谢永春 博士——双环减速器运动特性及其故障诊断研究

双环减速器运动特征及其故障诊断研究

 

博士研究生：谢永春

 

指导教师：李润方  教授

 

学科专业：机械设计理论

 

重庆大学机械传动国家重点实验室

 

概述

1.1课题来源及研究的意义
本文研究内容来源于国家自然科学基金重点项目《机械／流体传动的节能及新型传动方式的基础性研究》（项目编号：59835040）中的子课题《高效多流传动系统的设计理论和方法的研究》以及国家十五高技术研究发展计划（863计划）项目(网络化、智能化大型旋转机械在线诊断系统》（项目编号：2001 AA423200）。

平行动轴少齿差传动是我国独创的一种新型传动，其传动原理为行星轮不是作摆线运动，而是通过双曲柄齿轮机构引导作圆周平动，已出现了单环、双环、三环、四环及平衡式减速（增速）等装置，分别获国家发明专利和实用新型专利，部分产品已列入行业标准。该传动形式与现有各种主要齿轮传动形式相比，具有结构简单、体积小、重量轻、传动比大、传动效率高、承载能力大、过载能力强等一系列优点，因而在机械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工业领域得到了大量的应用。同时因具有装配灵活和结构本身的独特特征，在有些领域具有其它传动无法代替的优势，近年来年产值已达数亿元，具有广阔的应用前景。但该传动在高速重载情况下振动和噪声大、温升高及轴承早期破坏等问题，在连续运转、重载、高速、大传动比工况下问题更为突出，大大影响了其推广进程，成为亟待解决的关键技术难题。目前国内外开展该传动研究主要集中在其传动机理、运动学和动力学分析及振动噪声测试方面，对其整个传动系统耦合非线性振动噪声分析和发热机理及设计阶段对产品的振动噪声预估等方面研究很少。对于双环减速器，由于行星轮不是作摆线运动，而是通过双曲柄齿轮机构引导作圆周平动，在不同位置行星轮啮合齿对数不同，导致载荷分配不均。同时由于轮齿刚度的时变特性、齿轮啮合时的啮入和啮出冲击、齿轮间侧隙的存在、摩擦阻力、并列齿轮机构相位及制造安装误差和环作圆周平动引起的不平衡摆动力和摆动力矩的影响，使齿轮在工作中将产生内部激励，而外载波动又使传动系统受到外部的激励。在这种相互的冲击作用下，使得双环减速器可能产生故障。

20 世纪六十年代末以来，美国、英国和日本等发达工业国家掀起了故障诊断技术研究的热潮，并在实践中发挥了重要的作用，取得了巨大的经济效益和社会效益，并日益受到企业和政府主管部门的重视。目前故障诊断技术已从原来的基于时间的维修策略发展到近十几年的基于状态的预测性维修策略，对于系统在线监视的要求越来越高。随着计算机技术以及Internet技术及其相关技术的迅速发展，基于网络化的远程故障诊断也成为当今故障诊断领域的新方向。同时，由于环式减速器的进一步深入研究及在各领域的广泛应用，因此，对双环减速器进行故障智能诊断预报并迅速处理，并逐步实现远程诊断，此研究课题具有重要的实用意义。

