李 崢，秦朝燁，王天楊，褚福磊

（清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084）

風(fēng)力發(fā)電是國家能源安全的重要保證，對發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排具有重要意義。近年我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，但在役風(fēng)電裝備故障率高。降低故障率，實(shí)現(xiàn)裝備可靠運(yùn)行已成為當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。行星齒輪箱在機(jī)組中故障率居高不下，尤其是齒輪箱內(nèi)部的高速齒輪在變工況、變載荷的情況下運(yùn)行容易發(fā)生故障導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，如何對其高速齒輪系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是一項(xiàng)意義重大又極具挑戰(zhàn)性的研究。在工程中，由于各種復(fù)雜工況的干擾，風(fēng)電齒輪箱的故障診斷尤為困難[1-3]。因此，研究風(fēng)電齒輪箱初期故障診斷既是工程應(yīng)用的迫切需求，也符合當(dāng)前故障診斷學(xué)科發(fā)展的趨勢。同時(shí)相關(guān)設(shè)備的研制與應(yīng)用，可以為清華大學(xué)研究生課程機(jī)械振動(dòng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)提供很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在此背景下，本文搭建了一種小型風(fēng)電直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，為開展旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的故障動(dòng)力學(xué)機(jī)理與診斷技術(shù)研究奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)[4-6]。

1 試驗(yàn)臺(tái)簡介

直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)框架如圖1 所示，主要由4部分組成：動(dòng)力系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)采集及處理系統(tǒng)。圖2 和3 分別為直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)原理圖和實(shí)物。

圖1 直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)框架

圖3 直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

2 試驗(yàn)臺(tái)各種參數(shù)

直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)和控制器組成，通過控制器調(diào)節(jié)輸入電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而模擬設(shè)備轉(zhuǎn)速改變。電機(jī)型號(hào)為110ST-M05030，主要性能參數(shù)為：額定功率1.5 kW，額定電壓220 V，額定電流6 A，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，額定扭矩5 Nm，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min?？刂破麟妷嚎烧{(diào)范圍為0～30 V，調(diào)節(jié)精度為0.01 V。負(fù)載系統(tǒng)是通過磁粉制動(dòng)控制器調(diào)節(jié)電流對磁粉制動(dòng)器進(jìn)行控制，對直齒齒輪設(shè)備施加不同的負(fù)載，從而模擬設(shè)備工況。磁粉制動(dòng)器型號(hào)為CZ-2，主要性能參數(shù)為：電流范圍0～3 A，額定轉(zhuǎn)矩0～20 N?m，滑差功率0.8 kW，冷卻方式為水冷。

本教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)核心部分采用單級(jí)漸開線直齒齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，基本參數(shù)為：系統(tǒng)傳動(dòng)比2.5，箱體總長355mm，箱體總寬310mm，齒輪副中心距及其公差值（100±0.027）mm。

3 故障類型及模擬

為了驗(yàn)證直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的可靠性，加工了不同直齒來模擬各種故障，其參數(shù)如表1 所示。

表1 直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)輸入軸、輸出軸齒輪故障

輸入軸、輸出軸齒輪故障如圖4 所示。

圖4 輸入軸、輸出軸齒輪故障圖

4 小型直齒系統(tǒng)特征頻率分析

Nj為齒輪j（ j= 1,2,3,4）的齒數(shù)。 fj為齒輪j的旋轉(zhuǎn)頻率， f1是整個(gè)齒輪傳動(dòng)的輸入頻率，通常為已知量。ki 為嚙合副k（k =1,2）的傳動(dòng)比，定義為一對嚙合齒輪副中主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)頻率之比，也等于從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪齒數(shù)之比，fmk為嚙合副k 的嚙合頻率。

直齒齒輪教學(xué)系統(tǒng)特征頻率如下[7-10]：

5 試驗(yàn)研究

采集設(shè)備為米勒貝母公司的噪聲振動(dòng)測試分析系統(tǒng)——BBM 采集系統(tǒng)，見圖5；傳感器為DYTRAN振動(dòng)加速度傳感器，型號(hào)為3056B，靈敏度為10 mV/g，見圖6。

圖5 BBM 采集系統(tǒng)

圖6 加速度傳感器

根據(jù)教學(xué)設(shè)備參數(shù)特點(diǎn)，采樣頻率設(shè)定為8 192 Hz，為了充分采集到可靠有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速度傳感器盡量布置在離被測點(diǎn)較近的位置（見圖7），設(shè)定系統(tǒng)采集時(shí)間為60 s。M1 和M2 是采集系統(tǒng)數(shù)采端口，每個(gè)端口對應(yīng)四路加速度傳感器。表2 為采集系統(tǒng)數(shù)采端口及傳感器對應(yīng)的端口編號(hào)和位置。

圖7 測點(diǎn)布置圖

表2 采集系統(tǒng)數(shù)采端口及傳感器對應(yīng)的端口編號(hào)和位置

6 信號(hào)分析與處理

采用表1 中故障3 與無故障齒輪信號(hào)對比，針對采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，驗(yàn)證設(shè)備的可靠性。

數(shù)據(jù)首先選取輸出軸轉(zhuǎn)頻為15 Hz 下斷齒和無故障加速度信號(hào)進(jìn)行分析處理，如圖8 所示。

圖8 15 Hz 下輸出軸齒輪加速度信號(hào)分析

從圖8 可以看出，F(xiàn)ourier 頻譜中嚙合頻率幅值很高，并且在齒輪嚙合頻率 fm附近出現(xiàn)以故障特征頻率fg調(diào)制的邊帶及其諧波；在細(xì)化譜中，由于對其進(jìn)行了細(xì)分頻率處理，得到加工后的直齒故障嚙合頻率的幅值非常高，而且還在嚙合頻率附近出現(xiàn)了更加明顯的邊頻幅值；在包絡(luò)譜中，設(shè)計(jì)加工后的齒輪故障特征頻率要比正常齒輪嚙合頻率高出很多。

同理對輸入軸轉(zhuǎn)頻為15 Hz 下的斷齒和無故障信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖9 所示。

由圖9 可以看出，F(xiàn)ourier 頻譜以及細(xì)化譜中嚙合頻率幅值很高，出現(xiàn)了很高的故障特征頻率 fg的邊帶及其諧波，其結(jié)論與輸入軸轉(zhuǎn)頻為15 Hz 下的頻率分析一致；同理在包絡(luò)譜中，能明顯看到輸入軸的轉(zhuǎn)頻finput及齒輪各階次故障特征頻率。因此，直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)能很好地模擬齒輪的各種故障特征頻率，從而用于研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研。

圖9 15 Hz 下輸入軸齒輪加速度信號(hào)分析

7 結(jié)語

本文研制了直齒齒輪教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，用于學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證課堂上的理論知識(shí)，使理論與實(shí)際相結(jié)合，從而提高科研能力。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了該設(shè)備能很好在研究生教學(xué)中發(fā)揮作用，有助于開展齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與故障診斷方法研究相關(guān)工作。