基于扭振信号的行星齿轮箱故障诊断

王 轩，王细洋

(1.南昌航空大学 飞行器工程学院，南昌 330063；2.湖北航宇精工科技有限公司，湖北 襄阳 441000)

基于扭振信号的行星齿轮箱故障诊断

王 轩1,2，王细洋*1

(1.南昌航空大学 飞行器工程学院，南昌 330063；2.湖北航宇精工科技有限公司，湖北 襄阳 441000)

行星齿轮箱具有传动比大、传动效率高等优点，但比定轴齿轮有更复杂的结构，因常工作在恶劣的条件下，容易出现磨损或疲劳裂纹等故障。为有效诊断行星齿轮传动故障，本文采用基于扭振信号的故障诊断方法，并利用增量式编码器采集扭振信号。通过与横向振动信号相比，发现扭振信号频谱结构简单、对故障特征更加敏感。通过对行星轮故障实验扭振信号的分析，故障下的故障特征频率幅值有2倍的提升。角速度形式的扭振信号能准确诊断故障，为行星齿轮箱故障诊断提供了简明有效的途径。

行星齿轮箱；扭振信号；增量编码器；故障诊断

0 引言

行星齿轮箱具有体积小、重量轻、传动比大、传动效率高与承载能力强等等诸多优点，在诸如航空、船舶、矿山、风力发电等工程机械中有广泛的应用。行星齿轮箱通常在恶劣环境下工作，例如重载、高速、高降速比、非封闭性，容易发生齿根裂纹、轮齿疲劳点蚀乃至轮齿或轴断裂等失效情况[1-2]。例如，美国国家航空和宇宙航行局在一次常规的检测中，意外发现美国“黑鹰”直升机行星齿轮箱中的行星架上出现的长达25 cm的严重裂纹，并且有数据表明，在一共192起的直升机系统故障中，行星齿轮故障高达28起[3]。近年来对行星齿轮的监测和诊断，仍是国内外研究的热点之一[4]。

目前，行星齿轮系故障诊断技术，大多借鉴定轴齿轮系的故障诊断方法，基于对齿轮箱往复振动信号的监测和处理。但是行星齿轮箱结构复杂、工作条件恶劣，往复振动信号所含噪声多，信噪比低。

除了直线运动振动信号外，还存在扭转振动信号。一般把旋转轴时慢时快的回转不均匀性定义为轴的扭转振动，简称扭振。可以将齿轮扭振信号作为故障诊断的源信号。扭振传感器通常安装在齿轮箱的输入或输出轴，从齿轮回转信号波动中得到啮合振动信号。相比横向振动信号，扭振信号从故障激励到传感器间的传递途径要简单很多，不容易受其它振源的影响，所以扭振信号的信噪比高，频谱成分比振动信号更加简单。行星齿轮啮合的位置会随时间变化[5]，但不会对扭振信号产生额外的调制用，扭振信号对故障更加敏感。利用扭振信号更容易发现齿轮的点蚀、胶合、齿根疲劳裂纹、局部断齿等早期故障[6]。

相比横向振动信号，扭振信号更加难以采集。近些年来国内外学者对扭振信号的测量方法有了一定的研究。黄震等[7]提出一种基于激光多普勒角加速度计原理进行扭振测量的新方法。虽然安装方便、测量精度高，但调试困难且价格太昂贵；廖明夫，段曙光等[8-9]创立了一种转子扭振惯性测量方法，该方法通过设计专门测扭装置直接提取和分析由转子扭振转化的动应变信号从而获知转子扭振特征。但只对微小幅度的扭振信号进行了检测实验,未能验证在大扭角的扭振信号条件下该方法的可行性；Janssens等[10]在对某型发动机的扭振测试实验中总结到，电磁式传感器测量精度非常依赖齿轮的加工精度，光学传感器的制造材料对光的敏感度和反射光的效果对测量结果有较大的影响。而且现有的很多测量方法或多或少地存在一些问题[11]。冯志鹏等[12]采集了行星齿轮箱扭矩形式的扭振信号，进行解调并且分析诊断故障，但从频谱上看故障特征不明显；徐洪志[13]总结了傅立叶频谱分析和基于AR模型的功率谱估计的扭振分析方法，但是没有给出实际的分析例子。所以不管是扭振信号的采集还是分析都是需进一步研究的问题。