1.2 国内外发展现状
1.2.1 少齿差行星传动发展简介
随着现代化工业技术的高速发展，机械化水平的不断提高，对齿轮传动装置的技术及经济性能也提出了越来越高的要求。在常见的齿轮传动装置中，普通的定轴圆柱齿轮传动传动比小、体积大、结构笨重；普通圆柱蜗杆传动效率较低；而行星齿轮传动由于具有传动比大、重量轻、结构紧凑等优点，而得到广泛的应用。少齿差行星齿轮传动是行星齿轮传动中的一种，它由一个外齿轮与一个内齿轮组成一对内啮合齿轮副，内外齿轮的齿数相差较少，故简称少齿差传动。少齿差传动的类型很多，最早出现的是德国人提出的以外摆线为齿廓曲线的少齿差传动，由于其中的一个齿轮采用针轮的形式，故亦称摆线针轮行星齿轮传动；30 年代后期日本人开始研制并试生产该行星齿轮传动装置，但由于当时工艺条件落后，齿形加工精度很低，因而产量不高；直到60年代摆线磨床的出现，从工艺上保证了摆线齿形的精度，才促进了这种传动的发展。近几十年来，摆线少齿差传动已发展成为少齿差传动中应用最广泛、最基本的一种类型，此外，还发展了二齿差、复合齿型、行星轴承与偏心套合并等新的传动结构。摆线针轮行星齿轮传动由于其主要传动零件采用轴承钢并经过磨削加工，传动时又是多齿啮合，故其承载能力高、运转平稳、效率高、寿命长，但其加工精度要求高，结构复杂。渐开线少齿差传动的原理与摆线少齿差传动基本相同，区别在于内外齿轮的齿廓曲线采用渐开线。其轮齿结构简单、啮合接触应力小、承载能力高、可采用软齿面、加工容易。但由于内啮合齿轮齿数差很少，极易产生各种干涉，在设计过程中选择齿轮几何参数十分复杂。1949年苏联学者从理论上解决了实现一齿差传动的几何计算问题；到60年代随着电子计算机的出现，渐开线少齿差传动才得到了较迅速的发展。目前已出现了柱销式、零齿差、十字滑块、浮动盘式等多种传动形式。渐开线少齿差齿轮采用普通的渐开线齿轮刀具和齿轮机床加工，不需要特殊刀具和专用设备，材料也可采用普遇齿轮材料，加工方便、制造成本低，但其传动效率不如摆线少齿差传动高。60 年代国外开始探讨圆弧少齿差传动，到70 年代中期，日本开始进行圆弧少齿差行星减速机的系列化生产。这种传动的特点是行星轮的齿廓曲线采用四圆弧代替了摆线，轮齿与针齿在啮合点的曲率方向相同，形成两凹凸圆弧的内啮合，从而提高了轮齿的接触强度和啮合效率，其针齿不带齿套，并采用半埋齿结构，既提高了弯曲强度又简化了针齿结构。此外，圆弧形轮齿的加工无需专用机床，精度也易保证，且修配方便。

