《行星齒輪箱振動(dòng)故障診斷方法》：
　　第1章 緒論
　　行星齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，傳動(dòng)比大，承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，適用于高速大功率以及低速大扭矩的機(jī)械傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、車輛、船舶、直升機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、石油化工和冶金礦山等各個(gè)領(lǐng)域[1]。
　　在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，行星齒輪箱常承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)重載作用力，容易出現(xiàn)機(jī)械故障。例如，車輛、直升機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常采用行星齒輪箱作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的變速機(jī)構(gòu)，它不僅承受動(dòng)態(tài)重載負(fù)荷，而且運(yùn)行工況變化頻繁，是整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，其中太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈和軸承等關(guān)鍵零部件容易出現(xiàn)磨損或損傷。作為變換扭矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，行星齒輪箱一旦出現(xiàn)故障，輕則導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)鏈?zhǔn)�效停機(jī)，重則導(dǎo)致機(jī)毀人亡。因此，行星齒輪箱故障診斷問(wèn)題不容忽視。
　　本章介紹行星齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)，以及國(guó)內(nèi)外關(guān)于行星齒輪箱故障診斷方法方面的研究進(jìn)展。
　　1.1 行星齒輪箱的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)
　　1.1.1 行星齒輪傳動(dòng)
　　在常見(jiàn)的定軸齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)齒輪系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所有齒輪的幾何軸線位置都固定不動(dòng)，如圖1-1所示。
　　圖1-1 定軸齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
　　在行星齒輪傳動(dòng)中，當(dāng)齒輪系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所有齒輪中至少有一個(gè)齒輪的幾何軸線位置不固定，而是圍繞其他齒輪的幾何軸線旋轉(zhuǎn)。在圖1-2中，太陽(yáng)輪和行星架均繞固定的幾何軸線 轉(zhuǎn)動(dòng)，而行星輪活套在行星架上，它一方面繞自身的幾何軸線 自轉(zhuǎn)，另一方面還隨行星架繞固定的幾何軸線 公轉(zhuǎn)，即做行星運(yùn)動(dòng)。因此，將這種齒輪傳動(dòng)稱為行星齒輪傳動(dòng)。
　　圖1-2 行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
　　通常，行星齒輪傳動(dòng)的自由度為1，只要其中一個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)已知，其余各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)便可確定。在實(shí)際應(yīng)用中，齒圈固定不動(dòng)而太陽(yáng)輪和行星架轉(zhuǎn)動(dòng)的行星齒輪箱最為常見(jiàn)，本書即研究這一類行星齒輪箱的振動(dòng)故障診斷問(wèn)題。
　　1.1.2 行星齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)
　　與普通的定軸齒輪傳動(dòng)相比，行星齒輪傳動(dòng)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[1]：
　�。�1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕。太陽(yáng)輪、齒圈和行星架的幾何中心線同軸，可以充分利用齒圈內(nèi)部空間，有利于縮小外廓尺寸。
　�。�2）承載能力強(qiáng)。行星齒輪傳動(dòng)具有功率分流特點(diǎn)，在太陽(yáng)輪和齒圈的周圍均勻分布若干行星輪共同承擔(dān)載荷，而且可以充分利用齒輪內(nèi)嚙合的承載能力，因此允許齒輪采用較小的模數(shù)。
　　（3）傳動(dòng)比大。通過(guò)適當(dāng)選擇行星齒輪傳動(dòng)的類型及配齒方案，即可以獲得很大的傳動(dòng)比。
　�。�4）傳動(dòng)效率高。行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，若干行星輪勻稱分布，使得作用在支承太陽(yáng)輪和行星架軸承上的作用力能夠互相平衡，有利于提高傳動(dòng)效率。
　�。�5）運(yùn)行平穩(wěn)。若干行星輪均勻分布在太陽(yáng)輪和齒圈的周圍，使得行星輪與行星架的慣性力相互平衡，另外，同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)增多，使得行星齒輪傳動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)沖擊噪聲小。
　　行星齒輪傳動(dòng)的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，使得它的適用范圍廣泛，不僅能夠滿足高速大功率的傳動(dòng)要求，而且適合低速大扭矩的傳動(dòng)場(chǎng)合，因此在各種機(jī)械裝備中得到普遍應(yīng)用。
　　1.2 行星齒輪箱故障診斷研究進(jìn)展
　　1.2.1 振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性