编码器泛指各种以脉冲形式为输出信号的增量式编码装置，以及各种以脉冲法测量回转振动的传感装置。编码装置的输出信号都是连续的脉冲序列，相邻脉冲之间的时间间隔对应于被测轴转过一个角度增量的时间。增量式编码器通常用来精确检测旋转轴的位置，其较高的精度对分析扭振信号非常有利。增量式编码器有不同类型的形状和尺寸，可以适应不同的场合使用。本文针对行星齿轮箱结构复杂和噪声混杂等特点，采用基于增量式编码器的行星齿轮扭振信号测量方法，通过分析角速度形式的扭振信号进行行星齿轮箱故障诊断，提供一种更加简明有效地途径。

1 基于增量式编码器和高频脉冲计数的扭振测量原理

假设采集卡时钟脉冲的频率为fc，编码器码盘上有Z个刻度，即编码器旋转一周将生成Z个脉冲。将增量式编码器与行星齿轮箱旋转轴通过弹性联轴器相联，将编码器输出的脉冲信号和内部晶振产生的高频时钟脉冲信号分别接在计数器的Gate端和Source端，联接方式如图1所示：

图1 信号联接方式Fig.1 Mode of signal connection

计数器对Source端的高频时钟脉冲连续计数，当编码器的输出脉冲每达到上升沿就触发计数器的锁存指令，锁存当前计数值然后开始下一时刻的计数，并由计算机保存锁存的计数值。假设n为编码器转过一个刻度时的计数值，那么就可以得到一组计数器连续计数的计数值[n1,n2,n3,…,nz]，如图2所示。则被测旋转轴每转一个编码器刻度的时间：

(1)

增量编码器每转过一个刻度时，旋转轴平均角速度：

(2)

由于n≪fc，可将平均角速度近似为瞬时角速度。

所以可通过换算可得到一组角速度向量和时间向量，分别为：

(3)

(4)

经过以上换算就可以得到ω-t曲线关系图，这样旋转轴系的扭振信号就以角速度的形式表现出来。当设备发生故障时，旋转轴的转速会发生变化，角速度形式的扭振信号就是以角速度的波动来呈现扭转振动，波动程度代表了扭转振动的强弱。

扭转振动的角度一般比较小，若测量的分辨率不够高，就很难掌握扭振的真实情况。本研究希望找到一种在实际应用中既简便易行，又有较高分辨率的测量方法[14]。为提高扭振角度分辨率，必须找到一种可获得足够多的每转脉冲数的传感器。目前，已有一转可以产生几千甚至几万个脉冲的增量型光电编码器，这样角度分辨率就可以大大提高，之后就可以实现高分辨率扭振测量。综上所述，本实验拟采用BLE100-40-5L6-2048CR075型增量式编码器，该型号编码器每转产生2 048个脉冲，最高转速可为5 000 r/min，角度分辨率为360°/2048=0.176°。

并且从式(4)可看出:当时钟频率越大时采样间隔越短，对信号的还原度越高。所以实验采用NI公司生产的USB-6341型多功能数据采集卡，该类型数据采集卡有3个内部晶振高频时钟频率：100，20，0.1 MHz。

基于增量式编码器和高频脉冲计数的扭振测量原理行星齿轮箱故障诊断试验台由机械装置、硬件装备以及其它设备构成。试验台的总体构成如图3所示。

图2 扭振测量原理Fig.2 The measure theory of torsional vibration signal

图3 实验平台Fig.3 Test platform

2 行星齿轮箱扭振信号分析

实验所用的行星齿轮箱为PXDS115-4型单级传动行星齿轮箱，行星齿轮箱相关的设备参数和运行参数如表1、表2所示。

表1 行星齿轮箱设备参数Table 1 The parameters of equipment

表2 行星齿轮箱相关运行参数 (捏合频率429 Hz )Table 2 The parameters of operation (mesh frequency 429 Hz)

