行星齿轮箱故障诊断方法

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摘   要：行星齿轮箱具有很复杂的结构特性,它的结构特性与定轴齿轮箱完全不同。因而,对行星齿轮箱的诊断方法不能采用定轴齿轮箱那些较为古老的方法。目前,很多学者在定轴齿轮箱上的状态监测与故障诊断方面已经做出了很多研究,但是在行星齿轮箱上这方面的研究还不是很完善,本文的目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。并对定轴齿轮箱和行星齿轮箱的结构作出了介绍,简单论述与分析了行星齿轮箱特有的特征和故障特点,基于目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。

关键词：行星齿轮箱；状态检测；故障诊断

1  行星齿轮箱常见故障分析与排除措施

1.1行星齿轮箱压力差

齿轮箱在运动过程中，运动副由于摩擦而发热和受环境温度的影响，导致箱内温度升高。随箱内温度逐渐升高，箱内压力增大，齿轮箱内外压力差增大，将导致润滑油在压差作用下，从缝隙处漏出，破坏摩擦环境，甚至影响齿轮箱传动过程。

1.2减速机结构设计不合理

当检验孔盖板太薄时，在上紧螺栓后非常容易产生形变，从而导致结合面的不平整，油会在有接触缝隙的地方漏掉。

减速机在制造的时候，由于铸造器件未及时退火、时效处理和消除内应力，这样定会产生变形，从而形成缝隙，最终油泄露掉。在箱体上未设置回油槽，润滑油堆积在轴封、端盖、结合面等处，在压力差的作用下，从间隙处向外泄漏。伺服减速机

轴封结构设计不合理。在很早之前，减速机大多都使用毡圈式轴封与油沟这样的结构，在组装的过程时会使毛毡发生变形，从而会导致结合面缝隙会被密封起来。倘若轴颈与密封器件接触不是很理想，因为毛毡的补偿性极差，密封在短时间内会立即失效。油沟上虽设有回油孔，但非常容易堵塞，回油的作用难以显现。

1.3加油量过多

当减速机在运动过程中，油会在油池里被搅动得非常厉害，从而导致润滑油在机器内部到处飞迸，但是加油过多的话，会使润滑油积聚在轴封与结合面处，从而导致油泄漏。

1.4检修工艺不当

设备检修时，由于结合面上污物未清除彻底，又或者是选取密封胶不正确、把密封件装反、没有及时更换密封件等都会引起漏油。

2  齿轮箱诊断方法

目前，对齿轮箱进行采集振动信号、特征提取与故障诊断是常见的诊断方法。由于行星齿轮箱的结构特征与定轴齿轮箱相比有很大区别，所以这些方法只适用于诊断定轴齿轮箱，并不适用于行星齿轮箱。时域特征分析与频域分解法是行星齿轮箱的主要诊断方法。

时域特征分析

a.有量纲振幅检测：检测齿轮的振动强度，可以先把时域特征中的峰值和有效值等参数检测出来，从而可以判定齿轮的工作状态。可以用类比法与绝对标准法或者相对标准法来判别标准。伺服减速机

b.无量纲振幅检测：通常为了方便于诊断，所以常用无量纲振幅参数指标来作为故障特征。波形、峰值、脉冲、裕度与峭度指标是无量纲的诊断参数。其主要特点为对不同故障信息敏感，且传动系统转速特征参数影响较小。此外，对于信号的频率分布来言采用无量纲较为稳定。

频域分析方法

2.1倒频谱分析及特点

倒频谱(Cepstrum)的定义是对功率谱的对数数值进行傅里叶逆变换，将繁杂的卷积关系变为很简单的线性叠加。故可以很容易地在倒频谱上检测与识别信号频率组成的分量，这种方法能够很容易的提取所相关的频率成分，这样它能够准确的反映故障特性。即把时间信号x(t)的功率谱函数G(f)取对数，再进行傅里叶变换，其表达式为：

其中，τ为倒频谱的时间变量，称为倒频率。

在倒频谱上纵坐标与频谱可以是相同的单位，但是它的横坐标必须是倒频率，单位为毫秒。高倒频率表示倒频谱上时间变量值大的那部分，它表示频谱的快速跳动，其中低倒频率为其值小的那部分，它表示频谱的慢速跳动。对倒频谱的分析有下面两个特点：伺服减速机

a.可有效地提取识别频谱上的周期成分

在齿轮箱中的振动信号会产生非对称边带这样的结构，这样的结构是因为很多个齿轮产生很多种转频和啮合频率，而且还会常常受到多个调制源的共同作用，况且在功率谱里面有很多大小与周期变化都不一样的结构。所以，在这个时候采用细化谱分析边频有一定的局限性。

