雙環(huán)減速器運(yùn)動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)計理論
重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(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)項目《機(jī)械／流體傳動的節(jié)能及新型傳動方式的基礎(chǔ)性研究》（項目編號：59835040）中的子課題《高效多流傳動系統(tǒng)的設(shè)計理論和方法的研究》以及國家十五高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目(網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)》（項目編號：2001 AA423200）。
平行動軸少齒差傳動是我國獨(dú)創(chuàng)的一種新型傳動，其傳動原理為行星輪不是作擺線運(yùn)動，而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動，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)。該傳動形式與現(xiàn)有各種主要齒輪傳動形式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、傳動比大、傳動效率高、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)域具有其它傳動無法代替的優(yōu)勢，近年來年產(chǎn)值已達(dá)數(shù)億元，具有廣闊的應(yīng)用前景。但該傳動在高速重載情況下振動和噪聲大、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)外開展該傳動研究主要集中在其傳動機(jī)理、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析及振動噪聲測試方面，對其整個傳動系統(tǒng)耦合非線性振動噪聲分析和發(fā)熱機(jī)理及設(shè)計階段對產(chǎn)品的振動噪聲預(yù)估等方面研究很少。對于雙環(huán)減速器，由于行星輪不是作擺線運(yùn)動，而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動，在不同位置行星輪嚙合齒對數(shù)不同，導(dǎo)致載荷分配不均。同時由于輪齒剛度的時變特性、齒輪嚙合時的嚙入和嚙出沖擊、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)作圓周平動引起的不平衡擺動力和擺動力矩的影響，使齒輪在工作中將產(chǎn)生內(nèi)部激勵，而外載波動又使傳動系統(tǒng)受到外部的激勵。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)已從原來的基于時間的維修策略發(fā)展到近十幾年的基于狀態(tài)的預(yù)測性維修策略，對于系統(tǒng)在線監(jiān)視的要求越來越高。隨著計算機(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，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，對雙環(huán)減速器進(jìn)行故障智能診斷預(yù)報并迅速處理，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，對齒輪傳動裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來越高的要求。在常見的齒輪傳動裝置中，普通的定軸圓柱齒輪傳動傳動比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重；普通圓柱蝸桿傳動效率較低；而行星齒輪傳動由于具有傳動比大、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是行星齒輪傳動中的一種，它由一個外齒輪與一個內(nèi)齒輪組成一對內(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。少齒差傳動的類型很多，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，由于其中的一個齒輪采用針輪的形式，故亦稱擺線針輪行星齒輪傳動；30 年代后期日本人開始研制并試生產(chǎn)該行星齒輪傳動裝置，但由于當(dāng)時工藝條件落后，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)了這種傳動的發(fā)展。近幾十年來，擺線少齒差傳動已發(fā)展成為少齒差傳動中應(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結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星齒輪傳動由于其主要傳動零件采用軸承鋼并經(jīng)過磨削加工，傳動時又是多齒嚙合，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。漸開線少齒差傳動的原理與擺線少齒差傳動基本相同，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)一齒差傳動的幾何計算問題；到60年代隨著電子計算機(jī)的出現(xiàn)，漸開線少齒差傳動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、浮動盤式等多種傳動形式。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，但其傳動效率不如擺線少齒差傳動高。60 年代國外開始探討圓弧少齒差傳動，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形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動錐齒少齒差傳動、雙曲柄輸入式少齒差傳動及用彈性變形來傳遞運(yùn)動的諧波傳動。實(shí)踐證明，少齒差傳動與適用于相同工況的其它機(jī)械傳動形式相比，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：如體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大和傳動效率高等。
我國從50 年代就開始從事少齒差傳動的研究。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機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是當(dāng)輸人軸旋轉(zhuǎn)時，行星輪不是作擺線運(yùn)動（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。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時國內(nèi)外同行的高度評價。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報上發(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”一文，詳細(xì)闡述了漸開線少齒差傳動的原理和設(shè)計方法。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使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板為行星輪時，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，這種傳動不需專門的輸出機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動，結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、適用性強(qiáng)。但由于歷史原因，這種傳動直到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、自動控制等領(lǐng)域。