丁 闖， 張兵志， 馮輔周 ， 陳向前

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 北京特種車(chē)輛研究所， 北京 100072)

行星變速箱故障模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及故障特征提取

丁 闖1， 張兵志2， 馮輔周1， 陳向前1

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 北京特種車(chē)輛研究所， 北京 100072)

針對(duì)復(fù)雜行星齒輪變速箱故障診斷問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種某型裝甲車(chē)輛行星變速箱故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，并選擇不同狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了故障特征提取。首先，簡(jiǎn)要介紹了PGB-A行星變速箱的結(jié)構(gòu)和工作原理；其次，設(shè)計(jì)了該行星變速箱的故障模擬試驗(yàn)臺(tái)和增速箱，設(shè)置了機(jī)械和液壓故障并布置了測(cè)試傳感器；最后，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)該行星變速箱的各狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行了采集，并應(yīng)用排列熵算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了故障特征提取。結(jié)果表明：該故障模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠完成多種故障狀態(tài)的試驗(yàn)，為復(fù)雜行星變速箱的故障診斷提供了數(shù)據(jù)支撐，且所提故障特征提取方法能夠很好地檢測(cè)故障。

行星變速箱； 故障模擬試驗(yàn)臺(tái)； 數(shù)據(jù)采集； 特征提取

行星傳動(dòng)具有重量輕、體積小、傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)和傳動(dòng)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機(jī)、艦船、裝甲車(chē)輛、自行火炮及風(fēng)力發(fā)電和工程機(jī)械等軍用裝備和民用裝備中[1-2]。某型裝甲車(chē)輛變速箱采用的2自由度行星變速箱(PGB-A)為多擋位行星變速箱，同時(shí)具有機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于需要承受重載負(fù)荷及應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)行工況，變速箱各行星排中的太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈和液壓控制的離合器和制動(dòng)器等關(guān)鍵部件容易出現(xiàn)故障[3-4]。若故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，將嚴(yán)重影響裝備的機(jī)動(dòng)性能，導(dǎo)致其戰(zhàn)斗力下降，此外，還將造成變速箱的二次損傷，使維修費(fèi)用大幅提高[5]，因此研究行星變速箱的故障診斷具有重要意義。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)行星齒輪箱進(jìn)行了大量的研究，但主要以單級(jí)和僅有一個(gè)傳動(dòng)比的兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)為主，對(duì)具有多個(gè)自由度、多個(gè)傳動(dòng)比的行星變速箱研究較少[6-7]。為解決上述問(wèn)題，需要采集多個(gè)運(yùn)行參數(shù)，但直接從實(shí)車(chē)上采集參數(shù)難度較大，且經(jīng)濟(jì)成本較高，安全沒(méi)有保證，因此需要設(shè)計(jì)一套安全、經(jīng)濟(jì)且能全面地模擬行星變速箱機(jī)械和液壓故障的試驗(yàn)臺(tái)。

基于此，筆者在分析PGB-A行星變速箱的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)此行星變速箱的故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，然后設(shè)置其齒輪故障和液壓故障，并使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障特征提取，以實(shí)現(xiàn)此行星變速箱的異常檢測(cè)。

1 行星變速箱工作原理

PGB-A行星變速箱由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)2部分組成，齒輪傳動(dòng)依靠3個(gè)行星排、2個(gè)離合器和3個(gè)制動(dòng)器完成，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制液壓缸來(lái)完成離合器和制動(dòng)器的結(jié)合和分離，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力沿不同路徑傳遞，致使嚙合齒輪發(fā)生改變，從而改變傳動(dòng)比。圖1為行星變速箱在1擋時(shí)的工作原理，其涉及K1和K2行星排。由圖1可知：動(dòng)力由輸入齒輪輸入，并由與輸出軸相連的行星架H1輸出；當(dāng)行星變速箱處于1擋時(shí)，由于離合器Φ3和制動(dòng)器Φ4的結(jié)合，齒圈3和太陽(yáng)輪4合為一個(gè)整體，并同時(shí)與行星變速箱殼體固定。K1和K2行星排的齒輪齒數(shù)如表1所示。

