装甲车辆传动箱齿轮健康监测与诊断方法

吴　斌,邱　健,邹志强

(解放军陆军军官学院，合肥　230031)



装甲车辆传动箱齿轮健康监测与诊断方法

吴斌,邱健,邹志强

(解放军陆军军官学院，合肥230031)

摘要：装甲车辆传动装置是装甲车辆关键组成部分之一，对车辆机动性能的发挥具有重要作用。机械传动是装甲车辆传动装置构成的基本样式，其中以齿轮传动为主。针对装甲车辆服役条件下的关键零部件健康监测与故障诊断难题，以传动箱齿轮为研究对象，探索利用加速度传感器在线长期监测振动信号以进行装甲车辆旋转件(齿轮、轴、轴承等)状态评估和诊断的可行性。采用有限元分析对正常、点蚀、裂纹和断齿4种状态下的齿轮进行了模态分析，在齿轮箱模拟试验平台上进行了振动信号的采集与处理，对比分析了正常与断齿条件下的振动信号频谱。结果表明：齿轮损伤会引起其固有频率下降，随损伤加剧，固有频率降幅增大。因此，齿轮固有频率随其状态变化而变化，可作为损伤指标；振动信号频谱分析，特别是边频带结构特征，有助于实现齿轮故障诊断。

关键词：装甲车辆；传动箱；模态分析；健康监测；故障诊断

Citation format:WU Bin, QIU Jian, ZOU Zhi-qiang.Armored Vehicle Transmission Gear Box Health Monitoring and Diagnosis Methods[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):54-58.

坦克装甲车辆泛指具有装甲防护的军用车辆，是用于地面突击与反突击的陆军主战武器装备，其总体性能包括火力性能、机动性能、防护性能、观察通信和电子信息性能、可靠性与维修保障性能，以及经济性能、电气性能和环境适应性能等，其中，火力、机动和防护三者的结合和统一构成了坦克装甲车辆的基本特征。为实现这些性能，坦克装甲车辆相应由武器系统、推进系统、防护系统、通信系统、电气系统以及其他特种设备和装置等组成。

坦克装甲车辆在实际使用中的环境条件非常复杂，可能遇到的地形和气候条件多种多样。例如，平原、高原、沙漠戈壁地区，常温、寒冷、严寒或高温气候，公路、砂石路、乡村土路、起伏地、无道路等行驶条件。高速、高低温、大负荷、强烈振动冲击环境，对车辆底盘的可靠性和维修性提出了更高要求。文献[1]指出，在俄罗斯“坦克两项-2014”竞赛中，我军96A主战坦克表现出优越的火力打击性能，但同时也暴露出动力性能和可靠性等方面的问题。在12天的高强度比赛中，参赛的4辆96A总共发生故障20多起，其中包括由履带断裂、履带脱出、发动机过热以及火控系统死机引起的4次严重故障。96A在“坦克两项”中暴露出的“短板”——可靠性和可维护性问题，已经成为制约战斗力提升的决定因素，值得反思并亟待解决。

故障诊断和可靠性研究是坦克装甲车辆研究中至关重要的工作。故障诊断是装备可靠性、维修性、保障性研究的重要工作之一。坦克装甲车辆是涉及机械、电子、控制、信息等技术的复杂机电系统，工作环境恶劣，系统结构复杂，影响因素众多，信息不确定性强，从而大大增加了系统故障诊断难度。正确的故障诊断，对于指导装备的维修和保障策略，避免盲目拆卸装备带来的不必要损伤以及缩短故障鉴定时间等方面，具有重要的意义。

机动性是坦克装甲车辆的主要性能之一，通常是指车辆在战斗全重状态下，在一定环境中进行指定运动的可能性和行驶的快速性，由车辆的推进系统实现。动力、传动、操纵和行动4种装置组成了坦克装甲车辆的推进系统，它们安装在装甲车体上，形成一个整体，通称底盘。底盘是坦克装甲车辆的基础，具有独立行驶功能，是机动武器平台。底盘零部件多，结构复杂，服役环境恶劣，载荷多变，因此故障率高，成为车辆故障诊断的重点和难点。文献[2]中对4种装甲车辆的故障数据统计结果表明，动力、传动、操纵和行动装置合计故障次数占整车故障总数的51.21%。底盘机械部分总体上讲由运动件和非运动件组成，前者分两类，一类是往复(直线)运动件，如柴油机活塞，另一类为旋转件，如齿轮、轴、轴承等；后者通常是指梁、杆、板、壳等。因此，对坦克装甲车辆整车结构健康监测与诊断最终分解为对各个零部件(运动件和非运动件)的健康监测与诊断。