根据相关公式计算[15]太阳轮局部故障频率fs=53.63 Hz，行星轮局部故障频率fd=17.875 Hz。

基于以上扭振信号的行星齿轮箱诊断实验平台，对行星齿轮箱进行扭振信号的采集。这时由编码器采集到的信号为角域信号，然后利用式(3)、式(4)和线性插值重采样的方法对角域信号重构，得到时域信号。

同时在行星齿轮箱的顶部和两侧分别安装一个加速度传感器采集横向振动信号，以便之后与扭振信号对比，加速度传感器编号如图4所示。

图4 加速度传感器Fig.4 Acceleration sensor

图5为3个加速度传感器采集的横向振动信号，图6为相同工况下编码器采集的扭振信号。横向振动信号因受行星轮到传感器传递路径变化和噪声的影响，往往需要先对信号进行例如时域同步平均[16]等方法的处理，然后再进行后续的诊断。从时域图可看出，通过增量式编码器采集的扭振信号相比横向振动信号周期性更加明显、更有规律性。

图5 横向振动信号Fig.5 Transverse vibration signals

图6 行星齿轮箱扭振信号Fig.6 Torsional vibration signal of the planetary gearbox

图7为3个通道的横向振动信号的频谱，图8为扭振信号的频谱。由两图可看出，在扭振信号的频谱中，二倍转频、啮合频率及其倍频(二倍频、三倍频)的幅值很大，边频带也更加明显，更能有效进行故障诊断。因为横向振动信号传递路径复杂，受到严重的噪声污染，信噪比低等原因，噪声会掩盖啮合频率及其倍频两侧边频带，难以进行有效的故障诊断，所以角速度形式的扭振信号对故障特征更加敏感，频谱结构更加简单。

3 齿轮故障扭振信号分析

为了采集齿轮箱故障下的扭振信号，以人为破坏的方式对其中一个行星轮进行裂纹破坏，然后在与采集正常状态下行星齿轮箱信号的相同工况下对故障状态的行星齿轮箱进行扭振信号的采集，图9、图10分别为两种状态下的扭振信号，可看出因故障信号的调制作用，故障时角速度的波动程度大了很多。

图7 横向振动频谱Fig.7 Transverse vibration signals spectrum

图8 扭振信号频谱Fig.7 The torsional vibration signal spectrum

图9 正常齿轮扭振信号Fig.9 The torsional vibration signal with no failure

图10 裂纹故障扭振信号Fig.10 The torsional vibration signal with crack fault

为了更好体现故障特性，对两种状态下的信号进行快速傅立叶变换，如图11所示。从图中可明显看出，一个行星轮断齿的故障特征频率fp的幅值较正常行星齿轮箱有了很大程度的提升，说明行星轮有破损。啮合频率及其倍频处(fm、2fm、3fm)幅值较正常行星齿轮箱也有明显增大，在频率为fm±nfp±kfc位置处(fm+fp、fm-fp、fm-2fp、fm-3fp+fc、fm+fp+fc、fm+4fp、fm+5fp等)出现明显的峰值，其幅值较正常信号至少有两倍的提升，而且这些峰值频率都和行星轮局部故障特征频率fp有关，这就说明行星轮出现了故障。行星轮的局部故障会造成不均匀的行星架载荷分布，载荷不均匀会增强行星架旋转运动对啮合振动的调幅作用，使得频率为fm±kfc处的峰值都大于正常信号[16]。虽然行星轮运动复杂，既围绕自身轴心自转，又随围绕太阳轮公转，产生的振动信号复杂，但通过角速度形式的扭振信号能准确的诊断行星轮破损故障。

图11 对比频谱图Fig.11 Comparison spectrum

4 结 论

1) 对比横向振动信号和扭振信号，发现角速度形式的扭振信号频谱更加简明，更能有效的进行行星齿轮箱的故障诊断。

2) 通过简单的频谱分析，角速度形式的扭振信号就可准确有效地判断行星轮裂纹故障，体现了扭振信号对行星齿轮箱故障诊断的可行性和优势。

[1] 雷亚国,何正嘉,林京,等. 行星齿轮箱故障诊断技术的研究进展[J]. 机械工程学报,2011,47(9):59-67.

