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      減速機(jī)網(wǎng) 謝永春 博士——雙環(huán)減速器運(yùn)動(dòng)特性及其故障診斷研究 減速機(jī)網(wǎng)
      來源:減速機(jī)信息網(wǎng)    時(shí)間:2007-7-2 15:57:14  責(zé)任編輯:wangtao  
      雙環(huán)減速器運(yùn)動(dòng)特征及其故障診斷研究
       
      博士研究生:謝永春
       
      指導(dǎo)教師:李潤方  教授
       
      學(xué)科專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)理論
       
      重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
       
      概述
      1.1課題來源及研究的意義
      本文研究內(nèi)容來源于國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《機(jī)械/流體傳動(dòng)的節(jié)能及新型傳動(dòng)方式的基礎(chǔ)性研究》(項(xiàng)目編號(hào):59835040)中的子課題《高效多流傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法的研究》以及國家十五高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)》(項(xiàng)目編號(hào):2001 AA423200)。
      平行動(dòng)軸少齒差傳動(dòng)是我國獨(dú)創(chuàng)的一種新型傳動(dòng),其傳動(dòng)原理為行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng),而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng),已出現(xiàn)了單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)、四環(huán)及平衡式減速(增速)等裝置,分別獲國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利,部分產(chǎn)品已列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該傳動(dòng)形式與現(xiàn)有各種主要齒輪傳動(dòng)形式相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、承載能力大、過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),因而在機(jī)械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。同時(shí)因具有裝配靈活和結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特特征,在有些領(lǐng)域具有其它傳動(dòng)無法代替的優(yōu)勢(shì),近年來年產(chǎn)值已達(dá)數(shù)億元,具有廣闊的應(yīng)用前景。但該傳動(dòng)在高速重載情況下振動(dòng)和噪聲大、溫升高及軸承早期破壞等問題,在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、重載、高速、大傳動(dòng)比工況下問題更為突出,大大影響了其推廣進(jìn)程,成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前國內(nèi)外開展該傳動(dòng)研究主要集中在其傳動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)噪聲測(cè)試方面,對(duì)其整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)耦合非線性振動(dòng)噪聲分析和發(fā)熱機(jī)理及設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲預(yù)估等方面研究很少。對(duì)于雙環(huán)減速器,由于行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng),而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng),在不同位置行星輪嚙合齒對(duì)數(shù)不同,導(dǎo)致載荷分配不均。同時(shí)由于輪齒剛度的時(shí)變特性、齒輪嚙合時(shí)的嚙入和嚙出沖擊、齒輪間側(cè)隙的存在、摩擦阻力、并列齒輪機(jī)構(gòu)相位及制造安裝誤差和環(huán)作圓周平動(dòng)引起的不平衡擺動(dòng)力和擺動(dòng)力矩的影響,使齒輪在工作中將產(chǎn)生內(nèi)部激勵(lì),而外載波動(dòng)又使傳動(dòng)系統(tǒng)受到外部的激勵(lì)。在這種相互的沖擊作用下,使得雙環(huán)減速器可能產(chǎn)生故障。
      20 世紀(jì)六十年代末以來,美國、英國和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國家掀起了故障診斷技術(shù)研究的熱潮,并在實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,并日益受到企業(yè)和政府主管部門的重視。目前故障診斷技術(shù)已從原來的基于時(shí)間的維修策略發(fā)展到近十幾年的基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維修策略,對(duì)于系統(tǒng)在線監(jiān)視的要求越來越高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及Internet技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程故障診斷也成為當(dāng)今故障診斷領(lǐng)域的新方向。同時(shí),由于環(huán)式減速器的進(jìn)一步深入研究及在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,因此,對(duì)雙環(huán)減速器進(jìn)行故障智能診斷預(yù)報(bào)并迅速處理,并逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷,此研究課題具有重要的實(shí)用意義。
      1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
      1.2.1 少齒差行星傳動(dòng)發(fā)展簡介
      隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展,機(jī)械化水平的不斷提高,對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來越高的要求。在常見的齒輪傳動(dòng)裝置中,普通的定軸圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重;普通圓柱蝸桿傳動(dòng)效率較低;而行星齒輪傳動(dòng)由于具有傳動(dòng)比大、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),而得到廣泛的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)中的一種,它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副,內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差較少,故簡稱少齒差傳動(dòng)。少齒差傳動(dòng)的類型很多,最早出現(xiàn)的是德國人提出的以外擺線為齒廓曲線的少齒差傳動(dòng),由于其中的一個(gè)齒輪采用針輪的形式,故亦稱擺線針輪行星齒輪傳動(dòng);30 年代后期日本人開始研制并試生產(chǎn)該行星齒輪傳動(dòng)裝置,但由于當(dāng)時(shí)工藝條件落后,齒形加工精度很低,因而產(chǎn)量不高;直到60年代擺線磨床的出現(xiàn),從工藝上保證了擺線齒形的精度,才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展。近幾十年來,擺線少齒差傳動(dòng)已發(fā)展成為少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種類型,此外,還發(fā)展了二齒差、復(fù)合齒型、行星軸承與偏心套合并等新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)由于其主要傳動(dòng)零件采用軸承鋼并經(jīng)過磨削加工,傳動(dòng)時(shí)又是多齒嚙合,故其承載能力高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長,但其加工精度要求高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。漸開線少齒差傳動(dòng)的原理與擺線少齒差傳動(dòng)基本相同,區(qū)別在于內(nèi)外齒輪的齒廓曲線采用漸開線。其輪齒結(jié)構(gòu)簡單、嚙合接觸應(yīng)力小、承載能力高、可采用軟齒面、加工容易。但由于內(nèi)嚙合齒輪齒數(shù)差很少,極易產(chǎn)生各種干涉,在設(shè)計(jì)過程中選擇齒輪幾何參數(shù)十分復(fù)雜。1949年蘇聯(lián)學(xué)者從理論上解決了實(shí)現(xiàn)一齒差傳動(dòng)的幾何計(jì)算問題;到60年代隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),漸開線少齒差傳動(dòng)才得到了較迅速的發(fā)展。目前已出現(xiàn)了柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)盤式等多種傳動(dòng)形式。漸開線少齒差齒輪采用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機(jī)床加工,不需要特殊刀具和專用設(shè)備,材料也可采用普遇齒輪材料,加工方便、制造成本低,但其傳動(dòng)效率不如擺線少齒差傳動(dòng)高。60 年代國外開始探討圓弧少齒差傳動(dòng),到70 年代中期,日本開始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速機(jī)的系列化生產(chǎn)。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是行星輪的齒廓曲線采用四圓弧代替了擺線,輪齒與針齒在嚙合點(diǎn)的曲率方向相同,形成兩凹凸圓弧的內(nèi)嚙合,從而提高了輪齒的接觸強(qiáng)度和嚙合效率,其針齒不帶齒套,并采用半埋齒結(jié)構(gòu),既提高了彎曲強(qiáng)度又簡化了針齒結(jié)構(gòu)。此外,圓弧形輪齒的加工無需專用機(jī)床,精度也易保證,且修配方便。
      近十幾年來又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式,其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)錐齒少齒差傳動(dòng)、雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)及用彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)的諧波傳動(dòng)。實(shí)踐證明,少齒差傳動(dòng)與適用于相同工況的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比,具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn):如體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大和傳動(dòng)效率高等。
      我國從50 年代就開始從事少齒差傳動(dòng)的研究。1958年開始研制擺線針輪減速機(jī),60年代投人工業(yè)化生產(chǎn),目前已形成系列,制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),該減速機(jī)己廣泛用于各類機(jī)械設(shè)備中。1960年我國研制成第一臺(tái)二齒差漸開線行星齒輪減速機(jī),用于橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)中。1956 年我國著名機(jī)械學(xué)專家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其特點(diǎn)是當(dāng)輸人軸旋轉(zhuǎn)時(shí),行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)(即高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成),而是通過一雙曲柄機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時(shí)國內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒數(shù)差Zd=1的漸開線K-H-v型行星齒輪減速器及設(shè)計(jì)”一文,詳細(xì)闡述了漸開線少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法。