扭振信号行星齿轮箱故障特征提取

摘要

　　行星齿轮箱具有传动比大、体积小、承载能力大、工作稳定等诸多优点，广泛使用于航空领域、风力发电等机械传动系统中，行星齿轮箱工作运行时状态与机械设备工作效率密切相关，但又因行星齿轮箱长期处于高强度、高负荷的恶劣环境中工作，容易产生疲劳裂纹及齿轮磨损等机械故障。所以对行星齿轮箱进行故障诊断领域的研究有着重要意义，可以提前诊断出故障、提高设备使用寿命，预防突发性故障等。为此，本文研究了基于扭振信号行星齿轮箱故障特征提取，主要内容如下:

　　提出并实现了基于安装在行星齿轮箱上的增量式编码器采集扭振信号的测量方法，通过高频脉冲计数原理选择多功能数据采集卡和高分辨率的编码器，完善行星齿轮箱相应的软件数据采集系统，再增加所需的硬件配置，搭建出完整的行星齿轮箱故障诊断实验平台。介绍了行星齿轮箱扭振信号有关的频谱特征，通过实验对比分析出扭振信号的可行性，相对于横向振动信号，扭振信号具有频谱结构简单、信噪比高、不易受其他振源影响、对故障敏感等优点，确定扭振信号为行星齿轮箱故障诊断实验分析信号。

　　分别研究了在空载和不同负载下行星齿轮箱输入轴与输出轴的扭振信号，并分别在正常状态与断齿故障状态下对比分析，认为行星齿轮箱在空载运行时，输入轴扭振信号比输出轴对故障更加敏感，更能反映出故障特征。在负载不断变化时，发现输出轴扭振信号比输入轴更具优势，对故障特征更加敏感，刚好与空载时情况相反。与此同时，从故障特征指标的角度诊断故障，分别对比分析峭度值与均方根值故障前后的变化，发生两者诊断效果较好。

　　针对行星齿轮箱在恶劣环境下故障特征提取，提出了基于 H-P 滤波与变分模态分解相结合的扭振信号时域分析方法。先通过构建模拟信号对该方法进行初步验证，然后通过实验方式，分别在不同负载下进一步论证该方法的可行性，实验还从扭振信号处理前后峭度值指标变化情况判断出故障的发生，较好的解决了负载时行星齿轮箱输入轴扭振信号故障特征提取不明显的问题。

　　关键字：行星齿轮箱，扭振信号，增量式编码器，故障诊断，H-P滤波，变分模态分解，故障特征

Abstract

　　Planetary gearbox with a large transmission ratio, small size, carrying capacity, work stability and many other advantages, widely used in aviation, wind power and other mechanical transmission systems, planetary gearbox is closely related to the working efficiency of the mechanical equipment during its operation. However, due to the long-term operation of the planetary gearbox in harsh environments with high strength and high load, mechanical faults such as fatigue cracks and gear wear easily occur. Therefore, research on the field of fault diagnosis of planetary gearboxes is of great significance. It can diagnose faults in advance, improve the service life of devices and prevent unexpected faults. Therefore, this paper studies the fault feature extraction of planetary gearboxes based on torsional vibration signals. The main contents are as follows:

　　The measurement method of acquiring torsional vibration signal based on the incremental encoder installed on the planetary gearbox is proposed and implemented.

　　The multi-function data acquisition card and high-resolution encoder are selected by the principle of high-frequency pulse counting, improve the corresponding planetary gearbox software data acquisition system, and then add the required hardware configuration, build a complete planetary gearbox fault diagnosis experimental platform. The spectrum characteristics of the torsional vibration signals of planetary gearbox are introduced. The feasibility of the torsional vibration signal is analyzed through experiments. Compared with the transverse vibration signal, the torsional vibration signal has the advantages of simple spectral structure, high signal-to-noise ratio, less susceptible to other vibration sources and being sensitive to the fault, so as to determine the torsional vibration signal as an experimental analysis signal of the planetary gearbox fault diagnosis.

