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　　《行星齒輪箱振動故障診斷方法》：
　　第1章 緒論
　　行星齒輪箱結構緊湊，體積小，質量輕，傳動比大，承載能力強，傳動平穩(wěn)，傳動效率高，適用于高速大功率以及低速大扭矩的機械傳動，廣泛應用于機床、車輛、船舶、直升機、風力發(fā)電、石油化工和冶金礦山等各個領域[1]。
　　在實際運行過程中，行星齒輪箱常承受復雜的動態(tài)重載作用力，容易出現(xiàn)機械故障。例如，車輛、直升機和風力發(fā)電機組常采用行星齒輪箱作為動力傳動系統(tǒng)中的變速機構，它不僅承受動態(tài)重載負荷，而且運行工況變化頻繁，是整個動力傳動鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，其中太陽輪、行星輪、齒圈和軸承等關鍵零部件容易出現(xiàn)磨損或損傷。作為變換扭矩和轉速的關鍵環(huán)節(jié)，行星齒輪箱一旦出現(xiàn)故障，輕則導致整個動力傳動鏈失效停機，重則導致機毀人亡。因此，行星齒輪箱故障診斷問題不容忽視。
　　本章介紹行星齒輪箱的基本結構、工作原理和特點，以及國內外關于行星齒輪箱故障診斷方法方面的研究進展。
　　1.1 行星齒輪箱的結構原理和特點
　　1.1.1 行星齒輪傳動
　　在常見的定軸齒輪傳動中，當齒輪系運轉時，所有齒輪的幾何軸線位置都固定不動，如圖1-1所示。
　　圖1-1 定軸齒輪傳動結構示意圖
　　在行星齒輪傳動中，當齒輪系運轉時，所有齒輪中至少有一個齒輪的幾何軸線位置不固定，而是圍繞其他齒輪的幾何軸線旋轉。在圖1-2中，太陽輪和行星架均繞固定的幾何軸線 轉動，而行星輪活套在行星架上，它一方面繞自身的幾何軸線 自轉，另一方面還隨行星架繞固定的幾何軸線 公轉，即做行星運動。因此，將這種齒輪傳動稱為行星齒輪傳動。
　　圖1-2 行星齒輪傳動結構示意圖
　　通常，行星齒輪傳動的自由度為1，只要其中一個構件的運動已知，其余各構件的運動便可確定。在實際應用中，齒圈固定不動而太陽輪和行星架轉動的行星齒輪箱最為常見，本書即研究這一類行星齒輪箱的振動故障診斷問題。
　　1.1.2 行星齒輪傳動的特點
　　與普通的定軸齒輪傳動相比，行星齒輪傳動具有以下獨特優(yōu)點[1]：
　�。�1）結構緊湊，體積小，質量輕。太陽輪、齒圈和行星架的幾何中心線同軸，可以充分利用齒圈內部空間，有利于縮小外廓尺寸。
　�。�2）承載能力強。行星齒輪傳動具有功率分流特點，在太陽輪和齒圈的周圍均勻分布若干行星輪共同承擔載荷，而且可以充分利用齒輪內嚙合的承載能力，因此允許齒輪采用較小的模數(shù)。
　�。�3）傳動比大。通過適當選擇行星齒輪傳動的類型及配齒方案，即可以獲得很大的傳動比。
　　（4）傳動效率高。行星齒輪傳動結構對稱，若干行星輪勻稱分布，使得作用在支承太陽輪和行星架軸承上的作用力能夠互相平衡，有利于提高傳動效率。
　�。�5）運行平穩(wěn)。若干行星輪均勻分布在太陽輪和齒圈的周圍，使得行星輪與行星架的慣性力相互平衡，另外，同時參與嚙合的齒數(shù)增多，使得行星齒輪傳動運行平穩(wěn)，振動沖擊噪聲小。
　　行星齒輪傳動的上述諸多優(yōu)點，使得它的適用范圍廣泛，不僅能夠滿足高速大功率的傳動要求，而且適合低速大扭矩的傳動場合，因此在各種機械裝備中得到普遍應用。
　　1.2 行星齒輪箱故障診斷研究進展
　　1.2.1 振動信號的復雜性
　　振動測試分析是目前機械故障診斷中最為常用的方法之一，但是行星齒輪箱振動信號具有復雜的時變調制特征，致使故障診斷存在較大難度。
