行星齿轮减速器齿轮故障诊断综述

行星齿轮减速器齿轮故障诊断和信号处理

方法综述

崔永祥张坤

（郑州大学机械工程学院河南郑州 450001）

摘要：根据行星齿轮减速器和定轴齿轮减速器的区别和联系，分析了行星齿轮系中齿轮的故障特点和形式，对已有学者的研究成果进行了分析，确定了正确的齿轮系齿轮故障信号的模型和分析方法，并提出了多级行星齿轮减速器故障诊断的方法的区别性。

关键词：行星齿轮系、故障诊断、信号分析

行星齿轮减速器是采用行星齿轮传动系统的减速装置，它和传统的定轴齿轮传动的减速装置有很大区别。行星齿轮系中的一个或一个以上齿轮（行星轮）的轴线绕另一齿轮（太阳轮）的固定轴线回转，因此它与定轴轮系的根本区别在于行星轮系中具有转动的行星架，从而使得行星轮系既有自转，又有公转。行星齿轮传动的主要特点是体积小，传动比大、承载能力大，工作平稳；因此已被广泛应用于风力发电、航空、船舶、冶金、石化、矿山、起重运输、建材等行业的机械传动系统中。

行星齿轮减速器通常工作在低速重载的恶劣环境下，而且在整个工作系统中具有重要的地位，它一旦出现故障会导致整个工作系统的延时或停滞，势必会给企业带来重大的经济损失，因此对行星齿轮减速器故障的分析和研究具有非常重要的现实意义。

一、行星齿轮减速器的结构和齿轮故障特点分析

行星齿轮传动系统的基本部件有太阳轮、行星轮、行星架和内齿圈。根据行星齿轮减速器的具体结构有很多不同的分类方法，简单的我们可以用一级减速、二级减速、三级减速和四级减速来加以区别。其中二级减速以上的减速器的太阳轮采用浮动联接的方式，因此在故障机理和信号传递路径和方式上有很多相同之处，运动形式和自身结构都更加复杂，所以以一级减速行星齿轮减速器进行分析。

在一级行星齿轮减速器中，通常情况下太阳轮固定在主动轴上，若干个行星轮分别和太阳轮、内齿圈啮合，通过行星架输出动力或运动。轮系的主要故障有点蚀、齿面磨损、断齿等。常见齿轮故障的发生比例为：齿面磨损为10%，点蚀为31%，断齿为41%，其他为18%。齿面磨损通常发生在齿轮工作一定时期以后，初期的齿面磨损不易发现，当磨损达到一定的程度才会在振动信号才有明显的显示，齿轮的啮合频率及其谐波的幅值明显增大。断齿一般是因为齿轮传动中的循环应力作用超出了轮齿材料的疲劳极限，逐渐在齿根产生裂纹，进而发展成断齿。断齿故障的振动信号通常以齿轮啮合频率及其谐波为载波频率，故障齿轮（针对太阳轮）所在轴转频及其倍频为调制频率，调制边频带宽而高。对于行星齿轮其载波频率为齿轮的啮合频率或其倍频，调制频率为故障齿轮的特征频率或其倍频。

二、行星齿轮减速器齿轮振动信号的特点

由于行星齿轮减速器传动系统中有既自转又公转的行星齿轮，它的振动信号不仅包含太阳轮，行星轮、内齿圈和行星架的旋转频率还包含它们之间相互啮合的啮合频率，此外还有以上频率的倍频和其他部件产生的振动信号的叠加。

通常，传感器安装在齿圈或与之相连的箱体上采集振动信号。太阳轮–行星轮以及行星轮–齿圈啮合副的啮合点相对传感器的位置随行星架旋转变化，使得啮合点至传感器之间的

振动传递路径发生变化，这种时变的传递路径对振动测试信号产生幅值调制效应，进一步增加了信号的复杂性。针对行星齿轮系统的这种特性，对不同结构的行星齿轮减速器建立适合的振动信号模型是能够进一步分析信号的基础。国内外的众多学者根据行星齿轮减速器的某些特点建立了与之相应的信号模型和处理方法。澳大利亚新南威尔士大学的BARSZCZ 等针对常规诊断方法不能诊断出风电行星齿轮箱内齿圈裂纹的问题，2009年利用谱峭度有效地提取出故障特征。清华大学的冯志鹏等针对风机行星齿轮减速器的分布式故障和局部故障进行的的系统的研究，详细论述了行星齿轮系中太阳轮行星轮和内齿圈的故障机理，建立了信号模型，推导出了与之相应的故障特征频率的计算公式，对行星齿轮系的故障诊断建立了相对较完善的分析方法。但是由于行星齿轮系统自身的复杂特性，研究者们目前只是通过精简的方法来研究，忽略了很多特性，只是针对某一点进行分析，并没有形成完善系统的诊断方法，并且在研究中也只是以严重的齿轮故障（严重磨损、断齿等）作为对象，并不能够区别早期的故障信号，而且对于大减速比的多级行星齿轮减速器的研究也非常少。由于一些行星齿轮减速器应用部位的重要性，提高早期故障的预判几率，避免重大故障的发生才是研究行星齿轮减速器的方向。

三、行星齿轮减速器故障信号的分析方法

鉴于行星齿轮减速器的结构特性，实际工作中测量到的信号通常包含多种频率成分，如何从中分离出故障信号和识别故障类型是解决问题的关键。冯志鹏等提出了基于经验模式分解的频率解调分析方法和行星齿轮减速器的振动信号的调幅特点。提出了本质模式函数的选择原则，推导了瞬时频率Fourier频谱的解析表达式，提出了幅值解调分析方法，推导了包络谱的解析表达式。在分析时要考虑齿轮啮合的瞬时冲击因素，齿轮刚度的影响和相位变化，在现在的行星齿轮系统中，多级行星齿轮减速器通常应用于非常重要的场合，它的结构更加复杂，因此，对于它的齿轮故障诊断需要融合基于实时信号处理的时域同步平均方法，提高信号的真实性，运用现代的信号采集技术，实时有效的检测。综合利用多种手段，提高行星齿轮系齿轮故障预判的准确性。

四、结束语

1、论述了行星齿轮减速器齿轮故障的诊断分析特点和信号处理方法

2、提出了多级行星齿轮减速器齿轮信号分析的难点，分析了采用多种技术融合来预判行星齿轮减速器齿轮故障的可行性。

参考文献

[1] 冯志鹏，褚福磊行星齿轮箱齿轮分布式故障振动频谱特征中国电机工程学报 2013 33（2）：118-120

[2] 冯志鹏，褚福磊行星齿轮箱齿轮局部故障振动频谱特征中国电机工程学报 2013 33（5）：120-121

[3] 雷亚国等行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展机械工程学报 2011 47（19）：60-62

[4] 陈长征等设备振动分析与故障诊断技术科学出版社 149-357

作者简介：崔永祥（1989-），男，在读硕士研究生，机械电子工程专业

张坤（1989-），男，在读硕士研究生，机械电子工程专业