行星齿轮教学实验平台的设计和应用

李 峥，韩勤锴，孙 通，孙 力，褚福磊

（1. 清华大学 机械工程系，北京 100084；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；3. 上海科之锐人才咨询有限公司北京分公司，北京 100020；4. 北京石油化工学院 材料科学与工程学院，北京 102627）

行星齿轮传动系统由太阳轮、行星轮、内齿圈组成，传动特点是内齿圈固定在齿轮箱箱体，太阳轮带动行星轮转动，行星轮同时自传和公转，这就决定了其复杂的振动信号及传递路径，因此诊断其不同位置的故障具有一定的难度。而行星齿轮传动系统主要部件运行于低速重载，因此相对于输出端，齿轮啮合频率很低，采集到的信号常常是输出端信号，行星级的信号基本上都被淹没，因此上述行星齿轮传动系统的故障诊断及定位在科研和研究生教学中尤为重要[1-4]。

本文研发了一套行星齿轮实验教学平台，主要由三部分组成：①硬件系统，包括变频控制器、电机、扭矩传感器、行星齿轮箱、加载装置、加载控制器、底座；②测试系统，采用BBM噪声振动采集系统；③信号分析系统，利用 MATLAB软件建立数据分析程序。通过采集不同位置的故障信号进行对比分析，为今后的科研及教学工作打下坚实基础[5-6]。

1 教学实验平台简介

行星齿轮教学实验平台如图1所示。变频控制器调节电机转速，电机通过联轴器传递转矩到行星齿轮箱，磁粉制动器提供相应的不同负载，从而模拟实际行星齿轮箱的工作状况。在实验平台的搭建过程之中，需要注意轴系的对中。由于电机等仪器较重，基本采用起重机辅助粗调，之后在试验台上插入部分螺栓固定，然后精调对中，以保证各个轴之间利用联轴器精确对中。为了验证此设备的可靠性，利用线切割分别设计加工了一批故障程度相同的典型损伤零部件用于实验研究，按位置分别对应行星轮、内齿圈、太阳轮故障，如图2所示。

图1 行星齿轮教学实验平台

图2 典型损伤零部件

2 教学实验平台各种参数

行星齿轮箱系统的相关参数如表1所示。

表1 行星齿轮箱参数

3 行星齿轮故障特征频率分析

设定齿轮啮合频率为fm，fc为行星架转频，根据文献[7]，行星齿轮传动系统故障特征频率计算公式如下：

行星架转频为

太阳轮局部故障特征频率为

行星轮局部故障特征频率为

内齿圈局部故障特征频率为

其中：zring、zsun、zplant分别是内齿圈、太阳轮、行星轮齿数，nc为行星架转速。

当电机转速在1500 r/min时，根据式（1）—（4）计算得到：fm= 359.6 579 Hz，fsun=27.66 599 230 769 231 Hz，fplant=9.464 681 578 947 368 Hz，fring=3.909 325 Hz。

4 实验研究

行星齿轮箱振动信号采集系统如图3所示，包括：①Dytran加速度传感器，如图3(a)所示，用来采集实验平台的振动信号；②激光转速传感器，如图 3(b)所示，用来测量电机转速信号；③PAK振动检测设备，如图3(c)所示，用来采集振动信号和转速信号。实验时电机转速为1500 r/min，设定的信号采样频率为10 240 Hz，采样时间为30 s。实验分别采集了无故障、太阳轮故障、行星轮故障、内齿圈故障4种情况下的信号。

图3 振动信号采集系统

5 信号分析与处理

对节4的振动信号进行时域和频域分析处理[7-12]。

时域信号分析：对信号采用时域的12个指标进行对比分析，得到信号特征值如表2所示。

无故障情况下由于设备完好，没有过多的振动，因此振动信号的各个指标都是最低的，然后从低到高依次是内齿圈、太阳轮、行星轮故障。分析实验平台信号传递路径及行星齿轮系统结构特点，该结果符合实际工况。由于内齿圈固定在齿轮箱体上，虽然传递路径最短，但是其振动信号最弱；太阳轮的振动信号要通过行星轮，再通过内齿圈，因此信号比传递路径更短的行星轮要更小一些。通过振动信号时域分析，容易得到不同位置的信号时域值的特征趋势，对今后行星齿轮系统诊断有一定的指导作用。

频域分析：对信号进行频率分析对比，以验证其各个位置的频率特征，结果如图4—7所示。

表2 不同情况下振动信号时域指标

图4 无故障

图5 太阳轮故障

图6 行星轮故障

图7 内齿圈故障

无故障情况下，没有明显振动，所有频率为转频及各个齿轮的啮合频率，无突出的频率。当太阳轮出现故障时，其啮合频率为25 Hz左右，从图5可以看出，出现了明显倍频成分。当行星轮出现故障的时候，从图6可以看出，在输出端的啮合频率两边出现了明显的调制频率，分别位于360 Hz的左右。同理，内齿圈发生故障的时候，从图7可以看出，其啮合频率也被调制到了输出端的啮合频率附近。通过上述频域对比分析能很好诊断不同位置的齿轮故障，对今后行星齿轮箱故障诊断研究起到了一定的借鉴作用。数据的分析很好地验证了设备的可靠性，设备能有效地用于行星故障诊断信号分析的科研及实验教学。

6 结语

本文设计了一种行星齿轮教学实验平台，有利于研究生对课程知识的理解和应用，对相关研究起到了一定推动作用。通过对平台不同位置故障信号的分析处理，验证了设备的各个指标。