优化布置研究较多
［3 － 7 ］
， 而
基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 50905039 ） ； 黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 （ E200924 ） 收稿日期： 2011 － 03 － 30 1972 年生 第一作者 齐立群 男， 博士生，
1
测点选择
测点选择应以尽可能多获得齿轮轴承异常信号为
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振 动 与 冲 击
2012 年第 31 卷
原则， 保证振动信号从信号源传递到测点过程中损失 ［10 ］ 监测的振动信号能更好地反映故障信息 。 针 最小， 对空间齿轮传动系统振动信号弱、 结构尺寸小特点， 本 文基于有限元法对齿轮传动系统的振动测点最佳位置 选择进行研究。 1. 1 有限元模态分析 以空间飞行器中常用小模数齿轮传动机构为研究 对象， 图 1 为实验工装照片， 图 2 为传动机构简化图。
从表 3 可知， 在 I 轴输入正面的轴承座附近， 第Ⅰ 组测点 P1 ～ P5 中， 谐响应幅值及其矢量和相对较小点 P3 ， 为 P2 ， 可作为轴Ⅰ处振动测点优选位置； 同理在 Ⅱ P8 ， 轴输入正面轴承座附近， 第 Ⅱ 组测点 P6 ～ P11 中， P9 为振动 测 点 优 选 位 置； 在 Ⅲ 轴 输 入 正 面 轴 承 座 附 P15 可作为振 近， 第Ⅲ组测点 P12 ～ P18 中， 测点 P14 ，
振 第 31 卷第 22 期
动
与
冲
击 Vol． 31 No． 22 2012
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

一种有效的空间齿轮传动系统振动测点选择方法
1 1 1 齐立群 ，张广玉 ，单小彪 ，余

Tab． 2 Torque and the forces of the gears in x and y directions 齿轮 Z2 图2 空间齿轮传动机构简图 Fig． 2 Diagram of the space gear transmission system Z4 Z6 力矩 / （ N·m） 0 ． 038 0 ． 138 0 ． 909 FX / N 35 ． 708 129 ． 678 853 ． 711 FY / N 12 ． 997 47 ． 199 310 ． 725
辉
2
（ 1． 哈尔滨工业大学 机电工程Βιβλιοθήκη Baidu院， 哈尔滨 150001 ； 2． 中国兵器工业集团 第 214 研究所， 江苏 苏州 215163 ）
摘
要： 针对空间飞行器中小模数齿轮寿命实验中振动测点定位难的问题， 提出一种确定振动测点最佳位置方
法。通过对齿轮系统进行有限元模态分析和谐响应分析， 得到系统刚度分布， 进而计算待选测点的谐响应幅值及矢量和， 判定振动测点的理论最佳位置 。搭建空间齿轮传动系统实验平台， 采用峭度指标法对理论分析得到的最佳测点进行实验 8 个测点理论分析结果和实验结果基本一致， 验证。实验表明： 理论分析得到的 9 个最优测点中， 说明方法的正确性。 该 对空间飞行器驱动机构寿命实验研究有重要意义 。 方法为齿轮箱等复杂系统振动测点布置和优化提供理论依据， 关键词： 空间飞行器； 小模数齿轮； 振动测点； 有限元分析 中图分类号： TH132 ； TP306 文献标识码： A
采用 ANSYS 有限元软件进行齿轮传动系统模态 分析。因分析中阶数越低， 对系统影响越大， 故本文只 计算齿轮传动系统前五阶固有频率 ， 结果见表 1 。
表1 齿轮传动系统前五阶固有频率
Tab． 1 First five natural frequencies of the gear transmission 阶数 1 2 3 4 5 固有频率 / Hz 1 399． 3 1 835． 5 2 205． 9 2 213． 1 2 882． 0
第 22 期
齐立群等： 一种有效的空间齿轮传动系统振动测点选择方法
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测点分布实验
图 5 为空间齿轮系统实验装置原理图， 图 6 为空 间活动件振动监测和诊断实验台主要设备照片。 实验 3 级直齿齿轮传动机构、 扭矩传 系统主要由直流电机、 感器、 磁粉制动器、 压电式加速度传感器、 数据采集卡、 计算机控制系统组成。 主要实验器材技术参数见表 4 。 针对所选实验用 为得到全面 空间小模数齿轮传动机构振动的复杂性， 选用高精度三轴压电式加速度传感 的振动监测信息， 器； 采用高速 AD 卡并配合 DMA 实现振动信号高速同 步采样， 采集精度不大于 1 mV， 采样时间 10 s， 采样频 配合 率 50 kHz； 数据采集与控制部分以工控机为主体， AD 卡及相关测试软件构建整个测试控制系统， 以方便
［2 ］ 着， 引起冷焊 。 这种现象可使航天器上一些活动部 件出现故障， 如齿轮和轴承的磨损、 太阳电池翼伸展困
对齿轮箱类复杂机械设备研究甚少
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， 对空间齿轮