近十几年来又相继出现了一些新的少齿差传动形式，其中发展较快的有活齿少齿差传动锥齿少齿差传动、双曲柄输入式少齿差传动及用弹性变形来传递运动的谐波传动。实践证明，少齿差传动与适用于相同工况的其它机械传动形式相比，具有许多显著的优点：如体积小、重量轻、结构紧凑、传动比范围大和传动效率高等。
我国从50 年代就开始从事少齿差传动的研究。1958年开始研制摆线针轮减速机，60年代投人工业化生产，目前已形成系列，制定了相应的标准，该减速机己广泛用于各类机械设备中。1960年我国研制成第一台二齿差渐开线行星齿轮减速机，用于桥式起重机的提升机构中。1956 年我国著名机械学专家朱景梓教授根据双曲柄机构的原理提出了一种新型少齿差传动机构，其特点是当输人轴旋转时，行星轮不是作摆线运动（即高速公转与低速自转的合成），而是通过一双曲柄机构引导作圆周平动。这种独特的“双曲柄输人式少齿差传动机构”得到当时国内外同行的高度评价。1963年朱景梓教授在太原工学院学报上发表了“齿数差Zd=1的渐开线K-H-v型行星齿轮减速器及设计”一文，详细阐述了渐开线少齿差传动的原理和设计方法。朱景梓教授所从事的这些创造性工作，为少齿差行星齿轮传动在我国的推广应用起了重要的指导作用。双曲柄输入式少齿差行星齿轮传动使行星轴承的载荷下降，而且当内齿板为行星轮时，行星轴承的径向尺寸可不受限制，从而提高了行星轴承的寿命。另外，这种传动不需专门的输出机构，可实现平行轴传动，结构简单、传动效率高、适用性强。但由于历史原因，这种传动直到70年代末才得到了较多单位的研制和使用。目前应用范围相当广泛，已用在小型起重设备、畜牧机械、食品、轻工、化工机械、渔业、纺织、焊接、水利、机床、自动控制等领域。1985年冶金工业部重庆钢铁设计研究院陈宗源高工提出了平行轴式少齿差内齿行星齿轮传动装置一三环减速器，并于同年以“三环式减速（或增速）传动装置”申请了国家发明专利。1992年重庆钢铁集团公司研制出了单齿环双曲柄输入少齿差减速器，并于同年申请了实用新型专利。英国人在1989年也提出了类似的少齿基传动装置，但是按其原理设计的减速器，在一根曲柄上安装三个内齿板，不得不做成偏心套结构，其结构复杂、加工分度精度要求高，而且在工作过程中，偏心套受交变扭矩作用，在与曲轴连接的表面产生微动磨损，导致发热；此外，三套互成120°相位差的双曲柄机构之间存在多次过约束，加工及装配误差容易导致附加冲击，引起振动和噪声。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一块齿板上布置三个曲柄轴的内齿行星传动装置，并申请了专利。这种结构特点是单齿板传动不存在死点，但由于有三个曲柄轴，加工精度要求高，结构复杂，安装不便。1998年朱才朝对三环减速器进行了振动控制的研究。1999年哈尔滨工业大学博士研究生梁永生提出了一种新型的金属弹性环均载的两级三环减速机，并对其进行了理论分析及样机实验, 2001年天津大学博士研究生杨建明用弹性力学方法对三环传动进行了理论分析。
1.2.2 双环减速器故障诊断国内外研究现状
1）故障诊断的发展及研究现状
根据已经掌握资料，最早开发故障诊断技术的是美国。1961年开始执行阿波罗计划后出现的一系列设备故障造成的悲剧导致1967年在美国宇航局提议下，由美国海军研究室主持成立了美国机械故障预防小组（MFPG )，积极从事技术诊断的开发。1971 年MFPG 正式划归美国国家标准局领导，从事故障机理的研究、检测、诊断和预报的技术研究，可靠性分析及耐久性评价。美国机械工程师学会（ASME ）领导下的锅炉压力容器监测中心在应用声发射诊断技术（AE）对静设备故障诊断方面取得了较大的进展。其他还有Johns Mitchel 公司的超低温水泵和空压机的监测技术，SPIR公司的用于军用机械的轴和轴承诊断技术，TEDE-CO公司的润滑油分析诊断技术等都在国际上处于领先地位。美国在航空方面，在可靠性维修管理的基础上，大规模地对飞机进行状态监测，采用了飞行器计算机数据综合系统（AIDS) ，分析处理大量飞行中的信息来确定飞机各部位的故障原因并发出消除故障的命令，这一技术己用于B747和DC9等巨型客机中，大大提高了飞行安全性。据统计，世界班机每亿旅客公里的死亡率从60年代的0石左右下降到70年代的0.2 左右，并非偶然。
在英国20世纪60年代末70年代初，以R.A.Collacott 为首的英国机器保健中心最先开始研究故障诊断技术，1982年曼彻斯特大学成立了沃福森工业维修公司（WIMU)，其他还有几家公司都开展了这方面的研究工作。设备诊断技术在欧洲其他国家也有很大发展，这些国家在某一方面具有特色或领先地位，瑞典的SPM公司的轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦B&K 公司的振动监测诊断和声发射监测仪器等都各有千秋。日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展很快，占有某些优势，他们密切注意世界性动向，积极引进消化最新技术，努力发展自己的诊断技术，研制自己的诊断仪器，新日铁从1971年起开发诊断技术，到1976年基本上达到实用阶段。日本的机械维修、计测自动控制、电气和机械学会相继设立了自己的专门研究机构。日本国立研究机构中的机械技术研究所和船舶技术研究所重点研究机械基础件的诊断技术。东京大学、东京工业大学、京都大学等高等院校着重基础性理论研究。其他民办企业如三菱重工、川崎重工、日立制作所、东芝电器等以企业内部的工作为中心着重研究应用水平较高的实用题目。
