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变工况下两级行星传动系统振动特性及故障诊断方法研究

张勇强  
【摘要】:行星传动系统由于其传动比大、结构紧凑、传动效率高等特点被广泛应用于航空航天、风力发电、煤矿设备等诸多领域,并且由于其复杂的工作环境,往往处于变转速、变负载的工况下,导致行星齿轮故障时有发生,严重影响生产效率。因此,本文通过建立两级行星传动系统的动力学模型,揭示行星传动系统在不同工况下的正常与故障状态的振动特性,从而提出变转速工况下的调制信号故障诊断方法,对两级行星传动系统的故障准确诊断具有良好的借鉴意义。根据两级行星传动系统的特点,利用SOLIDWORKS建立了二级太阳轮不同裂纹、断齿故障下的两级行星传动系统模型,并对影响系统振动响应特性的一级行星架和二级太阳轮进行了柔性化处理,通过仿真分析验证了刚柔耦合模型的正确性。通过动力学仿真分析,揭示了不同裂纹、断齿故障振动信号的时、频域幅值与特征频率变化规律,以及边频带变化规律。研究了不同负载对裂纹故障振动特性的影响和变转速工况对不同裂纹故障振动特性的影响,并通过实验验证了上述振动特性变化规律。通过动力学仿真分析和实验验证,揭示了恒定工况下不同裂纹、断齿故障振动信号的时、频域指标值变化规律,变负载工况下振动信号的时、频域指标值变化规律和变转速工况下裂纹故障振动信号的时域指标值变化规律,结果表明:在恒定工况和变负载工况下,可以运用振动信号时、频域中的波形指标和裕度指标进行故障诊断;在变转速工况下,存在频率混叠现象,导致频谱分析无法实现故障诊断。针对变转速工况下的行星传动系统故障诊断问题,提出了一种基于包络阶次谱分析的故障诊断方法。该方法首先对行星齿传动系统振动非平稳时域信号进行Hilbert包络分析,然后将非平稳时域包络信号转为等角度的角域信号,最后对等角度角域信号进行傅里叶变换得到信号的包络阶次谱。为了验证本文提出方法的有效性,通过仿真分析和DDS平台进行了验证,结果表明:包络阶次谱分析方法可以有效提取变转速工况下调制信号的特征阶次,能够实现变转速工况下的行星齿轮系统故障准确诊断。


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