圖1 行星變速箱1擋時(shí)工作原理

表1 K1和K2行星排的齒輪齒數(shù)

設(shè)輸入軸(即太陽(yáng)輪1)的轉(zhuǎn)速為

ni=n1，

(1)

由于齒圈3和太陽(yáng)輪4固定，行星架H2(即齒圈6)和行星架H1(即輸出軸)的轉(zhuǎn)速分別為

(2)

(3)

聯(lián)立式(1)-(3)可得1擋傳動(dòng)比為

(4)

同理，可求出各擋位的傳動(dòng)比如表2所示。

表2 PGB-A行星變速箱各擋位的傳動(dòng)比

2 故障模擬試驗(yàn)臺(tái)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)行星變速箱的工作原理，設(shè)計(jì)了行星變速箱故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，其工作原理如圖2所示。其中：動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)；采用90°換向傳動(dòng)箱，以避免驅(qū)動(dòng)電機(jī)和同側(cè)的加載測(cè)功機(jī)出現(xiàn)位置干涉；采用兩側(cè)風(fēng)冷式測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，模擬車(chē)輛行駛過(guò)程中的阻力；2個(gè)增速箱用于調(diào)節(jié)行星變速箱和負(fù)載測(cè)功機(jī)間的特性，增加加載扭矩，提高加載功率；使用離合器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下?lián)Q擋；液壓站主要完成行星變速箱的潤(rùn)滑和分配機(jī)構(gòu)的供油和放油，從而實(shí)現(xiàn)換擋[8]。

圖2 行星變速箱故障模擬試驗(yàn)臺(tái)工作原理

由于行星變速箱在運(yùn)行過(guò)程中其主泵和回油泵存在能量消耗，加之運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中各處摩擦及安裝誤差，使得變速箱在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要額外消耗能量為PS=20kW。電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為n=1 500r/min，當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以恒扭矩700.3N·m輸出，當(dāng)大于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)以恒功率P=110kW輸出。因此,選擇電動(dòng)機(jī)額定功率為P=110kW。

測(cè)功機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為750r/min，在小于額定轉(zhuǎn)速加載時(shí)以恒扭矩700.3N·m加載，在大于額定轉(zhuǎn)速加載時(shí)以恒功率55kW加載。因此，為保證存在加載余量，選擇測(cè)功機(jī)的額定功率為55kW。

2.2 增速箱的選擇

若不采用增速箱，而直接使用測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，行星變速箱處于1擋時(shí)，其傳動(dòng)比i1=6.525。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ni=1 500r/min平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)行星變速箱輸出轉(zhuǎn)速為

(5)

行星變速箱最大輸出扭矩為

(6)

根據(jù)測(cè)功機(jī)的特性，此轉(zhuǎn)速下測(cè)功機(jī)的最大加載扭矩為

TL1_max=700.3(N·m)。

(7)

同理，在各擋位時(shí)行星變速箱最大輸出轉(zhuǎn)速no_max與最大輸出扭矩To_max和測(cè)功機(jī)的最大加載扭矩TL_max如表3所示。

表3 行星變速箱no_max與To_max和測(cè)功機(jī)TL_max

由表3可知：當(dāng)行星變速箱為1-3擋時(shí)，測(cè)功機(jī)的最大加載扭矩小于行星變速箱的最大輸出扭矩，加載扭矩過(guò)小；當(dāng)行星變速箱為4-5擋時(shí)，測(cè)功機(jī)的最大加載扭矩大于行星變速箱的最大輸出扭矩，測(cè)功機(jī)能夠滿足加載需求。為了增加低轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)功機(jī)的加載扭矩，設(shè)計(jì)增速箱調(diào)整其加載特性，根據(jù)行星變速箱1擋時(shí)的輸出扭矩和加載扭矩的大小，設(shè)計(jì)增速箱2個(gè)傳動(dòng)比，分別為1∶3和1∶1。增加增速箱后測(cè)功機(jī)的加載扭矩如表4所示。