欧洲著名的国际测量学会(IMEKO）的第10专业委员会（TC-10 )，也就是技术诊断学委员会，每隔1年或2年召开一次国际学术会议，我国代表从它的第三届国际会议开始参加，到1987年的第五届己连续参加了三届，第四届上有四篇论文，在第五届上有7篇论文。
我国国家经贸委中国设备管理协会结合我国国情，在1983年提出了《国营工业交通设备管理试行条例》，这个条例有力地推动了我国设备故障诊断技术的开发和研究。
当前我国的一些民用工业，尤其是冶金、石化和电力等流程工业，在开发和应用设备诊断技术方面走在了前面，因为这些工业的关键设备一旦发生事故就会造成很大损失。原冶金工业部首先在东北大学和北京科技大学培养了从事故障诊断的研究生，己有一批硕士生和博士生毕业，其次以北京冶金设备研究所为基地建立设备诊断研究室，并开展了测试、培训和咨询工作。1983 年确定宝山钢铁集团公司和太原钢铁公司为开展诊断技术的试点单位，建立了振动、红外和铁谱三个实验室。在振动监测方面对烧结和高炉的风机、制氧站的空压机进行了测试和分析，研制了ZJCY85 型风机轴承在线监测系统；在红外和热像方面对电气设备进行简易诊断，对炉壳炉衬腐蚀的诊断。都取得了好的效果；在铁谱技术方面对175t脱锭吊车的油泵油液进行铁谱分析，为液压泵、随动阀等部件的磨损找出了预防措施。东北大学与唐山钢铁集团公司合作研制了650mm 轧机轧制力矩在线监测系统产650mm轧机工作状态监测系统，又与本钢合作研制了1150mm万能板坯轧机工作状态监测系统，开发出轧钢机工作状态监测系统列人国家“八五”重点科研成果推广计划；东北大学研制的风机工作状态监测系统列人1995年国家重点科技成果推广计划。
石化总公司从20世纪70年代组织无损检测到80年代开展设备状态监测，已投资600多万元为其所属企业装备了各类监测仪表1400多台套，加强了对旋转机械的振动监测及故障原因分析。采用轻便高效的探伤仪、测厚仪、内窥镜及声发射技术，加强了对压力容器的检测，同时开展热监测工作，利用红外热像仪测定厂内散热损失，合理选用隔热材料达到了节能的效果。
水电行业以大机组为重点开展了机械设备故障诊断的研究，应用红外热像技术进行设备诊断对安全运行起到了良好作用，制成了比国外漏水继电器性能优越的双水内冷发电机漏水报警系统。研制出用于变压器故障诊断的气相色谱仪，利用声发射技术测定锅炉炉管和汽包焊缝。
此外，机械行业在现场简易诊断和精密诊断方面，航空工业在研制诊断仪器方面，核工业在进行反应堆故障诊断和寿命预测方面，铁道部门在进行内燃机车油液的光谱、铁谱分析和电力机车诊断方面，以及交通部门在实施汽车不解体检测等方面都是卓有成效的。
1986年6月4日-7日在沈阳东北工学院（现东北大学）召开了国内第一次机械设备诊断技术国际会议，中外学者和专家340多人参加了会议，会上交流了117篇论文。这次会议在加强国际学术交流和促进我国诊断技术的发展上起了积极作用，会议促成了东北地区机械设备诊断技术研究会在1986年9月正式成立，推动了各大型企业诊断技术的进展，鞍山钢铁公司和本溪钢铁公司成立了专门从事机械设备诊断和现代化管理的科室，积极购置先进的仪器设备并开展技术诊断的研究工作。1987年11月召开了东北地区机械设备诊断技术研究会第一届年会，交流了东北地区一年来在技术诊断研究、开发和应用上的成果和经验，到2000年已召开了三次国际会议和四次地区会议。
1987年5月中国振动工程学会故障诊断学会成立，至今己召开了六次全国会议，其特点是从理论和方法的角度来发展故障诊断技术。
国家经贸委中国设备管理协会已在全国各省成立了在省经贸委领导下的各省设备管理协会，推动设备管理的改革和现代化，中国设备管理协会设备诊断工程委员会，召开了三次全国会议，其特点是从管理的角度来发展故障诊断技术。一中国机械工程学会成立了失效分析工作委员会，建立了全国性的专家库和失效分析网，协调全国的失效分析和故障预防研究工作。中国机械工程学会设备维修分会设备诊断技术委员会已召开了人次全国会议，其特点是从工程应用的角度来发呢故障诊断技术。
国内一些重点大学像西安交通大学、东北大学等相继建立了故障诊断工程中心，目前不少高等院校都在培养故障诊断方面的硕士和博士研究生，这些学校有西安交通大学、上海交通大学、东北大学、北京科技大学、南京航空学院、哈尔演工业大学、重庆大学等等。
2）齿轮箱的故障诊断方法与研究现状
齿轮箱是一种量大面广而且应用最为普遍的基础性部件，广泛存在于机械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工业领域的各种设备之中，应用范围非常广，但也是在设备维护保养中拆卸较为复杂，误工误时较多较复杂的部件之一。

