行星變速箱故障模擬試驗(yàn)工況參數(shù)確定

馮輔周，吳守軍，楊大為

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072；2.68302 部隊(duì)，四川德陽 618408）

0 引言

行星變速箱具有體積小、傳遞扭矩大、傳動(dòng)比豐富等特點(diǎn)[1]，在大型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。然而，由于傳動(dòng)系統(tǒng)工作載荷動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致其齒輪等關(guān)鍵零件經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、斷齒等故障，造成嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[3]。為了及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障并排除，需要研究故障診斷、預(yù)測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)先發(fā)現(xiàn)和處理。故障診斷技術(shù)和方法的研究往往需要借助故障模擬試驗(yàn)臺(tái)采集的振動(dòng)信號(hào)來進(jìn)行。而故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)組成復(fù)雜、搭建周期長(zhǎng)、成本高、操作難度大[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出大量仿真軟件，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文利用三維建模軟件ProE 建立了行星變速箱的三維模型，利用ANSYS 建立了行星變速箱箱體的有限元模型，將上述兩者模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 中建立了齒輪-箱體剛?cè)狁詈夏Ｐ?，利用剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娣治鲂行亲兯傧涞倪\(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和響應(yīng)特點(diǎn)[5]，初步獲取了故障模擬實(shí)物試驗(yàn)所需的參數(shù)，為實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)的搭建提供指導(dǎo)。

1 行星變速箱動(dòng)力學(xué)建模

1.1 行星變速箱結(jié)構(gòu)

某型裝甲車輛行星變速箱是底盤傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件，它通過改變傳動(dòng)比，可以在較大的范圍內(nèi)改變車輛的牽引力和速度。該行星變速箱通過主離合器和傳動(dòng)箱與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，通過左右聯(lián)軸器與左右行星轉(zhuǎn)向器連接。

1.2 動(dòng)力學(xué)建模

依據(jù)行星變速箱構(gòu)造和傳動(dòng)原理，并對(duì)變速箱模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，使用ProE 軟件建立行星變速箱的三維模型，如圖1 所示。

圖1 三維模型

齒輪嚙合變形對(duì)變速箱動(dòng)力學(xué)特性影響較小，在對(duì)計(jì)算結(jié)果要求不高的情況下可以視為剛性體[6]，而變速箱箱體是一個(gè)小阻尼多自由度的連續(xù)彈性體，受力后會(huì)產(chǎn)生變形，箱體任意兩點(diǎn)的距離發(fā)生改變，不能將箱體視為剛性體，必須考慮對(duì)箱體進(jìn)行柔性化而建立柔性體模型[7]。ADMAS 軟件本身有限元分析能力較弱，對(duì)變速箱箱體這種復(fù)雜構(gòu)件不能直接柔性化，需要借助有限元軟件進(jìn)行分析[8]。使用ANSYS 軟件將箱體離散為細(xì)小的網(wǎng)格[9]，采用截?cái)郘anczos 法計(jì)算箱體模態(tài)并輸出模態(tài)中性文件（Modal Neutral File，MNF），將模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS 軟件中，使箱體剛體模型柔性化[10]，從而建立箱體柔性體模型如圖2 所示。

圖2 箱體柔性體模型

剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型由傳動(dòng)部分多剛體模型和箱體柔性體模型兩個(gè)部分構(gòu)成，兩部分通過軸承耦合。軸承實(shí)體模型復(fù)雜，仿真分析計(jì)算量巨大，為便于動(dòng)力學(xué)建模，常采用軸套力模擬軸承[11]。軸套力相當(dāng)于一個(gè)六分量彈簧結(jié)構(gòu)，通過定義6 個(gè)方向的剛度值和阻尼值來模擬軸承剛度和阻尼的影響。通過軸套力將傳動(dòng)部分和箱體耦合，建立的齒輪—箱體剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D3 所示。

圖3 齒輪—箱體剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 仿真分析

2.1 擋位確定

行星變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同擋位時(shí)工作的行星排不一樣，確定行星變速箱擋位對(duì)故障診斷十分重要。某個(gè)擋位下，若故障齒輪所在的行星排不工作，如輪系整體回轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)，此時(shí)故障齒輪不承受載荷，則無法提取故障特征。若同時(shí)工作的行星排過多，振動(dòng)信號(hào)相互耦合，將增加故障特征提取難度。因此，針對(duì)不同齒輪的故障，需要考慮故障模擬試驗(yàn)的擋位設(shè)置。各擋位的行星排工作情況見表1。