表4 增加增速箱后測(cè)功機(jī)的加載扭矩

由表4可知：在設(shè)計(jì)增速箱后，行星變速箱在任何擋位時(shí)的測(cè)功機(jī)加載扭矩均大于其輸出扭矩，滿足了加載需求。

3 故障設(shè)置

PGB-A行星變速箱由機(jī)械部分和液壓系統(tǒng)組成。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，常常出現(xiàn)齒輪故障和液壓缸密封墊故障，而任何一部分的零部件出現(xiàn)故障都將可能影響整個(gè)行星變速箱的運(yùn)行，因此研究行星變速箱的機(jī)械和液壓故障響應(yīng)規(guī)律意義重大。

3.1 齒輪故障設(shè)置

齒輪故障可分為輪體故障和輪齒故障2大類，由于實(shí)際中輪體故障很少發(fā)生，因此齒輪故障通常指輪齒故障。其中，點(diǎn)蝕、裂紋、磨損和斷齒是輪齒故障的常見(jiàn)類型[9]，齒輪典型故障形式如圖3所示。

圖3 齒輪典型故障形式

本試驗(yàn)裝置分別設(shè)計(jì)行星變速箱中3個(gè)行星排的太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈等9個(gè)部件，每個(gè)部件設(shè)置4種形式的故障，共36種故障形式，此外增加1種正常狀態(tài)，共設(shè)計(jì)37種機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)。本文以K2行星排正常、太陽(yáng)輪裂紋和行星輪裂紋3種狀態(tài)為例進(jìn)行特征提取。

3.2 液壓故障設(shè)置

液壓系統(tǒng)通過(guò)控制行星變速箱各行星排的嚙合情況，改變變速箱的傳動(dòng)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行星變速箱換擋，因此液壓系統(tǒng)的故障將影響整個(gè)行星變速箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，由于換擋頻繁，液壓缸的密封墊容易損壞，造成各液壓缸的泄漏，進(jìn)而使液壓缸推力不足，離合器和制動(dòng)器結(jié)合力變小。當(dāng)行星變速箱大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，離合器和制動(dòng)器的結(jié)合力不足，致使摩擦片之間產(chǎn)生滑動(dòng)，摩擦片溫度迅速提高，引起嚴(yán)重磨損甚至燒結(jié)，致使內(nèi)外摩擦片不能正常分離，最終導(dǎo)致變速箱工作時(shí)擋位混亂，動(dòng)力不能正常輸出，并使與其相配合及關(guān)聯(lián)的零件有很大程度的損壞。

本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置密封墊存在疲勞裂紋故障，通過(guò)檢測(cè)液壓系統(tǒng)各通道的液壓變化，尋求故障與液壓之間的關(guān)系。

4 數(shù)據(jù)采集

對(duì)行星變速箱進(jìn)行故障診斷時(shí)，應(yīng)選取最能反映變速箱狀態(tài)特征的信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)可準(zhǔn)確反映行星變速箱的機(jī)械運(yùn)行狀況，且振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)也較為成熟，已在機(jī)械設(shè)備故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，行星變速箱轉(zhuǎn)速影響各嚙合頻率和特征頻率，測(cè)功機(jī)傳遞的扭矩又影響振動(dòng)信號(hào)的幅值及狀態(tài)特征。因此，對(duì)于機(jī)械故障，本試驗(yàn)主要測(cè)試振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)速和扭矩3種信號(hào)。

轉(zhuǎn)速和扭矩通過(guò)轉(zhuǎn)速扭矩儀測(cè)試，安裝位置為行星變速箱的1個(gè)輸入端和2個(gè)輸出端。振動(dòng)加速度傳感器的安裝位置示意圖如圖4所示，其中：在制動(dòng)器Φ1、Φ5、Φ4的位置及輸出軸兩端軸承支撐處各安裝1個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器，編號(hào)分別為A1-A5。其中：徑向方向?yàn)閄方向；軸向方向?yàn)閅方向；垂直方向?yàn)閆方向。