朱景梓教授所從事的這些創(chuàng)造性工作,為少齒差行星齒輪傳動(dòng)在我國的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)作用。雙曲柄輸入式少齒差行星齒輪傳動(dòng)使行星軸承的載荷下降,而且當(dāng)內(nèi)齒板為行星輪時(shí),行星軸承的徑向尺寸可不受限制,從而提高了行星軸承的壽命。另外,這種傳動(dòng)不需專門的輸出機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng),結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、適用性強(qiáng)。但由于歷史原因,這種傳動(dòng)直到70年代末才得到了較多單位的研制和使用。目前應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,已用在小型起重設(shè)備、畜牧機(jī)械、食品、輕工、化工機(jī)械、漁業(yè)、紡織、焊接、水利、機(jī)床、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。1985年冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院陳宗源高工提出了平行軸式少齒差內(nèi)齒行星齒輪傳動(dòng)裝置一三環(huán)減速器,并于同年以“三環(huán)式減速(或增速)傳動(dòng)裝置”申請(qǐng)了國家發(fā)明專利。1992年重慶鋼鐵集團(tuán)公司研制出了單齒環(huán)雙曲柄輸入少齒差減速器,并于同年申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。英國人在1989年也提出了類似的少齒基傳動(dòng)裝置,但是按其原理設(shè)計(jì)的減速器,在一根曲柄上安裝三個(gè)內(nèi)齒板,不得不做成偏心套結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工分度精度要求高,而且在工作過程中,偏心套受交變扭矩作用,在與曲軸連接的表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損,導(dǎo)致發(fā)熱;此外,三套互成120°相位差的雙曲柄機(jī)構(gòu)之間存在多次過約束,加工及裝配誤差容易導(dǎo)致附加沖擊,引起振動(dòng)和噪聲。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一塊齒板上布置三個(gè)曲柄軸的內(nèi)齒行星傳動(dòng)裝置,并申請(qǐng)了專利。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單齒板傳動(dòng)不存在死點(diǎn),但由于有三個(gè)曲柄軸,加工精度要求高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝不便。1998年朱才朝對(duì)三環(huán)減速器進(jìn)行了振動(dòng)控制的研究。1999年哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生梁永生提出了一種新型的金屬彈性環(huán)均載的兩級(jí)三環(huán)減速機(jī),并對(duì)其進(jìn)行了理論分析及樣機(jī)實(shí)驗(yàn), 2001年天津大學(xué)博士研究生楊建明用彈性力學(xué)方法對(duì)三環(huán)傳動(dòng)進(jìn)行了理論分析。
      1.2.2 雙環(huán)減速器故障診斷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
      1)故障診斷的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
      根據(jù)已經(jīng)掌握資料,最早開發(fā)故障診斷技術(shù)的是美國。1961年開始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后出現(xiàn)的一系列設(shè)備故障造成的悲劇導(dǎo)致1967年在美國宇航局提議下,由美國海軍研究室主持成立了美國機(jī)械故障預(yù)防小組(MFPG ),積極從事技術(shù)診斷的開發(fā)。1971 年MFPG 正式劃歸美國國家標(biāo)準(zhǔn)局領(lǐng)導(dǎo),從事故障機(jī)理的研究、檢測(cè)、診斷和預(yù)報(bào)的技術(shù)研究,可靠性分析及耐久性評(píng)價(jià)。美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME )領(lǐng)導(dǎo)下的鍋爐壓力容器監(jiān)測(cè)中心在應(yīng)用聲發(fā)射診斷技術(shù)(AE)對(duì)靜設(shè)備故障診斷方面取得了較大的進(jìn)展。其他還有Johns Mitchel 公司的超低溫水泵和空壓機(jī)的監(jiān)測(cè)技術(shù),SPIR公司的用于軍用機(jī)械的軸和軸承診斷技術(shù),TEDE-CO公司的潤滑油分析診斷技術(shù)等都在國際上處于領(lǐng)先地位。美國在航空方面,在可靠性維修管理的基礎(chǔ)上,大規(guī)模地對(duì)飛機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),采用了飛行器計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)(AIDS) ,分析處理大量飛行中的信息來確定飛機(jī)各部位的故障原因并發(fā)出消除故障的命令,這一技術(shù)己用于B747和DC9等巨型客機(jī)中,大大提高了飛行安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界班機(jī)每億旅客公里的死亡率從60年代的0石左右下降到70年代的0.2 左右,并非偶然。
      在英國20世紀(jì)60年代末70年代初,以R.A.Collacott 為首的英國機(jī)器保健中心最先開始研究故障診斷技術(shù),1982年曼徹斯特大學(xué)成立了沃福森工業(yè)維修公司(WIMU),其他還有幾家公司都開展了這方面的研究工作。設(shè)備診斷技術(shù)在歐洲其他國家也有很大發(fā)展,這些國家在某一方面具有特色或領(lǐng)先地位,瑞典的SPM公司的軸承監(jiān)測(cè)技術(shù),挪威的船舶診斷技術(shù),丹麥B&K 公司的振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器等都各有千秋。日本在鋼鐵、化工、鐵路等民用工業(yè)部門的診斷技術(shù)方面發(fā)展很快,占有某些優(yōu)勢(shì),他們密切注意世界性動(dòng)向,積極引進(jìn)消化最新技術(shù),努力發(fā)展自己的診斷技術(shù),研制自己的診斷儀器,新日鐵從1971年起開發(fā)診斷技術(shù),到1976年基本上達(dá)到實(shí)用階段。日本的機(jī)械維修、計(jì)測(cè)自動(dòng)控制、電氣和機(jī)械學(xué)會(huì)相繼設(shè)立了自己的專門研究機(jī)構(gòu)。日本國立研究機(jī)構(gòu)中的機(jī)械技術(shù)研究所和船舶技術(shù)研究所重點(diǎn)研究機(jī)械基礎(chǔ)件的診斷技術(shù)。東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、京都大學(xué)等高等院校著重基礎(chǔ)性理論研究。其他民辦企業(yè)如三菱重工、川崎重工、日立制作所、東芝電器等以企業(yè)內(nèi)部的工作為中心著重研究應(yīng)用水平較高的實(shí)用題目。