以K3 行星排齒輪故障為例進(jìn)行分析，在空擋時(shí)K3 行星排不動(dòng)，在Ⅴ擋時(shí)，K3 行星排整體回轉(zhuǎn)，這兩個(gè)擋位K3行星排齒輪不嚙合，不產(chǎn)生故障信號(hào)。在其他5 個(gè)擋位時(shí)，K3 行星排齒輪均嚙合產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，但不同擋位振動(dòng)信號(hào)成分不同，信號(hào)處理難度也不同。在Ⅳ擋時(shí)，只有K3 行星排工作，K1 和K2 行星排均不承載，可以排除K1 和K2 行星排的干擾，降低振動(dòng)信號(hào)處理難度。其他4 個(gè)擋位時(shí)，工作的行星排較多，如Ⅲ擋時(shí)3 個(gè)行星排都承載工作，振動(dòng)信號(hào)成分非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理更為困難。故針對(duì)K3行星排齒輪故障時(shí)，應(yīng)選擇Ⅳ擋。

表1 各擋位行星排工作情況

2.2 轉(zhuǎn)速確定

在不同輸入轉(zhuǎn)速下，行星輪系振動(dòng)情況不相同，箱體表面振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。故障試驗(yàn)采用變頻電動(dòng)機(jī)模擬實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍在（0～1500）r/min。動(dòng)力學(xué)分析時(shí)設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速分別為：600 r/min、900 r/min、1200 r/min、1500 r/min，得到不同輸入轉(zhuǎn)速下箱體表面測(cè)點(diǎn)Marker_3 加速度信號(hào)。引入峰峰值、均方根值和幅值平均值衡量振動(dòng)信號(hào)能量和強(qiáng)度，時(shí)域指標(biāo)見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)速加速度信號(hào)時(shí)域指標(biāo)

分析可知，主動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)速越大，箱體表面測(cè)點(diǎn)Marker_3加速度信號(hào)峰峰值越大，均方根值越大，幅值平均值越大，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)越劇烈。因?yàn)樾行禽喯递斎朕D(zhuǎn)速越大，單位時(shí)間故障齒輪嚙合次數(shù)越多，因故障產(chǎn)生的沖擊次數(shù)越多，行星輪系振動(dòng)越劇烈，箱體振動(dòng)也更明顯。故主動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)速1500 r/min，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速為1500 r/min，傳感器采集振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)。

2.3 負(fù)載確定

在不同負(fù)載下，行星輪系振動(dòng)情況不相同，變速箱箱體表面振動(dòng)信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。故障試驗(yàn)采用加載發(fā)電機(jī)模擬實(shí)車左右主動(dòng)輪作為負(fù)載，加載發(fā)電機(jī)扭矩可調(diào)節(jié)范圍在（0～900）N·m。故設(shè)定動(dòng)力學(xué)模型中的輸出軸負(fù)載扭矩分別為0 N·m、300 N·m、600 N·m、900 N·m，得到不同負(fù)載下箱體表面測(cè)點(diǎn)Marker_3加速度信號(hào)，信號(hào)時(shí)域指標(biāo)見表3。

表3 不同負(fù)載加速度信號(hào)時(shí)域指標(biāo)

分析可知，輸出軸負(fù)載越大，箱體表面測(cè)點(diǎn)Marker_3 加速度信號(hào)峰峰值越大，均方根越大，幅值平均值越大，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)越劇烈。因?yàn)樾行禽喯地?fù)載越大，故障齒輪嚙合力越大，因故障產(chǎn)生的沖擊越大，齒輪軸振動(dòng)越劇烈，傳遞至箱體的振動(dòng)也更劇烈。故輸出軸負(fù)載扭矩為900 N·m，即加載發(fā)電機(jī)加載扭矩為900 N·m 時(shí)，傳感器采集振動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)。

2.4 測(cè)點(diǎn)確定

對(duì)于某型行星變速箱故障診斷系統(tǒng)，振動(dòng)傳感器采集變速箱振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過一系列信號(hào)處理后用于診斷決策。作為變速箱狀態(tài)信息的載體，合理的傳感器配置能全面真實(shí)有效反映變速箱運(yùn)行狀態(tài)信息，保證故障特征的成功提取。

傳感器測(cè)點(diǎn)優(yōu)化應(yīng)該從兩個(gè)方面考慮：一方面要考慮工程實(shí)際，傳感器測(cè)點(diǎn)應(yīng)該具有可操作性，振動(dòng)傳感器安裝時(shí)要求接觸面光潔平整，以保證傳感器采集到的振動(dòng)信號(hào)的可靠性，對(duì)于安裝條件受限的測(cè)點(diǎn)應(yīng)剔除，對(duì)于本文研究的變速箱，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝流程繁瑣，還應(yīng)該優(yōu)先考慮變速箱箱體表面測(cè)點(diǎn)，避免頻繁拆卸變速箱，便于安裝及拆卸傳感器，簡(jiǎn)化測(cè)試流程，降低診斷成本。另一方面要考慮傳感器測(cè)點(diǎn)的有效性，測(cè)點(diǎn)應(yīng)該對(duì)故障信息敏感，距離診斷部件盡可能近，可獲取更多故障信息。