圖4 振動(dòng)加速度傳感器的安裝位置示意圖

壓力信號(hào)能夠準(zhǔn)確反映行星變速箱的液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀況，因此對(duì)變速箱的液壓系統(tǒng)壓力和各液壓缸壓力信號(hào)進(jìn)行采集，主要在液壓油主泵出口和分配機(jī)構(gòu)的5個(gè)測(cè)壓孔安裝液壓傳感器。

使用NI采集卡對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行采集，設(shè)置采樣頻率為5 120Hz，采集行星變速箱不同健康狀況、擋位、轉(zhuǎn)速及扭矩下的數(shù)據(jù)樣本，以期為行星變速箱的故障特征提取及故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5 故障特征提取

5.1 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)

故障特征的提取對(duì)后期的故障診斷及模式識(shí)別至關(guān)重要。采集1擋時(shí)K2行星排正常、太陽(yáng)輪1裂紋和行星輪2裂紋3種狀態(tài)的數(shù)據(jù)，故障源位置如圖4中的標(biāo)示。由于振動(dòng)加速度傳感器A3的位置距離故障源最近，更能反映此處故障特征，因此選擇A3的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其他參數(shù)為：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500r/min，測(cè)功機(jī)加載扭矩1 800N·m，采樣頻率5 120Hz，采樣時(shí)間1s。正常信號(hào)、太陽(yáng)輪1裂紋及行星輪2裂紋故障時(shí)域和頻域波形分別如圖5-7所示。

由圖5-7的時(shí)域波形可得：在太陽(yáng)輪1和行星輪2出現(xiàn)裂紋故障后，振幅有所增大并含有沖擊，不能診斷出是否異常。由圖5-7的頻域波形可得：信號(hào)中含有明顯的噪聲成分，出現(xiàn)了“頻率模糊”現(xiàn)象，邊頻帶集中在嚙合頻率和二倍頻附近，有不對(duì)稱分布，且在嚙合頻率和倍頻附近，頻率較復(fù)雜，并不能診斷其是否異常。密封墊疲勞裂紋故障的判定原理較為簡(jiǎn)單，當(dāng)壓力低于正常值時(shí)，說(shuō)明密封墊出現(xiàn)了故障。

圖5 正常狀態(tài)下時(shí)域和頻域波形

圖6 太陽(yáng)輪1裂紋時(shí)域和頻域波形

圖7 行星輪2裂紋時(shí)域和頻域波形

5.2 排列熵計(jì)算

排列熵是用于衡量一維時(shí)間序列復(fù)雜度的平均熵參數(shù)，其對(duì)信號(hào)變化具有很高的敏感性，能夠有效放大系統(tǒng)的微變信號(hào)，同時(shí)可很好地檢測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)突變[10-11]，其具有計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、抗噪聲能力強(qiáng)等特點(diǎn)[12]。因此，使用該方法處理行星變速箱產(chǎn)生的非線性、非平穩(wěn)性振動(dòng)信號(hào)具有較好的檢測(cè)效果。

排列熵算法的計(jì)算步驟為：首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)數(shù)列進(jìn)行相空間重構(gòu)，然后對(duì)重構(gòu)分量按升序排列，計(jì)算每一種排序出現(xiàn)的概率，從而計(jì)算其排列熵。排列熵的具體計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[13]，排列熵的定義為

(8)

式中：pi為第i種排序出現(xiàn)的概率，其中i=1,2,…,k。Hp值反映了時(shí)間序列的不確定程度:Hp的值越小，說(shuō)明時(shí)間序列越確定;反之，時(shí)間序列的不確定性越大。Hp的變化反映了時(shí)間序列的微小細(xì)節(jié)變化。