      歐洲著名的國際測(cè)量學(xué)會(huì)(IMEKO)的第10專業(yè)委員會(huì)(TC-10 ),也就是技術(shù)診斷學(xué)委員會(huì),每隔1年或2年召開一次國際學(xué)術(shù)會(huì)議,我國代表從它的第三屆國際會(huì)議開始參加,到1987年的第五屆己連續(xù)參加了三屆,第四屆上有四篇論文,在第五屆上有7篇論文。
      我國國家經(jīng)貿(mào)委中國設(shè)備管理協(xié)會(huì)結(jié)合我國國情,在1983年提出了《國營工業(yè)交通設(shè)備管理試行條例》,這個(gè)條例有力地推動(dòng)了我國設(shè)備故障診斷技術(shù)的開發(fā)和研究。
      當(dāng)前我國的一些民用工業(yè),尤其是冶金、石化和電力等流程工業(yè),在開發(fā)和應(yīng)用設(shè)備診斷技術(shù)方面走在了前面,因?yàn)檫@些工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生事故就會(huì)造成很大損失。原冶金工業(yè)部首先在東北大學(xué)和北京科技大學(xué)培養(yǎng)了從事故障診斷的研究生,己有一批碩士生和博士生畢業(yè),其次以北京冶金設(shè)備研究所為基地建立設(shè)備診斷研究室,并開展了測(cè)試、培訓(xùn)和咨詢工作。1983 年確定寶山鋼鐵集團(tuán)公司和太原鋼鐵公司為開展診斷技術(shù)的試點(diǎn)單位,建立了振動(dòng)、紅外和鐵譜三個(gè)實(shí)驗(yàn)室。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面對(duì)燒結(jié)和高爐的風(fēng)機(jī)、制氧站的空壓機(jī)進(jìn)行了測(cè)試和分析,研制了ZJCY85 型風(fēng)機(jī)軸承在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);在紅外和熱像方面對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行簡易診斷,對(duì)爐殼爐襯腐蝕的診斷。都取得了好的效果;在鐵譜技術(shù)方面對(duì)175t脫錠吊車的油泵油液進(jìn)行鐵譜分析,為液壓泵、隨動(dòng)閥等部件的磨損找出了預(yù)防措施。東北大學(xué)與唐山鋼鐵集團(tuán)公司合作研制了650mm 軋機(jī)軋制力矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)650mm軋機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),又與本鋼合作研制了1150mm萬能板坯軋機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),開發(fā)出軋鋼機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列人國家“八五”重點(diǎn)科研成果推廣計(jì)劃;東北大學(xué)研制的風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列人1995年國家重點(diǎn)科技成果推廣計(jì)劃。
      石化總公司從20世紀(jì)70年代組織無損檢測(cè)到80年代開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè),已投資600多萬元為其所屬企業(yè)裝備了各類監(jiān)測(cè)儀表1400多臺(tái)套,加強(qiáng)了對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障原因分析。采用輕便高效的探傷儀、測(cè)厚儀、內(nèi)窺鏡及聲發(fā)射技術(shù),加強(qiáng)了對(duì)壓力容器的檢測(cè),同時(shí)開展熱監(jiān)測(cè)工作,利用紅外熱像儀測(cè)定廠內(nèi)散熱損失,合理選用隔熱材料達(dá)到了節(jié)能的效果。
      水電行業(yè)以大機(jī)組為重點(diǎn)開展了機(jī)械設(shè)備故障診斷的研究,應(yīng)用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行設(shè)備診斷對(duì)安全運(yùn)行起到了良好作用,制成了比國外漏水繼電器性能優(yōu)越的雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)漏水報(bào)警系統(tǒng)。研制出用于變壓器故障診斷的氣相色譜儀,利用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)定鍋爐爐管和汽包焊縫。
      此外,機(jī)械行業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)簡易診斷和精密診斷方面,航空工業(yè)在研制診斷儀器方面,核工業(yè)在進(jìn)行反應(yīng)堆故障診斷和壽命預(yù)測(cè)方面,鐵道部門在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車油液的光譜、鐵譜分析和電力機(jī)車診斷方面,以及交通部門在實(shí)施汽車不解體檢測(cè)等方面都是卓有成效的。
      1986年6月4日-7日在沈陽東北工學(xué)院(現(xiàn)東北大學(xué))召開了國內(nèi)第一次機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)國際會(huì)議,中外學(xué)者和專家340多人參加了會(huì)議,會(huì)上交流了117篇論文。這次會(huì)議在加強(qiáng)國際學(xué)術(shù)交流和促進(jìn)我國診斷技術(shù)的發(fā)展上起了積極作用,會(huì)議促成了東北地區(qū)機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)研究會(huì)在1986年9月正式成立,推動(dòng)了各大型企業(yè)診斷技術(shù)的進(jìn)展,鞍山鋼鐵公司和本溪鋼鐵公司成立了專門從事機(jī)械設(shè)備診斷和現(xiàn)代化管理的科室,積極購置先進(jìn)的儀器設(shè)備并開展技術(shù)診斷的研究工作。1987年11月召開了東北地區(qū)機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)研究會(huì)第一屆年會(huì),交流了東北地區(qū)一年來在技術(shù)診斷研究、開發(fā)和應(yīng)用上的成果和經(jīng)驗(yàn),到2000年已召開了三次國際會(huì)議和四次地區(qū)會(huì)議。