[2] 曹展,王细洋. 基于AR模型的齿轮故障诊断[J]. 失效分析与预防,2016,11(5):270-275.

[3] Samuel P D, Pines D J. Planetary transmission diagnostics[R]. New York: NASA/CR-2004-213068.

[4] Samuel P D, Pines D J. A review of vibration-based techniques for helicopter transmission diagnostics[J]. Journal of Sound and Vibration,2005(282):475-508.

[5] 雷亚国,汤伟,孔德同,等. 基于传动机理分析的行星齿轮箱振动信号仿真及其故障诊断[J].机械工程学报,2014,50(17):61-68.

[6] 丁康,李巍华,朱小勇. 齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2005.

[7] 黄震,刘彬. 基于多普勒加速度计扭振测量的研究[J]. 计量学报,2007,28(3):276-279.

[8] 廖明夫,段曙光. 转子扭转振动测量的新方法[J]. 航空学报,2006,27(3):525-530.

[9] 段曙光. 转子的扭振及其测量技术[D]. 西安:西北工业大学,2005.

[10] Janssens K, Britte L. Comparison of torsional vibration measurement techniques[A]. Springer Berlin Heidelberg,2014:453-463.

[11] 张俊辉,罗银生,肖万猛. 扭振测量方法及新型扭振测试系统研究[J].传感器世界,2012,18(12):11-15.

[12] Feng Z P, Zuo M J. Fault diagnosis of planetary gearboxes via torsional vibration signalanalysis[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2013,36(2):401-421.

[13] 徐洪志. 旋转机械轴系扭振测量研究[D]. 北京:清华大学,2005.

[14] 熊晓燕. 高分辨率扭振测量方法及其应用[J].振动、测试与诊断,2003,23(1):41-43.

[15] 冯志鹏,赵镭镭,褚福磊. 行星齿轮箱局部故障振动频谱特征[J]. 中国电机工程学报,2013,33(5):119-127.

[16] 胡贵锋,王细洋. 基于时域同步平均法的行星齿轮振动信号分离技术[J]. 中国机械工程,2013,24(6):787-791.

[17] 冯志鹏,褚福磊. 行星齿轮箱齿轮分布式故障振动频谱特征[J]. 中国电机工程学报,2013,33(2):118-125.

Fault Diagnosis of Planetary Gearbox based on Torsional Vibration Signals

WANG Xuan1,2，WANG Xi-yang*1

(1.SchoolofAircraftEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nangchang330063，China；2.HubeiALIPrecisionManufacturingTechnologyCo.，Ltd.,XiangyangHubei441000，China)

Planetary gearboxes have some advantages, including big transmission ratio and high transmission efficiency. Because its structures are more complex than that of fixed-axis gears, the faults such as petting and fatigue crack occur easily under varying conditions. In order to diagnose planetary gearbox faults effectively, a new method based on torsional vibration signals is presented in this paper. Firstly, the torsional vibration signals are collected by an incremental encoder. Compared with the features of transverse vibration signals, the facts show that the torsional vibration signals has simpler frequency spectrum, resulting in sensitizing to the planetary gearbox damage. Via analyzing an experimental torsional vibration signal, the amplitude of fault feature with failure is almost two times as high as normal. The results show that the proposed method which collects torsional vibration signals in form of angular velocity can detect the planetary gearbox faults and provide an effective way to diagnose the planetary gearbox faults.

planetary gearbox；torsional vibration signal；incremental encoder；fault diagnosis

2017年5月21日

2017年7月6日

国家自然科学基金(51465040)

王细洋(1967年-)，博士，教授，主要从事制造业信息化、高速数控加工、切削过程监控等方面的研究。

TH165.3

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.04.003

1673-6214(2017)04-0216-06