传动系统是坦克装甲车辆的关键组成部分，对车辆机动性能的发挥具有重要作用。按传动方式，传动装置类型可分为机械传动、液力机械传动、液压机械传动和机电复合传动/电传动等类型。机械传动包括定轴式机械传动和行星式机械传动，采用前者的有中国59式、苏联T-62式坦克，苏联T-72坦克则采用了后者。液力机械传动已成为当前地面机动平台的主流传动技术，德国“豹2”、法国“勒克莱尔”、美国M1/M1A1、英国“挑战者”等主战坦克的传动装置均已采用。美国M2步兵战车和M3装甲侦察车、日本10式主战坦克都采用了液压机械复合无级传动装置。机电复合集成了机械传动和电传动两者的优点，是传动装置最重要的发展方向，美国、德国、英国等均已开展相关技术研究并取得了实质性进展。综观坦克装甲车辆传动技术近百年发展历程，无论传动装置类型如何衍变，机械传动因其高效率的优点始终是传动技术发展的基础。

齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式。它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长。以某型坦克为例(图1)，其传动装置由传动箱、主离合器、变速箱、行星转向机构和侧减速器组成。由图中可看出，齿轮传动是整个传动链的重要组成部分，起着不可或缺的作用。齿轮是传递动力和旋转运动的关键部件，在高速、重载、冲击等恶劣环境条件下工作，齿轮易产生齿面磨损、点蚀、胶合以及齿轮断齿等故障形式，从而诱发部件乃至整台装备工作不正常，甚至引起灾难性事故。因此，若能准确及时识别齿轮运行过程中萌生和演变的故障，对装备安全服役，避免重大和灾难性事故意义重大。

振动分析是一种广泛采用的机械设备状态监测和故障诊断手段，振动信号的幅值、频率、相位信息作为故障特征的载体，其准确提取是故障诊断的核心问题，国内外许多学者针对不同工况下的齿轮振动进行了大量的研究[3-12]。本文以某型坦克传动箱中齿轮作为装甲车辆旋转件的代表，应用有限元分析和实验室齿轮箱模拟传动试验，利用加速度传感器在齿轮箱箱体上检测振动信号，探索准确识别齿轮损伤故障的有效手段，为坦克装甲车辆服役过程中关键零部件的健康监测和故障预测奠定基础。

图1　某型坦克传动系统示意图

1齿轮损伤特征有限元分析

1.1建模与加载

利用SolidWorks软件中的GearTrax生成正常、点蚀、裂纹和断齿4种不同状态的齿轮模型，如图2所示，几何参数设置如图3所示。点蚀、裂纹和断齿的损伤参数如表1所示。

图2　齿轮模型

图3　齿轮特征参数设置

损伤名称形式个数位置特征参数点蚀凹坑3轮齿节线处1mm、3mm、5mm小坑各1个,深1mm裂纹横向1齿根处长40mm、宽1mm、深5mm断齿整齿1任一齿齿轮上任一齿从齿根部折断

某型坦克齿轮材料为45#钢，分析中材料参数设为密度ρ=7 850 kg/m3、弹性模量E=206 GPa、泊松比μ=0.3。采用Solid类8nodes185单元类型进行自由网格划分，其生成网格单元54 478个、节点12 038个。齿轮在啮合运动时，沿径向作圆周运动，其边界条件可设置为轴端节点径向约束、切向自由，将所受载荷转化为沿运动切向的等效节点力均匀施加在轮齿表面节点上。图4所示为正常齿轮的有限元模型网格划分和加载，其他3种状态齿轮的处理与此类似，区别在于对损伤处网格划分进行了加密处理。

图4　网格划分与加载

1.2模态分析

表2列出了正常、点蚀、裂纹和断齿4种状态下的前十阶振型。由计算结果可知：① 各种状态下的齿轮的前三阶振型均较小，差异不明显；② 随着阶数的增加，损伤的影响越来越明显；③ 点蚀和裂纹对整个齿轮的振型影响不大，但对损伤部位的局部振型影响较大；④ 断齿对整个齿轮的振型影响较大，特别是断齿部位的振型明显增大。图5给出了齿轮固有频率与模态阶数对应关系的理论值和有限元计算值，结果表明二者吻合较好(图5中符号含义：N表示正常、P表示点蚀、C表示裂纹、B表示断齿，F表示有限元分析、T表示理论计算)。