      1987年5月中國振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷學(xué)會(huì)成立,至今己召開了六次全國會(huì)議,其特點(diǎn)是從理論和方法的角度來發(fā)展故障診斷技術(shù)。
      國家經(jīng)貿(mào)委中國設(shè)備管理協(xié)會(huì)已在全國各省成立了在省經(jīng)貿(mào)委領(lǐng)導(dǎo)下的各省設(shè)備管理協(xié)會(huì),推動(dòng)設(shè)備管理的改革和現(xiàn)代化,中國設(shè)備管理協(xié)會(huì)設(shè)備診斷工程委員會(huì),召開了三次全國會(huì)議,其特點(diǎn)是從管理的角度來發(fā)展故障診斷技術(shù)。一中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)成立了失效分析工作委員會(huì),建立了全國性的專家?guī)旌褪Х治鼍W(wǎng),協(xié)調(diào)全國的失效分析和故障預(yù)防研究工作。中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)備維修分會(huì)設(shè)備診斷技術(shù)委員會(huì)已召開了人次全國會(huì)議,其特點(diǎn)是從工程應(yīng)用的角度來發(fā)呢故障診斷技術(shù)。
      國內(nèi)一些重點(diǎn)大學(xué)像西安交通大學(xué)、東北大學(xué)等相繼建立了故障診斷工程中心,目前不少高等院校都在培養(yǎng)故障診斷方面的碩士和博士研究生,這些學(xué)校有西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南京航空學(xué)院、哈爾演工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等等。
      2)齒輪箱的故障診斷方法與研究現(xiàn)狀
      齒輪箱是一種量大面廣而且應(yīng)用最為普遍的基礎(chǔ)性部件,廣泛存在于機(jī)械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域的各種設(shè)備之中,應(yīng)用范圍非常廣,但也是在設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中拆卸較為復(fù)雜,誤工誤時(shí)較多較復(fù)雜的部件之一。
      按檢測(cè)手段來分齒輪箱故障診斷方法有以下幾種:
      a.振動(dòng)檢測(cè)診斷法
      以機(jī)器振動(dòng)作為信息源,在機(jī)器運(yùn)行過程中,通過振動(dòng)參數(shù)的變比特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
      b.噪聲檢測(cè)診斷法
      以機(jī)器運(yùn)行中的噪聲作為信息源,在機(jī)器運(yùn)行過程中,通過噪聲參數(shù)的變化壽征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。此法的本質(zhì)與振動(dòng)檢測(cè)診斷法是一致的,因?yàn)樵肼曋饕怯烧駝?dòng)產(chǎn)生的。此法雖簡便,但易受環(huán)境噪聲影響,不如振動(dòng)檢測(cè)診斷法準(zhǔn)確。
      c.溫度檢測(cè)診斷法
      以可觀測(cè)的機(jī)械零件的溫度作為信息源,在機(jī)器運(yùn)行過程中,通過溫度參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
      d.聲發(fā)射檢測(cè)診斷法
      金屬零件在磨損、變形、破裂過程中產(chǎn)生彈性波,以此彈性波為信息源,在機(jī)器運(yùn)行過程中,分析彈性波的頻率變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
      e.潤滑油中金屬含量分析診斷法
      在齒輪箱機(jī)器運(yùn)行過程中,以潤滑油中金屬含量的變化,判別齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。
      f.光纖內(nèi)窺技術(shù)
      主要利用特別的光纖內(nèi)窺鏡直接觀察到零件表面磨損與腐蝕情況。這一技術(shù)由于需一套成像系統(tǒng),操作復(fù)雜,且對(duì)油污的限制較多,故較少采用。按診斷方法原理分有以下幾種:
      a.頻域診斷法
      一應(yīng)用頻譜分析技術(shù),根據(jù)頻譜特征變化,判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)及故障形成原因。
      b.時(shí)域分析法
      應(yīng)用時(shí)間序列模型及其有關(guān)的特性函數(shù),判別機(jī)器的工況狀態(tài)的變化。
      c.統(tǒng)計(jì)分析法
      應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)模型及其有關(guān)的特性函數(shù),實(shí)現(xiàn)工況狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷。
      d.信息理論分析法
      應(yīng)用信息理論建立的某些特性函數(shù),如庫爾伯克(Kullback)信息數(shù),J散度等在機(jī)器運(yùn)行過程中的變化,進(jìn)行工況狀態(tài)分析與故障診斷。
      e.模式識(shí)別法
      利用檢測(cè)信號(hào),提取對(duì)工況狀態(tài)反應(yīng)敏感的特征量構(gòu)成模式矢量,設(shè)計(jì)合適的分類器,判別工況狀態(tài),它是人工智能的技術(shù)之一。
      f.其他人工智能方法
      如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等,這些都是新發(fā)展的新領(lǐng)域。
      根據(jù)收集到的資料,對(duì)齒輪故障各種診斷方法歸類分析,并對(duì)各種方法診斷效果的優(yōu)劣進(jìn)行了比較,情況見表1.1
      表1.1 齒輪故障診斷方法分類
      方法
      類型
      研究現(xiàn)狀
      優(yōu)缺點(diǎn)
       