使用排列熵算法分別計(jì)算正常、太陽(yáng)輪1裂紋和行星輪2裂紋3種狀態(tài)下各100個(gè)數(shù)據(jù)樣本的排列熵值，如圖8所示，每個(gè)樣本序列長(zhǎng)度L=5120。由圖8可知：太陽(yáng)輪1裂紋和行星輪2裂紋故障信號(hào)的排列熵小于正常信號(hào)的排列熵。其原因是：當(dāng)齒輪正常工作時(shí)，各齒輪嚙合產(chǎn)生的沖擊信號(hào)的差別是隨機(jī)的，主要由齒面加工誤差產(chǎn)生的表面不平度、波動(dòng)度和齒形誤差造成，故而能量分布的隨機(jī)性強(qiáng)，不確定程度大，排列熵值大；當(dāng)太陽(yáng)輪1齒輪某個(gè)輪齒出現(xiàn)裂紋時(shí)，此輪齒剛度降低，齒輪在此輪齒嚙合時(shí)將產(chǎn)生比其他輪齒更大的沖擊，且此嚙合信號(hào)產(chǎn)生的沖擊更具有確定性，所以排列熵值小。因此，排列熵可作為診斷行星齒輪箱運(yùn)行時(shí)齒輪是否異常的特征，為以后的故障診斷和模式識(shí)別提供基礎(chǔ)。

圖8 各樣本的排列熵值

[1] 馮輔周，安鋼，劉建敏．軍用車(chē)輛故障診斷學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：477-484.

[2] 雷亞國(guó),何正嘉,林京,等.行星齒輪箱故障診斷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011,47(19):59-67.

[3] 張進(jìn),趙春華,鐘先友,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)裝置研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(8):120-123.

[4] 程哲．直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)行星齒輪系損傷建模與故障預(yù)測(cè)理論及方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[5] 馮占輝,胡蔦慶,秦國(guó)軍.基于Pro/Engineer的直升機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(7):65-67.

[6]Ambarisha V K,Parker R G.Suppression of Planet Mode Response in Planetary Gear Dynamics Through Mesh Phasing[J].Journal of Vibration and Acoustics,2006,128(2):133-142.

[7] 蔡仲昌,劉輝,項(xiàng)昌樂(lè),等.車(chē)輛多級(jí)行星傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與動(dòng)載特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,42(1):19-26.

[8] 郭華,羅建,宮秀芳,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪故障診斷仿真與模擬試驗(yàn)[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2015,35(2):263-268.

[9] 劉志亮.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的行星齒輪箱故障診斷方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2013.

[10]Bandt C,Pompe B.Permutation Entropy:A Natural Complexity Measure for Time Series[J].Phys Rev Lett,2002,88(17):1-4.

[11]Cao Y,Tung W,Gao J B,et al.Detecting Dynamical Changes in Time Series Using the Permutation Entropy[J].Phys Rev E,2004,4(7):1-7.

[12] 劉永斌,龍潛,馮志華，等.一種非平穩(wěn)、非線性振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)方法的研究[J].振動(dòng)與沖擊，2007，26(12)：131-134.

[13] 馮輔周,饒國(guó)強(qiáng),司愛(ài)威,等.排列熵算法研究及其在振動(dòng)信號(hào)突變檢測(cè)中的應(yīng)用[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2012，25(2)：221-224.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Design of Fault Simulation Experimental Platform for Planetary Gearbox and Fault Feature Extraction

DING Chuang1, ZHANG Bing-zhi2, FENG Fu-zhou1, CHEN Xiang-qian1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 2. Beijing Special Vehicle Institute,Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of fault diagnosis of complex planetary gearbox, fault simulation experimental platform for planetary gearbox of some type of armored vehicles is designed and vibration signs feature in different conditions are extracted. Firstly, the structure and the operating principle of the planetary gearbox are introduced. Secondly, the fault simulation experimental platform and the step-up box for the transmission are designed, mechanical and hydraulic faults are set, sensors are deployed, and working signs in different conditions of planetary gearbox are monitored by data acquisition system, which provides the basis for fault diagnosis of planetary gearbox. Finally, permutation entropy of vibration signs collected is computed as fault feature extracted. The results indicate that many conditions test are to be completed by the fault simulation experimental platform for planetary gearbox, and data is acquired for fault diagnosis, and fault feature extraction method proposed is effective for fault diagnosis of planetary gearbox

planetary gearbox; fault simulation experimental platform; data acquisition; feature extraction

2016-07-13

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

丁 闖(1989-)，男，博士研究生。

TH132.425; TP206+.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.009

1672-1497(2016)06-0045-05