行星变速箱故障模拟试验台设计及故障特征提取

丁 闯， 张兵志， 冯辅周 ， 陈向前

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 北京特种车辆研究所， 北京 100072)

行星变速箱故障模拟试验台设计及故障特征提取

丁 闯1， 张兵志2， 冯辅周1， 陈向前1

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 北京特种车辆研究所， 北京 100072)

针对复杂行星齿轮变速箱故障诊断问题，设计了一种某型装甲车辆行星变速箱故障模拟试验台，并选择不同状态下的振动信号进行了故障特征提取。首先，简要介绍了PGB-A行星变速箱的结构和工作原理；其次，设计了该行星变速箱的故障模拟试验台和增速箱，设置了机械和液压故障并布置了测试传感器；最后，利用数据采集系统对该行星变速箱的各状态信号进行了采集，并应用排列熵算法对采集到的数据进行了故障特征提取。结果表明：该故障模拟试验台能够完成多种故障状态的试验，为复杂行星变速箱的故障诊断提供了数据支撑，且所提故障特征提取方法能够很好地检测故障。

行星变速箱； 故障模拟试验台； 数据采集； 特征提取

行星传动具有重量轻、体积小、传动比大、承载能力强和传动效率高等诸多优点，已被广泛地应用于作战飞机、舰船、装甲车辆、自行火炮及风力发电和工程机械等军用装备和民用装备中[1-2]。某型装甲车辆变速箱采用的2自由度行星变速箱(PGB-A)为多挡位行星变速箱，同时具有机械传动系统和液压控制系统，结构复杂。在实际使用过程中，由于需要承受重载负荷及应对复杂多变的运行工况，变速箱各行星排中的太阳轮、行星轮、齿圈和液压控制的离合器和制动器等关键部件容易出现故障[3-4]。若故障不能及时发现并排除，将严重影响装备的机动性能，导致其战斗力下降，此外，还将造成变速箱的二次损伤，使维修费用大幅提高[5]，因此研究行星变速箱的故障诊断具有重要意义。国内外专家对行星齿轮箱进行了大量的研究，但主要以单级和仅有一个传动比的两级行星齿轮传动为主，对具有多个自由度、多个传动比的行星变速箱研究较少[6-7]。为解决上述问题，需要采集多个运行参数，但直接从实车上采集参数难度较大，且经济成本较高，安全没有保证，因此需要设计一套安全、经济且能全面地模拟行星变速箱机械和液压故障的试验台。

基于此，笔者在分析PGB-A行星变速箱的结构和工作原理的基础上，设计此行星变速箱的故障模拟试验台，然后设置其齿轮故障和液压故障，并使用数据采集系统对其运行参数进行采集，最后对采集的数据进行故障特征提取，以实现此行星变速箱的异常检测。

1 行星变速箱工作原理

PGB-A行星变速箱由齿轮传动系统和液压控制系统2部分组成，齿轮传动依靠3个行星排、2个离合器和3个制动器完成，通过液压系统控制液压缸来完成离合器和制动器的结合和分离，以实现动力沿不同路径传递，致使啮合齿轮发生改变，从而改变传动比。图1为行星变速箱在1挡时的工作原理，其涉及K1和K2行星排。由图1可知：动力由输入齿轮输入，并由与输出轴相连的行星架H1输出；当行星变速箱处于1挡时，由于离合器Φ3和制动器Φ4的结合，齿圈3和太阳轮4合为一个整体，并同时与行星变速箱壳体固定。K1和K2行星排的齿轮齿数如表1所示。

图1 行星变速箱1挡时工作原理

表1 K1和K2行星排的齿轮齿数

设输入轴(即太阳轮1)的转速为

ni=n1，

(1)

由于齿圈3和太阳轮4固定，行星架H2(即齿圈6)和行星架H1(即输出轴)的转速分别为

(2)

(3)

联立式(1)-(3)可得1挡传动比为

(4)

同理，可求出各挡位的传动比如表2所示。

表2 PGB-A行星变速箱各挡位的传动比

2 故障模拟试验台

2.1 总体设计方案

根据行星变速箱的工作原理，设计了行星变速箱故障模拟试验台，其工作原理如图2所示。其中：动力源为电动机；采用90°换向传动箱，以避免驱动电机和同侧的加载测功机出现位置干涉；采用两侧风冷式测功机进行加载，模拟车辆行驶过程中的阻力；2个增速箱用于调节行星变速箱和负载测功机间的特性，增加加载扭矩，提高加载功率；使用离合器实现驱动电机运转情况下换挡；液压站主要完成行星变速箱的润滑和分配机构的供油和放油，从而实现换挡[8]。