按检测手段来分齿轮箱故障诊断方法有以下几种：
a.振动检测诊断法
以机器振动作为信息源，在机器运行过程中，通过振动参数的变比特征判别机器的运行状态。
b.噪声检测诊断法
以机器运行中的噪声作为信息源，在机器运行过程中，通过噪声参数的变化寿征判别机器的运行状态。此法的本质与振动检测诊断法是一致的，因为噪声主要是由振动产生的。此法虽简便，但易受环境噪声影响，不如振动检测诊断法准确。

c.温度检测诊断法
以可观测的机械零件的温度作为信息源，在机器运行过程中，通过温度参数的变化特征判别机器的运行状态。
d.声发射检测诊断法
金属零件在磨损、变形、破裂过程中产生弹性波，以此弹性波为信息源，在机器运行过程中，分析弹性波的频率变化特征判别机器的运行状态。
e.润滑油中金属含量分析诊断法
在齿轮箱机器运行过程中，以润滑油中金属含量的变化，判别齿轮箱的运行状态。
f.光纤内窥技术
主要利用特别的光纤内窥镜直接观察到零件表面磨损与腐蚀情况。这一技术由于需一套成像系统，操作复杂，且对油污的限制较多，故较少采用。按诊断方法原理分有以下几种:
a.频域诊断法
一应用频谱分析技术，根据频谱特征变化，判别机器的运行状态及故障形成原因。
b.时域分析法
应用时间序列模型及其有关的特性函数，判别机器的工况状态的变化。

c.统计分析法
应用概率统计模型及其有关的特性函数，实现工况状态监视与故障诊断。

d.信息理论分析法
应用信息理论建立的某些特性函数，如库尔伯克（Kullback）信息数，J散度等在机器运行过程中的变化，进行工况状态分析与故障诊断。
e.模式识别法
利用检测信号，提取对工况状态反应敏感的特征量构成模式矢量，设计合适的分类器，判别工况状态，它是人工智能的技术之一。
f.其他人工智能方法
如人工神经网络、专家系统等，这些都是新发展的新领域。
根据收集到的资料，对齿轮故障各种诊断方法归类分析，并对各种方法诊断效果的优劣进行了比较，情况见表1.1

表1.1 齿轮故障诊断方法分类

丁康等利用振动理论和试验研究分析了齿轮箱中齿形误差、齿轮均匀磨损、箱体共振、轴轻度弯曲、断齿、轴不平衡、轴严重弯曲、轴向窜动、轴承疲劳剥落和点蚀九种典型故障的振动特征。
丁康认为为了综合利用典型故障的特征，必须采用对加速度和速度进行两时域（原始时域信号和包络时域信号）特征值分析和三频域（频谱、细化谱、解调谱）分析的方法。由于振动信号的时域均方值反映了平均振动能量，时域峰值、峭度和峰值指标在一定程度上反映出振动信号是否含有冲击成分，而包络时域均方值可直接反映出振动信号包络大小，峰值、峭度和峰值指标则可直接反映出振动冲击信号的尖锐程度，所以在时域一般选用这四个特征值作为诊断参量。在齿轮箱故障诊断中频谱主要用于分析振动加速度信号中齿轮啮合频率和轴承内、外环固有频率等中高频成分；细化谱主要用于分析振动速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分；解调谱主要用于分析振动加速度信号中各轴转频和轴承各组件通过频率等低频成分。齿轮箱因结构的复杂性，其振动的频率成分很多，故一定要在建立档案的基础上来判断是否存在故障，并在此基础上进行故障诊断。
王新晴对齿轮箱故障进行了分类统计，指出了齿轮箱失效的定界原则，对齿轮箱故障特征的提取与自动化诊断方面提出了一套新的技术方法。
于德介，程军圣将EMD (Empirical Mode Dicomposition）方法应用于机械故障诊断中，提出了一个新的齿轮故障诊断方法。EMD方法基于信号的局部特征时间尺度，能把复杂的信号分解为有限的内在模态函数（Intrinsic Mode Function）之和，这种自适应的分解方法非常适于非线性和非平稳过程的分析。用该方法对齿轮故障振动信号进行了分析，结果表明该方法能够有效地降低噪声，提高信噪比，突出齿轮故障振动信号的故障特征，从而提高齿轮故障诊断的准确性。
从目前统计资料来看，还没有双环减速器故障诊断方面的研究资料。