　　The torsional vibration signals of the input shaft and the output shaft of the planetary gearbox under no-load and under different loads are studied respectively. The contrastive analysis is made between the normal state and the broken tooth state respectively, it is considered that the torsional vibration signal of the input shaft is more sensitive than the output shaft to the fault when the planetary gear box is in no-load operation, which can better reflect the fault characteristics. When the load is changing, it is found that the output shaft torsional vibration signal has more advantages than the input shaft and is more sensitive to the fault characteristics, just the opposite of the no-load condition. At the same time, the fault diagnosis from the perspective of fault characteristics indicators, respectively, comparative analysis of kurtosis and root mean square value before and after the change, the occurrence of both diagnosis is better.

　　Aiming at the fault feature extraction of planetary gearbox in harsh environment, a time-domain analysis method of torsional vibration signal based on H-P filtering combined with variational mode decomposition is proposed. Firstly, the method is verified by constructing analog signals, and then the feasibility of this method is further demonstrated under different loads by means of experiments, the experiment also judges the occurrence of the fault from the change of kurtosis index before and after the torsional vibration signal processing, and solves the problem that the fault feature of the torsional vibration signal of the input shaft of the planetary gearbox is not obvious when the load is loaded.

　　Key Words: planetary gearbox, torsional vibration signal, incremental encoder, fault diagnosis, H-P filter, variational mode decomposition, fault feature

　　行星齿轮传动相对于定轴轮系传动其优势更为明显，经常被当做差速器、增减速机等零部件使用，图 1-1 为行星齿轮传动图解形式，行星齿轮不同于一般齿轮，由于其特殊结构组成，具有一些特定优点，诸如传动比大、体积小、质量轻、承载能力强、传动效率较高等，因此，广泛适用于风力发电机、航空、矿山等工作环境较为恶劣的工程领域[1-3]。

　　行星齿轮传动具有诸多特点和优势的同时，也面对许多困难，行星轮系长期处于高速、重载、非封闭、高降速比等极其恶劣的环境中，行星齿轮容易发生故障，例如齿根裂纹、齿轮局部磨损、点蚀，甚至出现轮齿断裂或者齿轴折断。

　　在现在行星齿轮箱故障诊断技术领域中，大多数是将振动信号作为分析信号，对其进行处理，诊断出设备故障。振动信号是由安装于行星齿轮箱体表面加速度传感器测得，也称为直线运动往复振动信号。起初多用于定轴齿轮轴系领域上的故障诊断，之后便试着将振动信号应用到行星齿轮轴系进行故障诊断。研究发现，如果我们将往复振动信号直接作为行星齿轮传动系统的诊断信号，会出现许多问题：

　　1、在行星齿轮箱处所采集的振动信号内容较为丰富。行星齿轮传动系统组成结构相对复杂，通常是由太阳轮、齿圈、行星齿轮、行星架等部件组合而成。正是因为其结构的特殊性，行星齿轮既公转也自转，运行时太阳轮和行星轮各自旋转。齿圈固定不变，行星轮一边围绕着自身中心轴线自转，一边围绕着太阳轮公转，安装在行星齿轮箱上的加速度传感器也是固定不变的。由于行星轮不停的旋转，其与加速度传感器的位置也不断发生改变，行星齿轮与太阳轮运行时啮合点也随之变化，振动信号传递路径改变等易对信号产生调幅调频作用，原始信号失真，导致所采集的扭振信号较为混乱。所采集的振动信号与定轴轮系类似，相关轴承、箱体的干扰振动信号包含其中，信号成分复杂多变，不利于分离出所需的啮合振动信号进行分析研究。

　　2、行星齿轮故障特征信号较弱，不利于提取故障信号特征，低频受到严重噪声干扰。通常故障时所出现的故障冲击特征信号极其微弱，容易受到复杂的啮合振动影响，导致故障特征信号被其所掩盖。很难提取到故障特征，特别是在齿轮早期故障时期，诊断效果不佳。