行星齿轮箱振动信号是一个复杂且多重耦合的时间历程信号，不仅具有啮合振动信号和故障振动信号，另外还有噪声信号、传递路径等因素的调制。所以，在啮合处的频率与其谐波周围散布着很多不同的边带，因此，边带的间隔频率即它的故障频率。故障频率的谐波阶次数与它的幅值成反比。采用对数刻度来表示该功率谱的幅值，故一个周期波大约是功率谱峰的平均包络线，对于这样包含了边带成分从而具有周期性频率结构（即各谱线间具有相同的间隔）的功率谱采用傅里叶逆变换，把原有的对数功率谱转到一个新域中便是它的结果，在该新域里，具有周期性的频率结构可以在倒频谱上变化为单根谱线与高阶谱线。

根据变换过程可以得出，倒频谱是再次对周期性频率结构成分的能量进行集中，当功率谱的对数转换时分别给低幅值分量、高幅值分量以较高的加权和较低的加权，从而使小信号周期得以突出。伺服减速机

b.倒频谱分析受传输途径影响小

经验说明，由于测量齿轮箱振动时不同的传感器安装位置，不同的信号传递方法，所形成的传递函数也会各异，因此在测点频谱中，函数反映得到的结果也有差异。在通过倒频谱处理后，两个倒频谱上部分高倒频率将近于相同，而部分低倒频率有所差异，系统传递特性差异可通过以上体现出来。

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2.2细化谱分析法

频谱中的一些有限频段中的分辨能力可通过细化谱来增强，就是所说的局部频率扩展方法。一般在谱图中，标准频谱的频率是由0Hz到最高分析频率。根据谱线条数及最高分析频率来确定频率的分辨率。两者关系如下：

其中Δf是频率间隔，f_s是采样频率，f_c是分析频率范围，N是采样点数。

细化分析是为得到比较高的图像分辨率而沿频率轴将部分频段进行放大，把图像中的局部区域进行放大，如果把需要进行观察的频段的中心频率f_m作为放大中心，进行重新采样和频率移位等过程，就可获得细化谱。

在测得的齿轮故障信号中，所得到的调制后的边频，为两边分散着把故障特征频率作为间隔且中心为啮合频率的边频带。边频带常可以运用于齿轮的故障分析，但是由于在一般频谱图上间隔很小的调制频率，较低的频谱分辨率，致使这些间隔频率常常无法找到。因而，运用细化分析方法来细化处理后的频谱，可以实现有效地观察。伺服减速机

细化谱边频的查找和故障诊断，可从两方面入手：一是通过边带的对称性来找寻f_m±if_r(i=1，2，3…)的频率关系，确定其有无成为一组边带的条件。依据边带的成分与故障特征频率相互对应，即可辨别行星齿轮箱内故障位置。

二是对比各次测量中边带谱峰的幅值差异水平，边带谱峰图形的转变就包括着齿是否存在局部故障或分布故障及故障程度。

细化谱是使用频移定理作为主要的分析过程，实现时域样本的变化，使相应频谱原点和感兴趣频段中心频率重合，重新进行采样作FFT，即能获取更高的频率分辨率。

例如行星齿轮箱的时域振动信号x(t)，滤波器的截止频率在经由低通滤波处理后为f_c≤f_s/2，（式中f_s是采样频率）。下述即为细分谱的详尽分析举措。

1）复调制移频：通过左右移动频域坐标，让其零频位置即为被观察的频段起点。这时用实现对离散信号x(n)的复调制，对应该细化的频带中心频率，将其移动到频率轴原点，即可获得：

2）数字低通滤波：为滤出所需求分析的频段信号，须要运用抗混叠滤波来确保重新采样后不会发生频谱混叠。如果D为频率细化的倍数，那么得到低通滤波器的截止频率f_{c伺服减速机}=f_s/2D。

3）重新采样：分析信号频带会因在信号移频及低通滤波后而变窄，因此可以用相对原采样频率下降了D倍的较低的采样频率f_s=f_s/D实现重新采样，即对原采样点抽样每间隔N点再进行一次。

4）复FFT处理：对冲采样后的N点复序列经过复傅里叶变换处理获得N条谱线，此中的频率分辨率为Δf=f_s/N=f_s/ND=Δf/D，可以看出分辨率提升了D倍。

5）频率调整：细化后的频谱可通过上述中的谱线移动到实际频率处来获得。如果Y(k)为步骤四所获得的频谱，X(k)是细化后所能得到的频谱，那么

细化谱分析特点：

a.集中缺陷，其冲击次数（即故障齿轮）不改变边带间隔，只改变边带强度。边带强度因冲击次数愈多而愈大。另外，边带的强度还与啮合齿轮振动的大小和冲击强度的大小有关。因此边带本身强度的大小可作为齿轮运行状态的一个判定参数。

b.从理论上讲，集中故障的边带数目多，强度起伏小。而对于分布故障，若调质波为单频，则在理论上在啮合频率和2倍频两侧各成一条边带，若调制波含有2次谐波，则在啮合频率和2倍频两侧各成2条边带。

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