      動(dòng)
       
       
       
       
       
       
      功率譜
      分析
      研究應(yīng)用者
      很多,理論比
      較成熟
      1)對(duì)大面積磨損點(diǎn)蝕等均布故障分析效果好;
      2)有專門的儀器可利用,分析速度快;
      3)對(duì)局部故障不敏感,難以定量化分析;
      4)丟失相位信息
      細(xì)化譜
      分析
      主要用于輔
      助分析
      提高頻率分辨率,對(duì)識(shí)別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)有好處,常
      做為功率譜分析的輔助手段
      相干譜
      分析
      研究應(yīng)用者
      不多
      1)有文獻(xiàn)報(bào)道用于均布磨損等故障分析中;
      2)故障特性不明顯,難以識(shí)別,試驗(yàn)結(jié)果亦不統(tǒng)一
      倒譜
      分析
      研究應(yīng)用者
      較多,
      1)對(duì)于識(shí)別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)很有效;
      2)對(duì)傳遞路徑不敏感,有文獻(xiàn)報(bào)道曾用倒譜分析做定量診斷;
      3)需專門儀器,信噪比不高時(shí)影響使用效果
      雙譜
      分析
       
      剛剛開始引
      人齒輪故障
      診斷領(lǐng)域,
      方法不成熟
       
      1)初步用于診斷磨損點(diǎn)蝕等故障;
      2)信噪比高,信息全,包含相位信息;
      3 )識(shí)別非線性調(diào)制信號(hào)能力強(qiáng);
      4)計(jì)算量很大,難以實(shí)現(xiàn),一般采用近似算法;
      5)譜圖為三維圖,不直觀,難以定量化;
      6 )不易用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
      時(shí)
       