綜合考慮變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和箱體表面?zhèn)鞲衅靼惭b條件，預(yù)先選定5 個(gè)測(cè)點(diǎn)如圖4 所示。其中，測(cè)點(diǎn)1 位于右側(cè)定軸輪系上方的箱體上，測(cè)點(diǎn)2 位于K2 排齒圈正上方的箱體上，測(cè)點(diǎn)3 位于K3 排齒圈正上方的箱體上，測(cè)點(diǎn)4 位于箱體左側(cè)端蓋上，測(cè)點(diǎn)5 在箱體底部正中央。測(cè)點(diǎn)1、2、3、5 測(cè)試方向均為豎直方向，測(cè)點(diǎn)4 測(cè)試方向?yàn)樽兯傧漭S向。

峭度指標(biāo)、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)對(duì)脈沖沖擊比較敏感，當(dāng)齒輪斷齒故障發(fā)生時(shí)，指標(biāo)值均有不同程度變化。如果齒輪發(fā)生故障，嚙合產(chǎn)生脈沖越多，沖擊幅值越大，即振動(dòng)信號(hào)越偏離正常狀態(tài)，指標(biāo)值一般會(huì)相應(yīng)增大。不同指標(biāo)敏感度和穩(wěn)定性不同，同時(shí)使用多種指標(biāo)以保證指標(biāo)性能，從而更好檢驗(yàn)傳感器測(cè)點(diǎn)的有效性。各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)域指標(biāo)值見表4。

圖4 傳感器測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表4 不同測(cè)點(diǎn)加速度信號(hào)時(shí)域指標(biāo)

由時(shí)域波形可知，測(cè)點(diǎn)3 振動(dòng)最劇烈，測(cè)點(diǎn)1、2 振動(dòng)較劇烈，測(cè)點(diǎn)4、5 振動(dòng)較弱。從各項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)來看，測(cè)點(diǎn)3 各項(xiàng)指標(biāo)值較大，表明測(cè)點(diǎn)3 振動(dòng)劇烈，信號(hào)沖擊成分明顯，包含故障信息多，對(duì)故障最為敏感。測(cè)點(diǎn)3 距輸出軸軸承座最近，采集到振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)。測(cè)點(diǎn)5 位于箱體底部，有較厚的加強(qiáng)筋隔振，采集到振動(dòng)信號(hào)較弱。由頻譜可知，測(cè)點(diǎn)3 頻譜出現(xiàn)了行星輪系嚙合頻率（529 Hz）及其倍頻（1058 Hz、1578 Hz），斷齒故障特征頻率（17 Hz）及其倍頻（34 Hz），定軸齒輪嚙合頻率（450 Hz）及其倍頻（900 Hz、1350 Hz），故障頻帶最易識(shí)別。測(cè)點(diǎn)1、2 行星輪系故障頻率也較為明顯，雖然測(cè)點(diǎn)1 振幅略大于測(cè)點(diǎn)2，但由于測(cè)點(diǎn)1 距主動(dòng)軸軸承最近，頻率成分中定軸齒輪嚙合頻率更明顯。測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5 頻譜主要成分為定軸輪系嚙合頻率，很難識(shí)別行星輪系故障頻率。綜上，振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)應(yīng)以測(cè)點(diǎn)3 為主，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 為輔，排除測(cè)點(diǎn)4 和測(cè)點(diǎn)5。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

根據(jù)仿真分析結(jié)果，搭建行星變速箱故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、液壓站、轉(zhuǎn)速扭矩儀、振動(dòng)傳感器等，如圖5 所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)箱和離合器傳遞動(dòng)力至變速箱，變速箱再將動(dòng)力經(jīng)增速箱傳遞至負(fù)載發(fā)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為變速箱的驅(qū)動(dòng)，可通過控制平臺(tái)在（0～1500）r/min 內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)為變速箱的負(fù)載，可通過控制平臺(tái)在（0～900）N·m 內(nèi)調(diào)節(jié)加載扭矩。液壓站通過輸油管道和回油管道為變速箱液壓換擋系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)提供油液。轉(zhuǎn)速扭矩儀測(cè)量輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，振動(dòng)傳感器測(cè)量箱體表面振動(dòng)加速度。

