直齿齿轮教学试验台研制与应用

李 峥，秦朝烨，王天杨，褚福磊

（清华大学 机械工程系，北京 100084）

风力发电是国家能源安全的重要保证，对发展低碳产业、节能减排具有重要意义。近年我国风电产业迅猛发展，但在役风电装备故障率高。降低故障率，实现装备可靠运行已成为当前风电发展的主要挑战。行星齿轮箱在机组中故障率居高不下，尤其是齿轮箱内部的高速齿轮在变工况、变载荷的情况下运行容易发生故障导致灾难性的后果，如何对其高速齿轮系统进行准确的状态监测与故障诊断是一项意义重大又极具挑战性的研究。在工程中，由于各种复杂工况的干扰，风电齿轮箱的故障诊断尤为困难[1-3]。因此，研究风电齿轮箱初期故障诊断既是工程应用的迫切需求，也符合当前故障诊断学科发展的趋势。同时相关设备的研制与应用，可以为清华大学研究生课程机械振动、转子动力学提供很好的实验教学平台。在此背景下，本文搭建了一种小型风电直齿齿轮教学试验台，为开展旋转机械设备系统的故障动力学机理与诊断技术研究奠定试验基础[4-6]。

1 试验台简介

直齿齿轮教学试验台框架如图1 所示，主要由4部分组成：动力系统、负载系统、传动系统、信号采集及处理系统。图2 和3 分别为直齿齿轮教学试验台原理图和实物。

图1 直齿齿轮教学试验台框架

图3 直齿齿轮教学试验台实物

2 试验台各种参数

直齿齿轮教学试验台的动力系统由电机和控制器组成，通过控制器调节输入电压来调节电机的转速，从而模拟设备转速改变。电机型号为110ST-M05030，主要性能参数为：额定功率1.5 kW，额定电压220 V，额定电流6 A，额定转速2 000 r/min，额定扭矩5 Nm，最高转速3 000 r/min。控制器电压可调范围为0～30 V，调节精度为0.01 V。负载系统是通过磁粉制动控制器调节电流对磁粉制动器进行控制，对直齿齿轮设备施加不同的负载，从而模拟设备工况。磁粉制动器型号为CZ-2，主要性能参数为：电流范围0～3 A，额定转矩0～20 N∙m，滑差功率0.8 kW，冷却方式为水冷。

本教学试验台核心部分采用单级渐开线直齿齿轮传动系统，基本参数为：系统传动比2.5，箱体总长355mm，箱体总宽310mm，齿轮副中心距及其公差值（100±0.027）mm。

3 故障类型及模拟

为了验证直齿齿轮教学试验台的可靠性，加工了不同直齿来模拟各种故障，其参数如表1 所示。

表1 直齿齿轮教学试验台输入轴、输出轴齿轮故障

输入轴、输出轴齿轮故障如图4 所示。

图4 输入轴、输出轴齿轮故障图

4 小型直齿系统特征频率分析

Nj为齿轮j（ j= 1,2,3,4）的齿数。 fj为齿轮j的旋转频率， f1是整个齿轮传动的输入频率，通常为已知量。ki 为啮合副k（k =1,2）的传动比，定义为一对啮合齿轮副中主动齿轮与从动齿轮旋转频率之比，也等于从动齿轮与主动齿轮齿数之比，fmk为啮合副k 的啮合频率。

直齿齿轮教学系统特征频率如下[7-10]：

5 试验研究

采集设备为米勒贝母公司的噪声振动测试分析系统——BBM 采集系统，见图5；传感器为DYTRAN振动加速度传感器，型号为3056B，灵敏度为10 mV/g，见图6。

图5 BBM 采集系统

图6 加速度传感器

根据教学设备参数特点，采样频率设定为8 192 Hz，为了充分采集到可靠有效的实验数据，加速度传感器尽量布置在离被测点较近的位置（见图7），设定系统采集时间为60 s。M1 和M2 是采集系统数采端口，每个端口对应四路加速度传感器。表2 为采集系统数采端口及传感器对应的端口编号和位置。

图7 测点布置图

表2 采集系统数采端口及传感器对应的端口编号和位置

6 信号分析与处理

采用表1 中故障3 与无故障齿轮信号对比，针对采集到的实验数据进行频谱分析，验证设备的可靠性。

数据首先选取输出轴转频为15 Hz 下断齿和无故障加速度信号进行分析处理，如图8 所示。

图8 15 Hz 下输出轴齿轮加速度信号分析

从图8 可以看出，Fourier 频谱中啮合频率幅值很高，并且在齿轮啮合频率 fm附近出现以故障特征频率fg调制的边带及其谐波；在细化谱中，由于对其进行了细分频率处理，得到加工后的直齿故障啮合频率的幅值非常高，而且还在啮合频率附近出现了更加明显的边频幅值；在包络谱中，设计加工后的齿轮故障特征频率要比正常齿轮啮合频率高出很多。

同理对输入轴转频为15 Hz 下的断齿和无故障信号进行频谱分析，结果如图9 所示。

由图9 可以看出，Fourier 频谱以及细化谱中啮合频率幅值很高，出现了很高的故障特征频率 fg的边带及其谐波，其结论与输入轴转频为15 Hz 下的频率分析一致；同理在包络谱中，能明显看到输入轴的转频finput及齿轮各阶次故障特征频率。因此，直齿齿轮教学试验台能很好地模拟齿轮的各种故障特征频率，从而用于研究生实验教学及科研。

图9 15 Hz 下输入轴齿轮加速度信号分析

7 结语

本文研制了直齿齿轮教学试验台，用于学生开展实验研究，验证课堂上的理论知识，使理论与实际相结合，从而提高科研能力。通过实验数据的对比分析，验证了该设备能很好在研究生教学中发挥作用，有助于开展齿轮传动系统动力学特性与故障诊断方法研究相关工作。