      低頻時(shí)
      域平均
      分析
      做為輔助分
      析手段應(yīng)用
      趨于普遍
       
      1)一般難以直接從波形上識(shí)別幫障在低頻域極特殊
      情況下可做為一簡易診斷方法;
      2)普遍用于數(shù)據(jù)預(yù)處理,去掉非周期成分,提高信
      噪比
      時(shí)域波
      形的參
      數(shù)分析
      最早使用的
      診斷方法,
      現(xiàn)在用的不
      1)各種各樣的參數(shù)很多,如波峰系數(shù)、峭度系數(shù)等;
      2)常做為簡易診斷手段,方法粗糙;
      3)定量化好,易于計(jì)算機(jī)識(shí)別及控制,計(jì)算量小,
      最好與其他方法配合使用
      時(shí)
      調(diào)
      調(diào)幅
      分析
      研究者不多,
      主要采用希
      爾伯特變換做
      包絡(luò)分析
      1)與故障點(diǎn)有對(duì)應(yīng)性,對(duì)局部嚴(yán)重故障識(shí)別有利;
      2)要與時(shí)域平均等技術(shù)結(jié)合,否則包絡(luò)波形變化
      大難以識(shí)別
      相位解
      調(diào)分析
      研究應(yīng)用者
      不多,有前途
      1)有文獻(xiàn)報(bào)道用此法識(shí)別出了齒根裂紋;
      2)分析方法也是基于希爾伯特變換;
      3)用于相位信息,與信號(hào)強(qiáng)弱無關(guān)
       