3.2 參數(shù)設(shè)置

圖5 故障模擬試驗(yàn)臺(tái)

依據(jù)行星變速箱和試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際情況，試驗(yàn)工況設(shè)定：驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為600 r/min、900 r/min、1200 r/min、1500 r/min；加載發(fā)電機(jī)加載扭矩分別為空載、900 N·m；行星變速箱擋位分別為Ⅰ擋、Ⅱ擋、Ⅲ擋、Ⅳ擋、Ⅴ擋。齒輪故障設(shè)置在K3行星排Z30 太陽輪某輪齒齒面上，切割部分輪齒以模擬斷齒故障，如圖6 所示。振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)選擇測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3，位置如圖7 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用的工況設(shè)置情況見表5。

圖6 Z30 太陽輪故障

圖7 振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)

3.3 試驗(yàn)信號(hào)分析

針對(duì)行星輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)情況，需要考慮行星輪回到初始位置的周期問題，即采集的信號(hào)應(yīng)該包括同一個(gè)行星輪回到初始位置的完整周期，這樣信號(hào)才能對(duì)應(yīng)著行星輪系運(yùn)行的相同過程，信號(hào)之間才有可比性。在行星變速箱擋位Ⅳ擋，輸入轉(zhuǎn)速為1500 r/min 時(shí)，計(jì)算得K3 行星排參數(shù)見表6。由表可知，行星輪自轉(zhuǎn)頻率為行星架轉(zhuǎn)頻的2 倍，說明行星架每轉(zhuǎn)一圈，行星輪自轉(zhuǎn)兩圈，與太陽輪嚙合15×2=30次，嚙合次數(shù)與太陽輪齒數(shù)相等，說明太陽輪也剛好與行星輪嚙合一個(gè)周期，此時(shí)行星輪旋轉(zhuǎn)到初始位置。行星輪轉(zhuǎn)到初始位置歷時(shí)t=1/17.65≈0.056 6 s。試驗(yàn)采樣頻率20 kHz，每次采樣30 個(gè)周期，間隔30 個(gè)周期繼續(xù)采樣。

表5 試驗(yàn)工況設(shè)置

不同擋位情況下得到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形如圖8 所示。由圖可知，Ⅳ擋的時(shí)域波形幅值最大?？梢猿醪脚袛噙x擇Ⅳ擋的合理性。不同轉(zhuǎn)速下得到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形如圖9 所示。由圖可知，1500 r/min 的時(shí)域波形幅值明顯大于其他轉(zhuǎn)速的幅值，因此選擇該轉(zhuǎn)速更有利于故障信號(hào)的提取。不同載荷下得到的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形如圖10 所示。由圖可知，900 N·m 的時(shí)域波形和頻譜的幅值都明顯大于空載時(shí)的幅值，因此選擇該載荷有利于提取故障信息。不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形如圖11 所示。由圖可知，測(cè)點(diǎn)1 的時(shí)域波形幅值最大，主要原因是測(cè)點(diǎn)1 距離定軸齒輪系較近，所以信號(hào)能量較大，針對(duì)K3 太陽輪故障，應(yīng)選擇定軸齒輪頻率成分少的測(cè)點(diǎn)，故選擇測(cè)點(diǎn)3。

表6 K3 行星排齒輪參數(shù)

圖8 不同擋位的時(shí)域波形和頻域波形

圖9 不同轉(zhuǎn)速的時(shí)域波形和頻域波形

圖10 不同載荷的時(shí)域波形和頻域波形

圖11 不同測(cè)點(diǎn)的時(shí)域波形和頻域波形

4 結(jié)論

綜合運(yùn)用ProE、ANSYS 和ADAMS 仿真軟件建立了行星變速箱三維模型、柔性箱體模型和齒輪—箱體剛?cè)狁詈夏Ｐ?，基于?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析。依據(jù)齒輪故障類型和行星排工作情況確定了行星變速箱擋位，即當(dāng)K3 行星排齒輪故障時(shí)選擇Ⅳ擋；依據(jù)時(shí)域指標(biāo)確定了輸入轉(zhuǎn)速為1500 r/min 和載荷為900 N·m，依據(jù)測(cè)點(diǎn)的可操作性和有效性確定了振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)位置3 為最優(yōu)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)仿真得到的工況參數(shù)，開展了臺(tái)架試驗(yàn)，分析了不同擋位、不同轉(zhuǎn)速、不同載荷和不同測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，初步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，為下一步開展故障模擬實(shí)物試驗(yàn)提供指導(dǎo)。