1985年冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計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）傳動裝置”申請了國家發(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裝置，但是按其原理設(shè)計的減速器，在一根曲柄上安裝三個內(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，引起振動和噪聲。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一塊齒板上布置三個曲柄軸的內(nèi)齒行星傳動裝置，并申請了專利。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單齒板傳動不存在死點(diǎn)，但由于有三個曲柄軸，加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。1998年朱才朝對三環(huán)減速器進(jìn)行了振動控制的研究。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)均載的兩級三環(huán)減速機(jī)，并對其進(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)方法對三環(huán)傳動進(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、診斷和預(yù)報的技術(shù)研究，可靠性分析及耐久性評價。美國機(jī)械工程師學(xué)會（ASME ）領(lǐng)導(dǎo)下的鍋爐壓力容器監(jiān)測中心在應(yīng)用聲發(fā)射診斷技術(shù)（AE）對靜設(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)模地對飛機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，采用了飛行器計算機(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，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)測技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥B&K 公司的振動監(jiān)測診斷和聲發(fā)射監(jiān)測儀器等都各有千秋。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，他們密切注意世界性動向，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、計測自動控制、電氣和機(jī)械學(xué)會相繼設(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。
歐洲著名的國際測量學(xué)會(IMEKO）的第10專業(yè)委員會（TC-10 )，也就是技術(shù)診斷學(xué)委員會，每隔1年或2年召開一次國際學(xué)術(shù)會議，我國代表從它的第三屆國際會議開始參加，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》，這個條例有力地推動了我國設(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、紅外和鐵譜三個實(shí)驗(yàn)室。在振動監(jiān)測方面對燒結(jié)和高爐的風(fēng)機(jī)、制氧站的空壓機(jī)進(jìn)行了測試和分析，研制了ZJCY85 型風(fēng)機(jī)軸承在線監(jiān)測系統(tǒng)；在紅外和熱像方面對電氣設(shè)備進(jìn)行簡易診斷，對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175t脫錠吊車的油泵油液進(jìn)行鐵譜分析，為液壓泵、隨動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)測系統(tǒng)產(chǎn)650mm軋機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)，開發(fā)出軋鋼機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)列人國家“八五”重點(diǎn)科研成果推廣計劃；東北大學(xué)研制的風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)列人1995年國家重點(diǎn)科技成果推廣計劃。
石化總公司從20世紀(jì)70年代組織無損檢測到80年代開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，已投資600多萬元為其所屬企業(yè)裝備了各類監(jiān)測儀表1400多臺套，加強(qiáng)了對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動監(jiān)測及故障原因分析。采用輕便高效的探傷儀、測厚儀、內(nèi)窺鏡及聲發(fā)射技術(shù)，加強(qiáng)了對壓力容器的檢測，同時開展熱監(jiān)測工作，利用紅外熱像儀測定廠內(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)測定鍋爐爐管和汽包焊縫。
此外，機(jī)械行業(yè)在現(xiàn)場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)國際會議，中外學(xué)者和專家340多人參加了會議，會上交流了117篇論文。這次會議在加強(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，會議促成了東北地區(qū)機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)研究會在1986年9月正式成立，推動了各大型企業(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)研究會第一屆年會，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議和四次地區(qū)會議。
1987年5月中國振動工程學(xué)會故障診斷學(xué)會成立，至今己召開了六次全國會議，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，推動設(shè)備管理的改革和現(xiàn)代化，中國設(shè)備管理協(xié)會設(shè)備診斷工程委員會，召開了三次全國會議，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)會成立了失效分析工作委員會，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)會設(shè)備維修分會設(shè)備診斷技術(shù)委員會已召開了人次全國會議，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，誤工誤時較多較復(fù)雜的部件之一。
按檢測手段來分齒輪箱故障診斷方法有以下幾種：
a.振動檢測診斷法
以機(jī)器振動作為信息源，在機(jī)器運(yùn)行過程中，通過振動參數(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)與振動檢測診斷法是一致的，因?yàn)樵肼曋饕怯烧駝赢a(chǎn)生的。此法雖簡便，但易受環(huán)境噪聲影響，不如振動檢測診斷法準(zhǔn)確。
c.溫度檢測診斷法
以可觀測的機(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.時域分析法
應(yīng)用時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)計分析法
應(yīng)用概率統(tǒng)計模型及其有關(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.模式識別法
利用檢測信號，提取對工況狀態(tài)反應(yīng)敏感的特征量構(gòu)成模式矢量，設(shè)計合適的分類器，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，對齒輪故障各種診斷方法歸類分析，并對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) |