　　振動(dòng)測(cè)試分析是目前機(jī)械故障診斷中最為常用的方法之一，但是行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)具有復(fù)雜的時(shí)變調(diào)制特征，致使故障診斷存在較大難度。
　　行星齒輪箱通常由太陽(yáng)輪、行星輪、齒圈和行星架等關(guān)鍵部件組成，其中行星輪同時(shí)與太陽(yáng)輪和齒圈接觸嚙合。若齒圈固定，太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，則行星輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)還隨行星架圍繞太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)。行星齒輪箱在自身復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和動(dòng)力學(xué)本質(zhì)以及多變的環(huán)境激勵(lì)的綜合作用下，它的振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的復(fù)雜性、時(shí)變性以及調(diào)制特征非常明顯。行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜多樣性不僅意味著信號(hào)成分復(fù)雜——既有各個(gè)零部件的特征頻率成分，還有動(dòng)力輸入和負(fù)載設(shè)備的振動(dòng)耦合信號(hào)成分，以及背景噪聲干擾等成分，而且還體現(xiàn)在信號(hào)波形的變化形態(tài)各異——既有簡(jiǎn)諧波和沖擊特征，還有多分量調(diào)制特征甚至?xí)r變調(diào)制特征。
　　（1）信號(hào)成分復(fù)雜：振動(dòng)信號(hào)中包含行星齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中的特征頻率成分，如太陽(yáng)輪或齒圈、行星輪、行星架的旋轉(zhuǎn)頻率；太陽(yáng)輪-行星輪、行星輪-齒圈之間的嚙合頻率；上述頻率成分的諧頻成分；成組出現(xiàn)在嚙合頻率及其倍頻附近的邊帶成分。支承太陽(yáng)輪、行星輪和行星架的軸承和動(dòng)力輸入輸出裝置（如電機(jī)或聯(lián)軸器）等零部件的特征頻率成分經(jīng)過(guò)多界面耦合傳播之后，也會(huì)出現(xiàn)在測(cè)試信號(hào)中。
　�。�2）信號(hào)具有較強(qiáng)的非平穩(wěn)性和調(diào)制特征：在運(yùn)行過(guò)程中，為配合實(shí)際設(shè)備運(yùn)行工況的變化切換（如起停機(jī)、升降速和增減負(fù)荷等瞬態(tài)過(guò)程），行星齒輪箱的轉(zhuǎn)速和扭矩相應(yīng)變化，振動(dòng)信號(hào)的頻率和幅值具有明顯的時(shí)變性，即調(diào)頻和調(diào)幅特征。在行星齒輪箱的運(yùn)行過(guò)程中，位置固定的傳感器（通常安裝在固定的齒圈或者和齒圈相連的箱體上）和齒輪嚙合（太陽(yáng)輪-行星輪、行星輪-齒圈）振動(dòng)源之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生明顯的幅值調(diào)制作用，使得信號(hào)具有非平穩(wěn)性。行星齒輪箱故障，如齒輪和軸承的點(diǎn)蝕、脫落和裂紋等局部損傷，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致沖擊響應(yīng)，這些瞬態(tài)沖擊成分將增加振動(dòng)信號(hào)的非平穩(wěn)性。
　　行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性和時(shí)變調(diào)制特征增加了信號(hào)分析和故障診斷的難度。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合行星齒輪箱的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，深入透徹理解故障振動(dòng)機(jī)理，總結(jié)歸納故障征兆規(guī)律，提出有效的分析方法，對(duì)于行星齒輪箱故障診斷具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　1.2.2 故障診斷方法研究進(jìn)展
　　對(duì)于定軸齒輪箱故障診斷，廣大科研人員開(kāi)展了長(zhǎng)期深入的研究。在時(shí)域內(nèi)，應(yīng)用有效值、能量比、峰值因數(shù)、偏度、峭度以及基于殘余信號(hào)和高階統(tǒng)計(jì)量定義的多種統(tǒng)計(jì)參數(shù)指標(biāo)識(shí)別齒輪損傷，提出了時(shí)間同步平均分析方法[2，3]。在頻域內(nèi)，應(yīng)用頻譜分析、邊帶分析、包絡(luò)譜分析和倒譜分析等方法從振動(dòng)信號(hào)中提取特征頻率，從而識(shí)別齒輪故障原因[2-6]。另外，考慮齒輪箱振動(dòng)信號(hào)復(fù)雜性和時(shí)變特點(diǎn)，研究了基于小波變換、Cohen類時(shí)頻分布、Hilbert-Huang變換、循環(huán)平穩(wěn)分析和盲源分離等多種診斷方法[7-16]。雖然這些關(guān)于定軸齒輪箱方面的研究成果對(duì)于行星齒輪箱故障診斷具有重要的參考借鑒價(jià)值，但是，行星齒輪箱的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)使得其振動(dòng)信號(hào)比定軸齒輪箱更為復(fù)雜，故障診斷難度較大，仍然存在許多問(wèn)題值得深入研究。
　　針對(duì)行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜特點(diǎn)，一些學(xué)者應(yīng)用各種信號(hào)分析方法對(duì)故障特征提取問(wèn)題進(jìn)行了研究[17， 18]。