　　行星齒輪箱通常由太陽輪、行星輪、齒圈和行星架等關鍵部件組成，其中行星輪同時與太陽輪和齒圈接觸嚙合。若齒圈固定，太陽輪旋轉，則行星輪在自轉的同時還隨行星架圍繞太陽輪公轉。行星齒輪箱在自身復雜的運動特點和動力學本質以及多變的環(huán)境激勵的綜合作用下，它的振動測試信號的復雜性、時變性以及調制特征非常明顯。行星齒輪箱振動信號的復雜多樣性不僅意味著信號成分復雜——既有各個零部件的特征頻率成分，還有動力輸入和負載設備的振動耦合信號成分，以及背景噪聲干擾等成分，而且還體現(xiàn)在信號波形的變化形態(tài)各異——既有簡諧波和沖擊特征，還有多分量調制特征甚至時變調制特征。
　　（1）信號成分復雜：振動信號中包含行星齒輪箱運行過程中的特征頻率成分，如太陽輪或齒圈、行星輪、行星架的旋轉頻率；太陽輪-行星輪、行星輪-齒圈之間的嚙合頻率；上述頻率成分的諧頻成分；成組出現(xiàn)在嚙合頻率及其倍頻附近的邊帶成分。支承太陽輪、行星輪和行星架的軸承和動力輸入輸出裝置（如電機或聯(lián)軸器）等零部件的特征頻率成分經(jīng)過多界面耦合傳播之后，也會出現(xiàn)在測試信號中。
　�。�2）信號具有較強的非平穩(wěn)性和調制特征：在運行過程中，為配合實際設備運行工況的變化切換（如起停機、升降速和增減負荷等瞬態(tài)過程），行星齒輪箱的轉速和扭矩相應變化，振動信號的頻率和幅值具有明顯的時變性，即調頻和調幅特征。在行星齒輪箱的運行過程中，位置固定的傳感器（通常安裝在固定的齒圈或者和齒圈相連的箱體上）和齒輪嚙合（太陽輪-行星輪、行星輪-齒圈）振動源之間的相對運動會對振動測試信號產(chǎn)生明顯的幅值調制作用，使得信號具有非平穩(wěn)性。行星齒輪箱故障，如齒輪和軸承的點蝕、脫落和裂紋等局部損傷，在運行過程中會導致沖擊響應，這些瞬態(tài)沖擊成分將增加振動信號的非平穩(wěn)性。
　　行星齒輪箱振動信號的復雜性和時變調制特征增加了信號分析和故障診斷的難度。針對這一問題，結合行星齒輪箱的動力學特點，深入透徹理解故障振動機理，總結歸納故障征兆規(guī)律，提出有效的分析方法，對于行星齒輪箱故障診斷具有重要的學術價值和實際應用價值。
　　1.2.2 故障診斷方法研究進展
　　對于定軸齒輪箱故障診斷，廣大科研人員開展了長期深入的研究。在時域內，應用有效值、能量比、峰值因數(shù)、偏度、峭度以及基于殘余信號和高階統(tǒng)計量定義的多種統(tǒng)計參數(shù)指標識別齒輪損傷，提出了時間同步平均分析方法[2，3]。在頻域內，應用頻譜分析、邊帶分析、包絡譜分析和倒譜分析等方法從振動信號中提取特征頻率，從而識別齒輪故障原因[2-6]。另外，考慮齒輪箱振動信號復雜性和時變特點，研究了基于小波變換、Cohen類時頻分布、Hilbert-Huang變換、循環(huán)平穩(wěn)分析和盲源分離等多種診斷方法[7-16]。雖然這些關于定軸齒輪箱方面的研究成果對于行星齒輪箱故障診斷具有重要的參考借鑒價值，但是，行星齒輪箱的獨特結構和運動特點使得其振動信號比定軸齒輪箱更為復雜，故障診斷難度較大，仍然存在許多問題值得深入研究。
　　針對行星齒輪箱振動信號的復雜特點，一些學者應用各種信號分析方法對故障特征提取問題進行了研究[17， 18]。