图6所示为不同齿轮状态下，不同损伤齿轮的各阶固有频率与正常齿轮相应值比较后的变化量，变化量Δf=fD-f0，fD，f0分别为损伤齿轮和正常齿轮的固有频率。由图6可知，点蚀、裂纹和断齿3种情况下各阶固有频率的变化量为负值，即有损伤时，齿轮的固有频率随之减小，损伤越严重，变化量越大；随着模态阶数的增加，变化量增大。

表24种状态下齿轮前十阶振型

图5　齿轮固有频率理论值和有限元计算值比较

图6　不同损伤状态下齿轮固有频率变化量

2振动实验

2.1试验设计

根据某型坦克传动箱为二级定轴传动，包括主动齿轮(输入轴)、中间齿轮(中间轴)和从动齿轮(输入轴)，搭建了齿轮箱模拟试验平台，其组成如图7(a)示意，图7(b)所示为实际齿轮箱实验系统部分实物图。该实验系统由变频器、三相异步电机、弹性联轴器、二级定轴齿轮箱、磁粉制动器(或负载)以及动态信号采集与分析系统等组成。

变频器输出频率在0～50 Hz之间无级连续调节，从而控制电机转速在0～1 400 r/min内变化。电机轴通过弹性联轴器与齿轮箱输入轴相连，齿轮箱输出轴与磁粉制动器(或负载)相连。齿轮箱4个齿轮齿数依次为Z1=30、Z2=69、Z3=18、Z4=81，传动比10.35。在与输入轴和输出轴轴承座相对应的箱体外壁上各安装1个DH131E型压电式加速度传感器，采用东华测试技术有限公司的DH5922N动态信号测试分析系统进行数据的采集与分析。

2.2试验结果与分析

因输入轴转速高，齿轮Z1齿数较少，在啮合过程中受冲击后易发生损伤。因此，实验前在齿轮Z1上分别人为制造了点蚀、裂纹和断齿等损伤形式，并准备了8根输入轴总成，每种齿轮状态下分别准备2根，进行重复性试验。变频器频率先后调节为10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz和50 Hz。本文以20 Hz为例，对比分析了正常和断齿两种状态下的振动信号。该实验条件下的齿轮箱特征频率计算结果见表3所示。

图7　齿轮箱振动实验系统

特征频率1×2×3×4×输入轴转频9.33333318.666672837.33333中间轴转频4.0579718.11594212.1739116.23188输出轴转频2.0740744.1481486.2222228.296296Z1Z2啮合频率2805608401120Z3Z4啮合频率168336504672

图8(a)所示为齿轮正常状态下，通过加速度传感器1和2分别测得的振动信号的Fourier频谱。由其中可看出，当频率为20 Hz(此时电机轴转速560 r/min)，齿轮箱正常运转时，输入轴和输出轴处箱体外壁的振动频谱具有相似的特征，在轴的转频和高次谐频处出现峰值，例如，最大峰值出现在输入轴的转频f1=9.333 Hz四倍频率37.333 Hz处。在输入轴的转频f1=9.333 Hz处出现了第二高峰值，第三高峰值出现在输入轴的八倍转频74.667 Hz处。在完好齿轮的正常啮合运动条件下，各个峰值的幅值均很小，最大的峰值也只有0.007，其余的峰值更小。图8(b)所示为断齿条件下测得的输入轴处振动响应的频谱图。与图8(a)对比可以看出，图8(b)中各处峰值明显增大很多，最大峰值是图8(a)中最大峰值的3倍。在断齿齿轮的1阶啮合频率280 Hz附近、2阶啮合频率560 Hz附近、3阶啮合频率840 Hz附近出现了明显的边频带，调制频率为断齿齿轮所在的输入轴的转频f1=9.333 Hz及高次谐波。齿轮在断齿条件下啮合运动，产生的瞬态冲击能量大，可以激起齿轮的固有频率，从而产生固有频率调制现象。在图8(b)中可以看到，在断齿齿轮的1阶固有频率776.60Hz附近也出现了边频带，调制频率同样为断齿齿轮所在的输入轴的转频f1=9.333 Hz。图9所示为试验结束后，拆开箱体展示的输入轴主动齿轮Z1断齿损伤现象。