图2 行星变速箱故障模拟试验台工作原理

由于行星变速箱在运行过程中其主泵和回油泵存在能量消耗，加之运转过程中各处摩擦及安装误差，使得变速箱在正常运转时需要额外消耗能量为PS=20kW。电动机额定转速为n=1 500r/min，当小于额定转速运转时以恒扭矩700.3N·m输出，当大于额定转速运转时以恒功率P=110kW输出。因此,选择电动机额定功率为P=110kW。

测功机的额定转速为750r/min，在小于额定转速加载时以恒扭矩700.3N·m加载，在大于额定转速加载时以恒功率55kW加载。因此，为保证存在加载余量，选择测功机的额定功率为55kW。

2.2 增速箱的选择

若不采用增速箱，而直接使用测功机进行加载，行星变速箱处于1挡时，其传动比i1=6.525。当电动机输出转速ni=1 500r/min平稳运转时，此时行星变速箱输出转速为

(5)

行星变速箱最大输出扭矩为

(6)

根据测功机的特性，此转速下测功机的最大加载扭矩为

TL1_max=700.3(N·m)。

(7)

同理，在各挡位时行星变速箱最大输出转速no_max与最大输出扭矩To_max和测功机的最大加载扭矩TL_max如表3所示。

表3 行星变速箱no_max与To_max和测功机TL_max

由表3可知：当行星变速箱为1-3挡时，测功机的最大加载扭矩小于行星变速箱的最大输出扭矩，加载扭矩过小；当行星变速箱为4-5挡时，测功机的最大加载扭矩大于行星变速箱的最大输出扭矩，测功机能够满足加载需求。为了增加低转速时测功机的加载扭矩，设计增速箱调整其加载特性，根据行星变速箱1挡时的输出扭矩和加载扭矩的大小，设计增速箱2个传动比，分别为1∶3和1∶1。增加增速箱后测功机的加载扭矩如表4所示。

表4 增加增速箱后测功机的加载扭矩

由表4可知：在设计增速箱后，行星变速箱在任何挡位时的测功机加载扭矩均大于其输出扭矩，满足了加载需求。

3 故障设置

PGB-A行星变速箱由机械部分和液压系统组成。在实际运行过程中，常常出现齿轮故障和液压缸密封垫故障，而任何一部分的零部件出现故障都将可能影响整个行星变速箱的运行，因此研究行星变速箱的机械和液压故障响应规律意义重大。

3.1 齿轮故障设置

齿轮故障可分为轮体故障和轮齿故障2大类，由于实际中轮体故障很少发生，因此齿轮故障通常指轮齿故障。其中，点蚀、裂纹、磨损和断齿是轮齿故障的常见类型[9]，齿轮典型故障形式如图3所示。

图3 齿轮典型故障形式

本试验装置分别设计行星变速箱中3个行星排的太阳轮、行星轮和齿圈等9个部件，每个部件设置4种形式的故障，共36种故障形式，此外增加1种正常状态，共设计37种机械运行状态。本文以K2行星排正常、太阳轮裂纹和行星轮裂纹3种状态为例进行特征提取。

3.2 液压故障设置

液压系统通过控制行星变速箱各行星排的啮合情况，改变变速箱的传动比，进而实现行星变速箱换挡，因此液压系统的故障将影响整个行星变速箱的正常运转。此外，由于换挡频繁，液压缸的密封垫容易损坏，造成各液压缸的泄漏，进而使液压缸推力不足，离合器和制动器结合力变小。当行星变速箱大负荷运行时，离合器和制动器的结合力不足，致使摩擦片之间产生滑动，摩擦片温度迅速提高，引起严重磨损甚至烧结，致使内外摩擦片不能正常分离，最终导致变速箱工作时挡位混乱，动力不能正常输出，并使与其相配合及关联的零件有很大程度的损坏。

本试验台设置密封垫存在疲劳裂纹故障，通过检测液压系统各通道的液压变化，寻求故障与液压之间的关系。

4 数据采集

对行星变速箱进行故障诊断时，应选取最能反映变速箱状态特征的信号，振动信号可准确反映行星变速箱的机械运行状况，且振动信号分析技术也较为成熟，已在机械设备故障诊断中得到广泛应用。同时，行星变速箱转速影响各啮合频率和特征频率，测功机传递的扭矩又影响振动信号的幅值及状态特征。因此，对于机械故障，本试验主要测试振动加速度、转速和扭矩3种信号。

转速和扭矩通过转速扭矩仪测试，安装位置为行星变速箱的1个输入端和2个输出端。振动加速度传感器的安装位置示意图如图4所示，其中：在制动器Φ1、Φ5、Φ4的位置及输出轴两端轴承支撑处各安装1个三向振动加速度传感器，编号分别为A1-A5。其中：径向方向为X方向；轴向方向为Y方向；垂直方向为Z方向。

图4 振动加速度传感器的安装位置示意图

压力信号能够准确反映行星变速箱的液压系统运行状况，因此对变速箱的液压系统压力和各液压缸压力信号进行采集，主要在液压油主泵出口和分配机构的5个测压孔安装液压传感器。