| 振 動 與 噪 聲 分 析 法 | 譜 分 析 | 功率譜 分析 | 研究應(yīng)用者 很多，理論比 較成熟 | 1）對大面積磨損點(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，對識別齒輪邊頻結(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)報道用于均布磨損等故障分析中； 2）故障特性不明顯，難以識別，試驗(yàn)結(jié)果亦不統(tǒng)一 |
| 倒譜 分析 | 研究應(yīng)用者 較多， | 1）對于識別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)很有效； 2）對傳遞路徑不敏感，有文獻(xiàn)報道曾用倒譜分析做定量診斷； 3）需專門儀器，信噪比不高時影響使用效果 |
| 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 ）識別非線性調(diào)制信號能力強(qiáng)； 4）計算量很大，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)時監(jiān)測 |
| 簡 單 時 域 分 析 | 低頻時 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 |
| 時域波 形的參 數(shù)分析 | 最早使用的 診斷方法， 現(xiàn)在用的不 多 | 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，易于計算機(jī)識別及控制，計算量小， 最好與其他方法配合使用 |
| 時 域 解 調(diào) 分 析 | 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)有對應(yīng)性，對局部嚴(yán)重故障識別有利； 2）要與時域平均等技術(shù)結(jié)合，否則包絡(luò)波形變化 大難以識別 |
| 相位解 調(diào)分析 | 研究應(yīng)用者 不多，有前途 | 1）有文獻(xiàn)報道用此法識別出了齒根裂紋； 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）利用了信號的相位信號分析頻率解悶，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 對應(yīng)性，是一一種較有發(fā)展前途的好方法 |
| 時 序 分 析 法 | 時間序列 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，易于計算機(jī)控制和計算； 3）采用一些參數(shù)分析，便于定量診斷； 4）對齒輪邊頻成分的識別無能為力，是其致命缺點(diǎn) |
| 其 他 分 析 法 | 鐵譜分 析，聲發(fā) 射技術(shù)， 溫度及能 耗監(jiān)測 | 研究者較多 | 1）油液分析對磨損、剝落等故障有效； 2）溫度及能耗監(jiān)測分析，方法粗糙，對振動量大的 磨損等嚴(yán)重故障有效； 3）聲發(fā)射技術(shù)識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、軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕九種典型故障的振動特征。
丁康認(rèn)為為了綜合利用典型故障的特征，必須采用對加速度和速度進(jìn)行兩時域（原始時域信號和包絡(luò)時域信號）特征值分析和三頻域（頻譜、細(xì)化譜、解調(diào)譜）分析的方法。由于振動信號的時域均方值反映了平均振動能量，時域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上反映出振動信號是否含有沖擊成分，而包絡(luò)時域均方值可直接反映出振動信號包絡(luò)大小，峰值、峭度和峰值指標(biāo)則可直接反映出振動沖擊信號的尖銳程度，所以在時域一般選用這四個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加速度信號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速度信號中各軸轉(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加速度信號中各軸轉(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。
王新晴對齒輪箱故障進(jìn)行了分類統(tǒng)計，指出了齒輪箱失效的定界原則，對齒輪箱故障特征的提取與自動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，提出了一個新的齒輪故障診斷方法。EMD方法基于信號的局部特征時間尺度，能把復(fù)雜的信號分解為有限的內(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。用該方法對齒輪故障振動信號進(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，突出齒輪故障振動信號的故障特征，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，在齒輪傳動系統(tǒng)中，一般齒輪傳動、行星傳動的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于雙環(huán)板式少齒差傳動，特別是對于雙環(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)減速器為研究對象，對雙環(huán)減速器的設(shè)計、運(yùn)動分析及故障診斷方法進(jìn)行了研究。以便對雙環(huán)減速器存在的問題（如動力不平衡、振動大、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：ZL89213292.2、ZL91230087.6、CN85106692.5、ZL93239404.3 )的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動特性，針對它們的不足，設(shè)計、研制一種新型的雙環(huán)減速器，并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，申請并獲得國家實(shí)用新型專利（專利號：ZL 01 2 06843.8）。
（2）考慮部分制造誤差及安裝的影響，對環(huán)板內(nèi)齒的嚙合傳動，分析各種誤差對其運(yùn)動的影響，建立考慮誤差的環(huán)板內(nèi)齒接觸有限元模型，針對不同的工況，進(jìn)行有限元接觸分析計算，討論各種誤差及載荷的變化對齒輪接觸齒對及載荷分配情況的影響，分析因載荷不均造成減速器振動的影響因素。
（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)平臺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的接口程序（動態(tài)數(shù)據(jù)連接庫DLL)，完成故障特征信號的提取與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)故障信號的網(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，建立雙環(huán)減速器的故障診斷專家知識庫。
（6）對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行不同工況下的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲動態(tài)測試，同時進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的故障振動測試，采集減速器的振動信號，并對故障信號進(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試，驗(yàn)證雙環(huán)減速器故障推理專家知識的正確性。
本文在以下幾個方面取得了創(chuàng)新性成果：
1）設(shè)計、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（動態(tài)數(shù)據(jù)連接庫DLL)，完成了故障特征信號的提取與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了故障信號的網(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)噪聲和空氣噪聲測試分析；
4）首次用圖形化的故障智能診斷平臺，進(jìn)行了雙環(huán)減速器網(wǎng)絡(luò)化、智能化在線故障診斷
