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行星齿轮箱状态监测和故障诊断概述.docx
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行星齿轮箱状态监测和故障诊
断概述
作者: 日期:
行星齿轮箱状态监测和故障诊断概述
摘要
行星齿轮箱与定轴齿轮箱截然不同,具有独一无二的特性,因此,在定轴齿轮箱
上应用良好的故障诊断方法并不适用于行星齿轮箱。对定轴齿轮箱的状态监测 和故障
诊断方面的研究已经很多,但是对行星齿轮箱在这方面的研究还不足,然 而,我们发
现关于行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的文献已经出现在学术 期刊、会议纪要
和技术报告中。这篇论文的口的就是回顾和总结这些文献,并为 对这个方向感兴趣的
研究人员提供综合的参考。本文对行星齿轮箱和定轴齿轮箱 的结构作了简单介绍和对
比,阐述和分析了行星齿轮箱独有的特征和故障特点,基 于 LI 前可采用的方法对行星
齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究进展进行 了总结。最后,讨论了目前存在的
问题,指出了潜在的研究方向。
•引言
1
山于行星齿轮箱具有大传动比和重载特征,其被广泛应用在航空航天、汽车 和重
工行业,例如直升飞机、风力涡轮机和重型卡车[1,2]。行星齿轮箱通常工作 在恶劣
的工况下,例如,其关键组件齿轮和轴承的损伤模式一般为疲劳裂纹和点 蚀[3], 行
星齿轮箱的任一失效都有可能引起整辆列车的停车,造成巨大的经济损 失和人员伤亡,
行星齿轮箱的状态监测和故障诊断 U 的是避免事故的发生,并降低 用户使用成本。
齿轮箱的状态监测和故障诊断已经引起了越来越多的关注[4 一 6]。然而大多数 的
研究集中在定轴齿轮箱上,定轴齿轮箱所有的齿轮都绕某一根固定轴转动[7-10]
(见图 1)。行星齿轮箱与定轴齿轮箱最根本的不同就在于其具有一组行星
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齿轮传动机构,图 2 所示的行星齿轮箱是一组负责的齿轮系统。他包括一个内齿
圈,一个绕着固定轴转动的太阳轮和儿个绕着自身中心转动的同时乂绕着太阳轮 中
心转动的行星轮。曲于具有如此复杂的传动结构,行星齿轮箱表现出独有的特 性,
因此,在定轴齿轮箱上应用很好的故障诊断方法不适用于行星齿轮箱。
与定轴齿轮箱相比,行星齿轮箱在状态监测和故障诊断方面的研究没有那么 多,
但是,近儿年这方面的研究增长迅速,每年都有这方面的文章发表在学术期 刊,会
议纪要和技术报告中。在 2 0 05 年,S amuel 和 Pines』1 ]全面阐述了直 升飞机传动
机构的基于振动的诊断技术,这种直升飞机的传动机构包含一个行星 齿轮箱,然而,
作者通过文献检索,没有发现专注于行星齿轮箱故障诊断方法的论 述文章。
本篇论文的写作 U 的是总结和概括行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面 的
研究进展,并试图综合这个研究方面有关的各种分散的文章,为研究人员提供 一个
综合参考,帮助他们在本领域中作进一步研究。这篇文章根据多种不同的方 法进行
了阐述,也就是建模、信号处理和智能诊断。
这篇论文其余部分的架构如下,第二章将行星齿轮箱与定轴齿轮箱进行了简 要
对比,并阐述了行星齿轮箱的独有特性和故障特点。第三章根据已有的方法对 发表
过的关于行星齿轮箱的故障诊断方面的文章进行了阐述,第四章以表格的形 式对这
些文章进行了总结,并指出了目前研究工作中存在的问题。笫五章阐述了 该研究领
域的研究前景和研究方向。结语放在了第六章。
•行星齿轮箱的简要介绍
2
传动结构和运行特性
2. 1
这一节中,在介绍行星齿轮箱之前,首先介绍两级传动的定轴齿轮箱的传动 机构
图,如图 1 所示,从图 1 中明显看出,所有的齿轮只绕各自的固定中心转动。 只包
含这种类型的齿轮传动机构的齿轮箱被定义成定轴齿轮箱。
与此相反的是,行星齿轮箱具有儿个绕着非固定中心转动的行星齿轮,图 2 展示
了一个基本的行星齿轮箱,它包含有一个内齿圈,一个绕着自身固定的中心 转动的
太阳轮,四个既绕自身非固定中心转动的行星轮,行星轮处于太阳轮的内 齿圈之间,
与两者同时啮合。通常来说,在现在工业中,有三种基本类型的行星 齿轮箱。 三种
行星齿轮箱如图 2 b 至 d 所示。图 2b 所示的齿轮箱具有固定的 内齿圈,图 2C 所示
的齿轮箱具有固定的太阳轮,图 2d 所示的齿轮均可转动。
山于行星齿轮箱所具有的独特结构,其具有定轴齿轮箱所不具有的下列特性。
1)与太阳轮和内齿圈啮合的多个行星齿轮和很多同时运动的邻近的组件(齿 轮
(
或轴承)将在行星齿轮箱中产生相似的振动。这些具有不同啮合相位的振动相 互耦
合,导致一些振动被中和掉或是掩盖掉[12]。
(2)从齿轮啮合点到固定在齿轮箱外壳上的传感器有多条时变的振动传递路径。
山于耗散和干扰效应/(专递路径可能会加强或减弱故障组件的振动信号[13]。而
且,加载到齿轮箱上的扭矩或是载荷可能增大非线性传递路径的影响[12]。所 有
这些影响可能减弱隐藏在复杂振动信号中的故障信号的特性。
(3)与定轴齿轮箱相比,行星齿轮箱具有不同的振动信号频谱分布,对于一对
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