使用NI采集卡对上述信号进行采集，设置采样频率为5 120Hz，采集行星变速箱不同健康状况、挡位、转速及扭矩下的数据样本，以期为行星变速箱的故障特征提取及故障诊断提供可靠的数据支撑。

5 故障特征提取

5.1 试验台数据

故障特征的提取对后期的故障诊断及模式识别至关重要。采集1挡时K2行星排正常、太阳轮1裂纹和行星轮2裂纹3种状态的数据，故障源位置如图4中的标示。由于振动加速度传感器A3的位置距离故障源最近，更能反映此处故障特征，因此选择A3的振动信号数据进行分析。其他参数为：电动机转速1 500r/min，测功机加载扭矩1 800N·m，采样频率5 120Hz，采样时间1s。正常信号、太阳轮1裂纹及行星轮2裂纹故障时域和频域波形分别如图5-7所示。

由图5-7的时域波形可得：在太阳轮1和行星轮2出现裂纹故障后，振幅有所增大并含有冲击，不能诊断出是否异常。由图5-7的频域波形可得：信号中含有明显的噪声成分，出现了“频率模糊”现象，边频带集中在啮合频率和二倍频附近，有不对称分布，且在啮合频率和倍频附近，频率较复杂，并不能诊断其是否异常。密封垫疲劳裂纹故障的判定原理较为简单，当压力低于正常值时，说明密封垫出现了故障。

图5 正常状态下时域和频域波形

图6 太阳轮1裂纹时域和频域波形

图7 行星轮2裂纹时域和频域波形

5.2 排列熵计算

排列熵是用于衡量一维时间序列复杂度的平均熵参数，其对信号变化具有很高的敏感性，能够有效放大系统的微变信号，同时可很好地检测复杂系统的动力学突变[10-11]，其具有计算过程简单、抗噪声能力强等特点[12]。因此，使用该方法处理行星变速箱产生的非线性、非平稳性振动信号具有较好的检测效果。

排列熵算法的计算步骤为：首先对采集到的数据数列进行相空间重构，然后对重构分量按升序排列，计算每一种排序出现的概率，从而计算其排列熵。排列熵的具体计算步骤参考文献[13]，排列熵的定义为

(8)

式中：pi为第i种排序出现的概率，其中i=1,2,…,k。Hp值反映了时间序列的不确定程度:Hp的值越小，说明时间序列越确定;反之，时间序列的不确定性越大。Hp的变化反映了时间序列的微小细节变化。

使用排列熵算法分别计算正常、太阳轮1裂纹和行星轮2裂纹3种状态下各100个数据样本的排列熵值，如图8所示，每个样本序列长度L=5120。由图8可知：太阳轮1裂纹和行星轮2裂纹故障信号的排列熵小于正常信号的排列熵。其原因是：当齿轮正常工作时，各齿轮啮合产生的冲击信号的差别是随机的，主要由齿面加工误差产生的表面不平度、波动度和齿形误差造成，故而能量分布的随机性强，不确定程度大，排列熵值大；当太阳轮1齿轮某个轮齿出现裂纹时，此轮齿刚度降低，齿轮在此轮齿啮合时将产生比其他轮齿更大的冲击，且此啮合信号产生的冲击更具有确定性，所以排列熵值小。因此，排列熵可作为诊断行星齿轮箱运行时齿轮是否异常的特征，为以后的故障诊断和模式识别提供基础。

图8 各样本的排列熵值

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(责任编辑: 尚菲菲)

Design of Fault Simulation Experimental Platform for Planetary Gearbox and Fault Feature Extraction

DING Chuang1, ZHANG Bing-zhi2, FENG Fu-zhou1, CHEN Xiang-qian1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 2. Beijing Special Vehicle Institute,Beijing 100072, China)

Aiming at the problem of fault diagnosis of complex planetary gearbox, fault simulation experimental platform for planetary gearbox of some type of armored vehicles is designed and vibration signs feature in different conditions are extracted. Firstly, the structure and the operating principle of the planetary gearbox are introduced. Secondly, the fault simulation experimental platform and the step-up box for the transmission are designed, mechanical and hydraulic faults are set, sensors are deployed, and working signs in different conditions of planetary gearbox are monitored by data acquisition system, which provides the basis for fault diagnosis of planetary gearbox. Finally, permutation entropy of vibration signs collected is computed as fault feature extracted. The results indicate that many conditions test are to be completed by the fault simulation experimental platform for planetary gearbox, and data is acquired for fault diagnosis, and fault feature extraction method proposed is effective for fault diagnosis of planetary gearbox

planetary gearbox; fault simulation experimental platform; data acquisition; feature extraction

2016-07-13

军队科研计划项目

丁 闯(1989-)，男，博士研究生。

TH132.425; TP206+.3

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.009

1672-1497(2016)06-0045-05