　　针对以上振动信号在行星齿轮轴系故障诊断的局限性，扭振信号就表现出其优势所在。扭振信号是故障诊断很好的选择。行星齿轮的啮合扭振信号在扭转中，其相应的波动信号会有扭振信号产生。相比于往复振动信号故障发生时，扭振故障信号的传递路径要简便得多。扭振信号几乎不受外界其它振动源干扰，其频谱结构也极其简单。扭振信号还不受啮合位置改变出现调幅调频的影响，相对于振动信号其对不同故障信息反应更强烈，因此，扭振信号在行星齿轮相关传动系统中，其故障诊断方面的优势更为明显[ 4 ]。

　　综上所述，对于行星齿轮箱振动信号表现的不稳定、易受干扰等诸多不足之处。本课题拟将所采集的扭振信号作为行星齿轮传动故障的诊断原始信号，将扭振信号代替横向振动信号，充利用好扭振信号相关的优势，对行星齿轮箱不同故障工况给予诊断。本研究希望通过扭振信号的优点，将行星齿轮故障诊断流程简单化，提高行星齿轮故障诊断效率，是种较为有效的故障特征提取方法。该方法能及时发现齿轮早期故障并分辨出不同的故障类型，一定程度上，其弥补振动信号所存在的一些缺陷，在行星齿轮箱故障诊断方法上提供新的思路。

扭振信号行星齿轮箱故障特征提取：

行星齿轮传动

齿轮传动系统简化模型

模拟信号的时域图

经 H-P 滤波与 VMD 处理后的模拟时域图

采集的原始扭振信号时域波形

H-P 处理后的扭振时域波形

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　目 录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题来源
　　　　1.2 本课题的研究目的及意义
　　　　1.3 国内外研究现状
　　　　1.4 本课题的主要研究内容和工作
　　第 2 章 故障齿轮及行星齿轮箱扭振信号模型
　　　　2.1 齿轮的失效形式
　　　　2.2 齿轮振动机理
　　　　2.3 行星齿轮扭振信号频谱特征
　　　　　　2.3.1 分布式故障扭振信号模型
　　　　　　2.3.2 分布式故障特征频率
　　　　　　2.3.3 局部故障扭振信号模型
　　　　　　2.3.4 局部故障特征频率
　　　　2.4 行星轮系传动比
　　　　2.5 啮合频率的计算
　　　　2.6 本章小结
　　第 3 章 行星齿轮扭振信号采集系统
　　　　3.1 扭振简介
　　　　3.2 扭振测量方法
　　　　3.3 增量式编码器和高频脉冲计数法
　　　　　　3.3.1 增量式编码器简介
　　　　　　3.3.2 脉冲时序计数法原理
　　　　　　3.3.3 增量式编码器扭振测量原理
　　　　3.4 采集系统总体构成
　　　　　　3.4.1 机械设备
　　　　　　3.4.2 增量式编码器
　　　　　　3.4.3 多功能数据采集卡
　　　　　　3.4.4 其他设备
　　　　　　3.4.5 行星齿轮箱故障诊断试验平台
　　　　3.5 采集系统软件部分
　　　　3.6 本章小结
　　第 4 章 基于扭振信号的行星齿轮故障分析实验
　　　　4.1 扭振信号与横向振动信号对比分析
　　　　4.2 故障齿轮的扭振信号分析
　　　　4.3 空载时行星齿轮箱输入输出轴扭振信号对比
　　　　　　4.3.1 正常工况时输入输出轴扭振信号对比分析
　　　　　　4.3.2 正常与断齿工况下输入轴扭振信号对比分析
　　　　　　4.3.3 正常与断齿工况下输出轴扭振信号对比分析
　　　　　　4.3.4 断齿工况下输入输出轴扭振信号对比分析
　　　　4.4 不同负载工况下输入输出轴扭振信号对比分析
　　　　4.5 不同负载下故障指标对比分析
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 基于 H-P 滤波与 VMD 的行星齿轮箱故障特征提取
　　　　5.1 H-P 滤波与 VMD 介绍
　　　　5.2 模拟分析
　　　　5.3 故障齿轮扭振信号分析
　　　　5.4 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间发表的学术论文
　　致 谢

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