      頻率解
      調(diào)分析
      剛開始應(yīng)用
      研究,大有
      發(fā)展前景
      1)利用了信號(hào)的相位信號(hào)分析頻率解悶,抗干擾性
      好3
      2)這種方法故障信息明顯,具有可逆性與故障點(diǎn)有
      對(duì)應(yīng)性,是一一種較有發(fā)展前途的好方法
      時(shí)
      時(shí)間序列
      的參數(shù)分
      析,AR譜
      及最大熵
      譜分析
      是較新方法,
      但不很成熟,
      研究者較多
      1)適用于嚴(yán)重磨損等故障,譜線清晰準(zhǔn)確;
      2)所需數(shù)據(jù)且小,易于計(jì)算機(jī)控制和計(jì)算;
      3)采用一些參數(shù)分析,便于定量診斷;
      4)對(duì)齒輪邊頻成分的識(shí)別無能為力,是其致命缺點(diǎn)
      鐵譜分
      析,聲發(fā)
      射技術(shù),
      溫度及能
      耗監(jiān)測(cè)
      研究者較多
      1)油液分析對(duì)磨損、剝落等故障有效;
      2)溫度及能耗監(jiān)測(cè)分析,方法粗糙,對(duì)振動(dòng)量大的
      磨損等嚴(yán)重故障有效;
      3)聲發(fā)射技術(shù)識(shí)中輥裂紋等故障較有效,但還沒大量
      進(jìn)人工業(yè)應(yīng)用
      丁康等利用振動(dòng)理論和試驗(yàn)研究分析了齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴(yán)重彎曲、軸向竄動(dòng)、軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕九種典型故障的振動(dòng)特征。
      丁康認(rèn)為為了綜合利用典型故障的特征,必須采用對(duì)加速度和速度進(jìn)行兩時(shí)域(原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào))特征值分析和三頻域(頻譜、細(xì)化譜、解調(diào)譜)分析的方法。由于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域均方值反映了平均振動(dòng)能量,時(shí)域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上反映出振動(dòng)信號(hào)是否含有沖擊成分,而包絡(luò)時(shí)域均方值可直接反映出振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)大小,峰值、峭度和峰值指標(biāo)則可直接反映出振動(dòng)沖擊信號(hào)的尖銳程度,所以在時(shí)域一般選用這四個(gè)特征值作為診斷參量。在齒輪箱故障診斷中頻譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)、外環(huán)固有頻率等中高頻成分;細(xì)化譜主要用于分析振動(dòng)速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分;解調(diào)譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過頻率等低頻成分。齒輪箱因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其振動(dòng)的頻率成分很多,故一定要在建立檔案的基礎(chǔ)上來判斷是否存在故障,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷。
      王新晴對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì),指出了齒輪箱失效的定界原則,對(duì)齒輪箱故障特征的提取與自動(dòng)化診斷方面提出了一套新的技術(shù)方法。
      于德介,程軍圣將EMD (Empirical Mode Dicomposition)方法應(yīng)用于機(jī)械故障診斷中,提出了一個(gè)新的齒輪故障診斷方法。EMD方法基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度,能把復(fù)雜的信號(hào)分解為有限的內(nèi)在模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function)之和,這種自適應(yīng)的分解方法非常適于非線性和非平穩(wěn)過程的分析。用該方法對(duì)齒輪故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該方法能夠有效地降低噪聲,提高信噪比,突出齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的故障特征,從而提高齒輪故障診斷的準(zhǔn)確性。
      從目前統(tǒng)計(jì)資料來看,還沒有雙環(huán)減速器故障診斷方面的研究資料。
      1.3 本文所作的主要工作
      綜合上述文獻(xiàn)綜述,在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中,一般齒輪傳動(dòng)、行星傳動(dòng)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于雙環(huán)板式少齒差傳動(dòng),特別是對(duì)于雙環(huán)減速器的故障診斷方面的研究目前還沒有研究資料。本文以一種新型的雙環(huán)減速器為研究對(duì)象,對(duì)雙環(huán)減速器的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析及故障診斷方法進(jìn)行了研究。以便對(duì)雙環(huán)減速器存在的問題(如動(dòng)力不平衡、振動(dòng)大、發(fā)熱、噪聲大等),找出解決問題的有較方法或提出有效的理論根據(jù)。本文的研究內(nèi)容主要包括以下工作:
      (1)在闡述雙環(huán)減速器工作原理的基礎(chǔ)上,分析原有的單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)及四環(huán)減速器(專利號(hào):ZL89213292.2、ZL91230087.6、CN85106692.5、ZL93239404.3 )的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性,針對(duì)它們的不足,設(shè)計(jì)、研制一種新型的雙環(huán)減速器,并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī),申請(qǐng)并獲得國家實(shí)用新型專利(專利號(hào):ZL 01 2 06843.8)。
      (2)考慮部分制造誤差及安裝的影響,對(duì)環(huán)板內(nèi)齒的嚙合傳動(dòng),分析各種誤差對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響,建立考慮誤差的環(huán)板內(nèi)齒接觸有限元模型,針對(duì)不同的工況,進(jìn)行有限元接觸分析計(jì)算,討論各種誤差及載荷的變化對(duì)齒輪接觸齒對(duì)及載荷分配情況的影響,分析因載荷不均造成減速器振動(dòng)的影響因素。
      (3)建立雙環(huán)減速器主要零部件及減速器系統(tǒng)的有限元模型,對(duì)齒輪系統(tǒng)主要零件及減速器系統(tǒng)進(jìn)行理論模態(tài)分析,計(jì)算雙環(huán)減速器主要零部件及減速器系統(tǒng)的前十階模態(tài)及振型,為進(jìn)行振動(dòng)故障分析提供數(shù)據(jù)。
      (4)進(jìn)行故障智能診斷系統(tǒng)的整體集成,獨(dú)立開發(fā)智能診斷推理機(jī)平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的接口程序(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接庫DLL),完成故障特征信號(hào)的提取與轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。建立網(wǎng)絡(luò)化、智能化旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)。
      (5)分析雙環(huán)減速器的振動(dòng)特性,討論雙環(huán)減速器產(chǎn)生故障的主要原因及故障主要類型,分析雙環(huán)減速器的故障特征、故障模式,用圖形化的故障智能診斷平臺(tái),建立雙環(huán)減速器的故障診斷專家知識(shí)庫。
      (6)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行不同工況下的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲動(dòng)態(tài)測(cè)試,同時(shí)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的故障振動(dòng)測(cè)試,采集減速器的振動(dòng)信號(hào),并對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析。用“網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)”對(duì)樣機(jī)進(jìn)行偏心軸彎曲及環(huán)板齒形誤差故障的在線診斷測(cè)試,驗(yàn)證雙環(huán)減速器故障推理專家知識(shí)的正確性。
      本文在以下幾個(gè)方面取得了創(chuàng)新性成果:
      1)設(shè)計(jì)、研制了新型結(jié)構(gòu)的雙環(huán)減速器,該新結(jié)構(gòu)形式獲國家實(shí)用新型專利(專利號(hào)為:ZL01 2 47113.5);
      2)在進(jìn)行故障智能診斷系統(tǒng)的整體集成的基礎(chǔ)上,獨(dú)立開發(fā)了智能診斷推理機(jī)與數(shù)據(jù)引擎之間的接口程序(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接庫DLL),完成了故障特征信號(hào)的提取與轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了故障信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。建立了網(wǎng)絡(luò)化、智能化旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng);
      3)首次在分析一般減速器故障特征的基礎(chǔ)上,分析了雙環(huán)減速器的故障特點(diǎn)及故障特征形式,進(jìn)行了雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲測(cè)試分析;
      4)首次用圖形化的故障智能診斷平臺(tái),進(jìn)行了雙環(huán)減速器網(wǎng)絡(luò)化、智能化在線故障診斷。

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