　　McFadden [19]、McNames [20]、Mosher [21]研究發(fā)現(xiàn)，在行星齒輪箱運行過程中，行星輪-太陽輪以及行星輪-齒圈之間的嚙合造成的振動更為復雜，行星輪和位置固定的傳感器之間的相對運動會對振動信號產(chǎn)生調制作用，行星輪之間的不同相位關系導致振動信號的頻譜結構具有明顯的非對稱性，即主導頻率成分通常為分布在嚙合頻率及其諧頻附近的邊帶成分。McFadden [22， 23]以及Samuel和Pines [24]等推廣了時間平均方法，分別提出了利用單傳感器和多傳感器分離行星輪和/或太陽輪振動成分的計算方法。Samuel等[25]基于提升小波方法提出了約束自適應算法檢測行星齒輪機構中的輪齒損傷，以預先確定的行星齒輪箱正常狀態(tài)下的振動信號作為小波基函數(shù)，匹配振動信號，檢測其中的變化。Williams和Zalubas [26]應用Wigner-Ville分布檢測直升機行星齒輪傳動系統(tǒng)故障。Bartelmus和Zimroz [27， 28]發(fā)現(xiàn)行星齒輪箱故障對載荷變化敏感，應用齒輪嚙合振動幅值與工況之間的線性依賴關系監(jiān)測時變工況下的行星齒輪箱運行狀態(tài)。Barszcz和Randall [29]應用譜峭度檢測風電行星齒輪傳動系統(tǒng)中的輪齒裂紋。Zhang等[30-32]應用盲解卷積方法降低振動信號中的干擾噪聲，提取行星架裂紋故障特征。Lei等[33]應用自適應隨機共振方法提取行星齒輪傳動系統(tǒng)微弱故障特征，診斷了太陽輪剝落和斷齒故障。胡蔦慶等[34， 35]提出了基于Hilbert-Huang變換的嚙合頻率鄰域內能量特征以及灰色關聯(lián)度分析方法來檢測行星齒輪傳動系統(tǒng)中的太陽輪故障。樊長博等[36]針對風電行星齒輪傳動系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣、故障信號中調制邊頻帶復雜的問題，應用倒頻譜分析了故障特征。白亞紅等[37]提出了基于經(jīng)驗模式分解和支持矢量機的診斷方法，診斷了行星齒輪傳動系統(tǒng)齒輪磨損故障。肖志松等[38， 39]針對自行火炮中的行星齒輪傳動系統(tǒng)故障，分別提出了基于時域平均、時頻分析、Hilbert-Huang變換和散度指標的診斷方法。
　　本書作者針對行星齒輪箱故障診斷中涉及的振動信號分析方面的問題進行了深入研究，根據(jù)行星齒輪箱的動力學特點，考慮典型零部件的常見故障形式，建立了太陽輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障以及行星輪軸承故障狀態(tài)下的振動信號模型，推導了太陽輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障以及行星輪軸承內外圈和滾動體故障特征頻率的計算公式，并推導了振動信號Fourier頻譜的解析表達式，提出了幅值解調和頻率解調分析方法，總結歸納了太陽輪、行星輪和齒圈等全部三種齒輪分布式故障和局部故障以及行星輪軸承內外圈和滾動體故障的征兆規(guī)律；針對工程實踐中常見的時變工況，提出了基于時頻分析的故障診斷方法，通過實驗和現(xiàn)場測試信號驗證了理論分析方法的有效性[40-46]。
　　本書總結介紹作者在行星齒輪箱故障振動信號特征分析方面的研究成果：第2章和第3章在行星齒輪箱振動信號模型的基礎上，分別介紹太陽輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障特征頻率的計算方法和振動信號的Fourier頻譜特征；第4章和第5章針對齒輪振動信號的調幅-調頻特征，分別提出幅值解調和頻率解調分析方法用于齒輪故障特征提��；第6章通過扭轉振動信號分析提取齒輪故障特征；第7章針對工程中常見的時變工況，介紹齒輪故障特征的時頻分析方法；第8章針對行星輪軸承的獨特運動方式，推導行星輪軸承故障特征頻率的計算公式，總結歸納內外圈和滾動體等關鍵元件故障振動信號的Fourier頻譜、幅值解調譜和頻率解調譜的征兆規(guī)律。
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