1.3 本文所作的主要工作
综合上述文献综述，在齿轮传动系统中，一般齿轮传动、行星传动的研究远远多于双环板式少齿差传动，特别是对于双环减速器的故障诊断方面的研究目前还没有研究资料。本文以一种新型的双环减速器为研究对象，对双环减速器的设计、运动分析及故障诊断方法进行了研究。以便对双环减速器存在的问题（如动力不平衡、振动大、发热、噪声大等），找出解决问题的有较方法或提出有效的理论根据。本文的研究内容主要包括以下工作：
（1）在阐述双环减速器工作原理的基础上，分析原有的单环、双环、三环及四环减速器（专利号：ZL89213292.2、ZL91230087.6、CN85106692.5、ZL93239404.3 )的结构特点及运动特性，针对它们的不足，设计、研制一种新型的双环减速器，并制造实验样机，申请并获得国家实用新型专利（专利号：ZL 01 2 06843.8）。

（2）考虑部分制造误差及安装的影响，对环板内齿的啮合传动，分析各种误差对其运动的影响，建立考虑误差的环板内齿接触有限元模型，针对不同的工况，进行有限元接触分析计算，讨论各种误差及载荷的变化对齿轮接触齿对及载荷分配情况的影响，分析因载荷不均造成减速器振动的影响因素。
（3）建立双环减速器主要零部件及减速器系统的有限元模型，对齿轮系统主要零件及减速器系统进行理论模态分析，计算双环减速器主要零部件及减速器系统的前十阶模态及振型，为进行振动故障分析提供数据。
（4）进行故障智能诊断系统的整体集成，独立开发智能诊断推理机平台与数据采集系统之间的接口程序（动态数据连接库DLL)，完成故障特征信号的提取与转换，实现故障信号的网络远程传送。建立网络化、智能化旋转机械故障诊断系统。

（5）分析双环减速器的振动特性，讨论双环减速器产生故障的主要原因及故障主要类型，分析双环减速器的故障特征、故障模式，用图形化的故障智能诊断平台，建立双环减速器的故障诊断专家知识库。
（6）对实验样机进行不同工况下的结构噪声和空气噪声动态测试，同时进行该实验样机的故障振动测试，采集减速器的振动信号，并对故障信号进行分析。用“网络化、智能化大型旋转机械在线诊断系统”对样机进行偏心轴弯曲及环板齿形误差故障的在线诊断测试，验证双环减速器故障推理专家知识的正确性。

本文在以下几个方面取得了创新性成果：
1）设计、研制了新型结构的双环减速器，该新结构形式获国家实用新型专利（专利号为：ZL01 2 47113.5)；
2）在进行故障智能诊断系统的整体集成的基础上，独立开发了智能诊断推理机与数据引擎之间的接口程序（动态数据连接库DLL)，完成了故障特征信号的提取与转换，实现了故障信号的网络远程传送。建立了网络化、智能化旋转机械故障诊断系统；
3）首次在分析一般减速器故障特征的基础上，分析了双环减速器的故障特点及故障特征形式，进行了双环减速器结构噪声和空气噪声测试分析；
4）首次用图形化的故障智能诊断平台，进行了双环减速器网络化、智能化在线故障诊断。

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