传动系统的振动监测传感器的测点优化更鲜见报导。 常规振动测点选择方法多以经验为主， 测点主要选择 在轴承座附近， 当齿轮箱中齿轮、 轴承等部件发生异常 其振动信号经过齿轮、 轴和轴承传递到轴承座的衰 时， 减和畸变最小。对具体的齿轮传动系统， 由于结构、 材 料、 刚度、 力学性能各不相同， 因此振动能量信息的传 由于系统 递特性也截然不同。 对空间齿轮传动机构， 采用小模数齿轮， 结构尺寸小， 有时振动测点无法布置 在轴承座上； 且振动信号弱， 对测点布置的准确性要求 更高。为此， 本文以空间常用小模数齿轮传动系统为 研究对象， 基于有限元法， 对齿轮传动系统振动测点最 佳位置选择进行研究， 并进行相应的实验验证。
Abstract： An effective method was presented to locate the best vibration measurement points in a small module space gear life experiment for overcoming the blindness of arranging measurement points with the traditional methods and improving the precision of signal testing． The stiffness distribution of a system was obtained by using the finite element modal and harmonic response analysis． The vector sum of harmonic response amplitude was catculated and the theoretical best locations of vibration measurement points were determined． The theoretical best vibration measurement points were verified by using the kurtosis index method based on a space gear vibration platform． The experimental results showed that eight of nine theoretical points are in good agreement with the experimental results． It proved the validity of the presented method． The results provided a theoretical and experimental foundation for further study on space vehicle transmission mechanism life． Key words： space vehicle； small module gear； vibration measurement point； finite element analysis 随着空间技术的发展， 空间机构的可靠性、 安全性 ［1 ］ 及寿命等的要求越来越高 。 在空间高真空条件下， 航天器运动部件的表面氧化膜较易被除去， 使表面达 到原子清洁程度， 在一定压力负荷下可进一步整体粘
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1． 齿轮箱 2． 转速转矩传感器 3． 负载 4． 台架 图1 空间齿轮传动系统 Fig． 1 Pictures of space gear transmission system
有限元谐响应分析 谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按
正弦规律变化载荷时稳态响应的一种技术， 如果齿轮 箱体上某一点在其固有频率处响应值 （ 即谐响应最大 表明其刚性越差， 反之刚性越大。 本文基 幅值） 越大， 于有限元振动测点最佳位置的选择方法即以谐响应分 析技术为基础， 通过对整个系统进行谐响应分析， 选择 刚性大的点作为振动监测点， 能够保证振动信号从信 所得振动信号可 号源传递到测点的过程中损失最小， 更好地反映故障信息。 为分析简化， 节约计算机时， 只 考虑单向传动。 由于空间齿轮系统为直 齿 轮 传 动 机 Y 轴方向。 对齿轮 Z2 ， Z4 ， 构， 可将力矩折算到 X 轴、 Z6 在其分度圆上分别加载稳定啮合力， Y 力矩大小 X ， 方向作用力见表 2 。 针对每个轴位置， 考虑加速度传感器大小和齿轮 箱结构及尺寸， 分别从轴承座及箱体上选 27 个点作为 待选测点， 测点布局见图 4 。
图3 空间齿轮传动系统有限元模型 Fig． 3 Finite element model of the space gear transmission system
动测点优选位置； 在Ⅰ轴输入背面轴承座附近， 第Ⅳ测 点 P19 ～ P22 及 P26 中， 测点 P19 为振动测点优选位 P25 ， 置； 在 Ⅱ 轴输入背面， 第 Ⅴ 组测点 P23 ～ P27 中，
表2 齿轮传递力矩及 X 和 Y 方向作用力
采用 Pro / E 软件对齿轮传动系统进行三维实体建 模， 在不影响分析前提下， 对轴承、 键槽、 螺钉等部件进 行简化。将 Pro / E 模型导入 ANSYS 有限元软件进行 单元数 1 119 500 ， 分析。网格划分后节点数 247 952 ， 有限元模型如图 3 所示。 据等效原则在箱体底部施加 面约束。齿轮传动系统取相同材料属性， 材料弹性模 －3 3 泊松比为 0． 3 ， 密度 17． 8 × 10 kg / mm 。 量为 210 GPa，