图8　齿轮振动信号频谱分析

图9　输入轴主动齿轮Z1断齿故障

3结论

以坦克装甲车辆传动箱齿轮作为典型的旋转件，采用有限元分析，对正常、点蚀、裂纹和断齿4种状态条件下的齿轮进行了模态分析；搭建了齿轮箱模拟试验平台，预设了点蚀、裂纹和断齿等损伤形式，重点比较了齿轮完好和断齿两种试验条件下的振动测试分析结果。可得出如下结论：

1) 随损伤增加，各阶模态的频率逐渐减小；阶次越高，损伤造成的频率损失越明显。

2) 齿轮断齿和完好条件下的振动频谱具有明显区别，除幅值有明显增加外，根据边频带结构分析可准确诊断齿轮损伤。

3) 断齿条件下齿轮啮合时，冲击能量足以激起固有频率产生调制现象，为故障诊断提供了依据。

参考文献：

[1]子迟.从“出身”看短板——谈谈96A坦克在“坦克两项”中暴露的短板[J].坦克装甲车辆,2014(10):10-14.

[2]冯辅周,安钢,刘建敏.军用车辆故障诊断学[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3]OMAR D.MOHAMMED,MATTI R,AIDANP J O.Dynamic modelling of a one-stage spur gear system and vibration-based tooth crack detection analysis[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2015(54-55):293-305.

[4]HUI M,XU P,FENG R J,et al.Fault features analysis of cracked gear considering the effects of the extended tooth contact[J].Engineering Failure Analysis,2015(48):105-120.

[5]CHEN J L,ZHANG C L,ZHANG X Y,et al.Planetary gearbox condition monitoring of ship-based satellite communication antennas using ensemble multiwavelet analysis method[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2015(54/55):277-292.

[6]FAN W,CAI G G,ZHU Z K,et al.Sparse representation of transients in wavelet basis and its application in gearbox fault feature extraction[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2015(56/57):230-245.

[7]LIANG X H,ZUO M J,HOSENI M R.Vibration signal modeling of a planetary gear set for tooth crack detection[J].Engineering Failure Analysis,2015(48):185-200.

[8]LIU H,JASPREET SINGH DHUPIA.A time domain approach to diagnose gearbox fault based on measured vibration signals[J].Journal of Sound and Vibration,2014(333):2164-2180.

[9]LEI YAGUO,LIN JING,ZUO M J,et al.Condition monitoring and fault diagnosis of planetary gearboxes:A review.Measurement,2014(48):292-305.

[10]FENG Z P,LIANG M.Fault diagnosis of wind turbine planetary gearbox under nonstationary conditions via adaptive optimal kernel time-frequency analysis[J].Renewable Energy,2014(66):468-477.

[11]SAWALHI N,ROBERT B R.Gear parameter identification in a wind turbine gearbox using vibration signals[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2014(42):368-376.

(责任编辑唐定国)

Armored Vehicle Transmission Gear Box Health Monitoring and Diagnosis Methods

WU Bin, QIU Jian, ZOU Zhi-qiang

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China)

Abstract:Transmission system is one of the key components of an armored vehicle, which plays an important role in its mobility. Mechanical transmission is the basic type of vehicle’s transmissions with gear transmission being the prominent transmission type. In order to solve the difficult problem of health monitoring and fault diagnosis of key components in armored vehicles, the feasibility of condition evaluation and diagnosis of vehicle’s rotary components (gear, shaft, bearing, etc.) were discussed under the service condition based on the vibration signals obtained from the gearbox by using accelerometer. FEA method was adopted to perform modal analysis for gears with four types of condition of normal, pitting, crack and broken tooth. Vibration signals were monitored and analyzed on a simulated gearbox test rig. Vibration spectrum of normal gear was compared with that of gear having one broken tooth. The results indicate that gear damage leads to reduction in its natural frequency and the worse the damage, the larger the reduction. Therefore, natural frequency changes with the gear condition and is able to be chosen as a damage index. Gear fault diagnosis is easily realized according to the vibration spectrum, especially the sidebands.

Key words:armored vehicle; gearbox; modal analysis; health monitoring; fault diagnosis

文章编号：1006-0707(2016)03-0054-05

中图分类号：TH17;TJ8

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.014

作者简介：吴斌(1971—)，男，博士，副教授，主要从事武器装备健康监测与故障诊断研究。

基金项目：装备预研基金项目(9140A27020313JB91395)

收稿日期：2915-10-07；修回日期：2015-10-25

本文引用格式：吴斌,邱健,邹志强.装甲车辆传动箱齿轮健康监测与诊断方法[J].兵器装备工程学报，2016(3):54-58.

【后勤保障与装备管理】