　　McFadden [19]、McNames [20]、Mosher [21]研究發(fā)現(xiàn)，在行星齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中，行星輪-太陽(yáng)輪以及行星輪-齒圈之間的嚙合造成的振動(dòng)更為復(fù)雜，行星輪和位置固定的傳感器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，行星輪之間的不同相位關(guān)系導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)具有明顯的非對(duì)稱性，即主導(dǎo)頻率成分通常為分布在嚙合頻率及其諧頻附近的邊帶成分。McFadden [22， 23]以及Samuel和Pines [24]等推廣了時(shí)間平均方法，分別提出了利用單傳感器和多傳感器分離行星輪和/或太陽(yáng)輪振動(dòng)成分的計(jì)算方法。Samuel等[25]基于提升小波方法提出了約束自適應(yīng)算法檢測(cè)行星齒輪機(jī)構(gòu)中的輪齒損傷，以預(yù)先確定的行星齒輪箱正常狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)作為小波基函數(shù)，匹配振動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)其中的變化。Williams和Zalubas [26]應(yīng)用Wigner-Ville分布檢測(cè)直升機(jī)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障。Bartelmus和Zimroz [27， 28]發(fā)現(xiàn)行星齒輪箱故障對(duì)載荷變化敏感，應(yīng)用齒輪嚙合振動(dòng)幅值與工況之間的線性依賴關(guān)系監(jiān)測(cè)時(shí)變工況下的行星齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)。Barszcz和Randall [29]應(yīng)用譜峭度檢測(cè)風(fēng)電行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的輪齒裂紋。Zhang等[30-32]應(yīng)用盲解卷積方法降低振動(dòng)信號(hào)中的干擾噪聲，提取行星架裂紋故障特征。Lei等[33]應(yīng)用自適應(yīng)隨機(jī)共振方法提取行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)微弱故障特征，診斷了太陽(yáng)輪剝落和斷齒故障。胡蔦慶等[34， 35]提出了基于Hilbert-Huang變換的嚙合頻率鄰域內(nèi)能量特征以及灰色關(guān)聯(lián)度分析方法來(lái)檢測(cè)行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中的太陽(yáng)輪故障。樊長(zhǎng)博等[36]針對(duì)風(fēng)電行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣、故障信號(hào)中調(diào)制邊頻帶復(fù)雜的問(wèn)題，應(yīng)用倒頻譜分析了故障特征。白亞紅等[37]提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夂椭С质噶繖C(jī)的診斷方法，診斷了行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪磨損故障。肖志松等[38， 39]針對(duì)自行火炮中的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障，分別提出了基于時(shí)域平均、時(shí)頻分析、Hilbert-Huang變換和散度指標(biāo)的診斷方法。
　　本書作者針對(duì)行星齒輪箱故障診斷中涉及的振動(dòng)信號(hào)分析方面的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，根據(jù)行星齒輪箱的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，考慮典型零部件的常見(jiàn)故障形式，建立了太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障以及行星輪軸承故障狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)模型，推導(dǎo)了太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障以及行星輪軸承內(nèi)外圈和滾動(dòng)體故障特征頻率的計(jì)算公式，并推導(dǎo)了振動(dòng)信號(hào)Fourier頻譜的解析表達(dá)式，提出了幅值解調(diào)和頻率解調(diào)分析方法，總結(jié)歸納了太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈等全部三種齒輪分布式故障和局部故障以及行星輪軸承內(nèi)外圈和滾動(dòng)體故障的征兆規(guī)律；針對(duì)工程實(shí)踐中常見(jiàn)的時(shí)變工況，提出了基于時(shí)頻分析的故障診斷方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào)驗(yàn)證了理論分析方法的有效性[40-46]。
　　本書總結(jié)介紹作者在行星齒輪箱故障振動(dòng)信號(hào)特征分析方面的研究成果：第2章和第3章在行星齒輪箱振動(dòng)信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，分別介紹太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈分布式故障和局部故障特征頻率的計(jì)算方法和振動(dòng)信號(hào)的Fourier頻譜特征；第4章和第5章針對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)的調(diào)幅-調(diào)頻特征，分別提出幅值解調(diào)和頻率解調(diào)分析方法用于齒輪故障特征提��；第6章通過(guò)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)分析提取齒輪故障特征；第7章針對(duì)工程中常見(jiàn)的時(shí)變工況，介紹齒輪故障特征的時(shí)頻分析方法；第8章針對(duì)行星輪軸承的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)方式，推導(dǎo)行星輪軸承故障特征頻率的計(jì)算公式，總結(jié)歸納內(nèi)外圈和滾動(dòng)體等關(guān)鍵元件故障振動(dòng)信號(hào)的Fourier頻譜、幅值解調(diào)譜和頻率解調(diào)譜的征兆規(guī)律。
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