一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置制造方法
【专利摘要】一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，它包括一实验台，该实验台包括驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机、支座；第一减速器经联轴器A与驱动电机连接，第一减速器与第二减速器的连接轴轴线为135°；第二减速器经联轴器B与负载电机连接；驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机顺序连接固定于支座上；能实现直升机尾传动系统轴承、齿轮的点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合，以及转子的偏转等典型故障的模拟实验；广泛适用于直升机尾传动系统故障演化机理、信号特征提取方法、早期故障诊断方法、健康维护方法与策略研究。
【专利说明】一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置
【技术领域】
[0001]本发明属于直升机尾传动系统【技术领域】，具体涉及一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置。
【背景技术】
[0002]直升机尾传动系统作为直升机传动系统结构动力学的一部分，它是直升机传动系统的重要子系统，其主要是通过传递扭矩和转速将动力从主传动系统传递到尾桨，以平衡主旋翼产生的反扭力矩，从而实现直升机的航向操纵，其运行状态优劣直接影响着整个传动系统乃至整个直升机的性能。若尾传动系统中的某轴承、齿轮零件出现故障，在尾传动轴高速旋转下，会引起强烈的振动，使零件断裂损坏，导致尾桨操纵失效，严重威胁到飞行安全。如何对其进行准确的状态监测、故障诊断与优化运行是一项意义重大又极具挑战性的研宄。
【发明内容】
[0003]针对上述情况，本发明的目的提供一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，它能实现直升机尾传动系统轴承、齿轮的点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合，以及转子的偏转等典型故障的模拟实验，用于其故障演化机理、信号特征提取方法、早期故障诊断方法、健康维护方法与策略等研宄，确保直升机安全可靠运行，并且结构简单，操作方便，易于普及推广使用。
[0004]为了实现上述目的:一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，它包括一实验台，该实验台包括驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机、支座；所述的第一减速器经联轴器A与驱动电机连接，第一减速器与第二减速器的连接轴轴线为135°，第二减速器经联轴器B与负载电机连接，驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机顺序连接固定于支座上。
[0005]为实现结构优化，进一步的措施:第一减速器包括一对相交轴线为135°的螺旋锥齿轮副C，螺旋锥齿轮副C的主、从动轴分别由双列圆锥滚子轴承悬臂支承。
[0006]第二减速器包括一对相交轴线为90°的螺旋锥齿轮副D，螺旋锥齿轮副D的主、从动轴分别由向心推力轴承和向心滚子轴承在齿轮轴向两侧支承。
[0007]驱动电机为连续可调变频电机，调速范围在0~4000r/min。
[0008]第一减速器传动比是1.25，第二减速器传动比是2.78。
[0009]第一减速器和第二减速器中主、从动齿轮分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障齿轮，所述故障类型为点蚀、剥落、裂纹、缺齿。
[0010]第一减速器和第二减速器中的各种支承轴承分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障轴承，所述故障类型为点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合。
[0011]驱动电机和负载电机的安装高度可调，用于模拟转子偏转故障。
[0012]还包括三向振动加速度传感器、振动位移传感器、应变片，所述的三向振动加速度传感器分别设置在双列圆锥滚子轴承、向心推力轴承和向心滚子轴承的轴承座上；振动位移传感器分别设置在驱动电机输出轴、第一减速器和第二减速器的连接轴、负载电机输入轴的两侧，呈90°分布；应变片分别设置在螺旋锥齿轮副C、螺旋锥齿轮副D的齿根部，以及驱动电机输出轴、第一减速器和第二减速器的连接轴、负载电机输入轴的轴上；三向振动加速度传感器、振动位移传感器、应变片经数据采集器连接传输至计算机。
[0013]实验台内置了一种直升机尾传动系统故障仿真软件，该软件以实验台为原型建立虚拟样机模型，可仿真损伤程度由小到大的不同故障类型和不同工作位置的齿轮、轴承、转子故障，并提取位移、加速度、应力仿真信号。
[0014]本发明一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，它包括一实验台，该实验台包括驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机、支座；第一减速器经联轴器A与驱动电机连接，第一减速器与第二减速器的连接轴轴线为135° ;第二减速器经联轴器B与负载电机连接；驱动电机、联轴器A、第一减速器、第二减速器、联轴器B、负载电机顺序连接固定于支座上；能实现直升机尾传动系统轴承、齿轮的点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合等典型故障的模拟实验。
[0015]本发明相对现有技术，具有以下优点:
1.本发明依据实际直升机尾传动系统的结构设计，基本结构形式与实际直升机尾传动系统相吻合，在此基础上开展故障模拟，与实际运行状态一致；
I1.第一减速器和第二减速器分置，易于研宄直升机尾传动系统不同安装位置的轴承、齿轮典型故障特点与损伤机理，便于识别各自或复合故障；
II1.第一减速器由双列圆锥滚子轴承悬臂支承、第二减速器由向心推力轴承和向心滚子轴承两端支承，传递平稳可靠，拆装方便；
IV.通过连续控制驱动电机0~4000r/min的输出转速可以模拟直升机尾传动系统的变速运行状态，用于研宄在变转速下，直升机尾传动系统状态监测方法和故障演化机理；
V.通过加速度传感器、位移传感器、应变片的布置，用于不同运行状态下的多参量测量，便于更全面的故障演化机理、信号特征提取方法、早期故障诊断方法、健康维护方法与策略研宄；
V1.通过内置一种直升机尾传动系统故障仿真软件，方便损伤程度由小到大的不同故障类型和故障位置的单一或复合故障的模拟仿真，并提取位移、加速度、应力仿真信号，扩展物理实验台的功能。便于更深入、全面的故障演化机理、信号特征提取方法、早期故障诊断方法、健康维护方法与策略研宄。
[0016]本发明广泛适用于直升机尾传动系统故障演化机理、信号特征提取方法、早期故障诊断方法、健康维护方法与策略研宄。
[0017]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的第一减速器结构示意图；
图3为本发明的第二减速器结构示意图；
图4为本发明加速度与位移传感器布置图； 图5为本发明应变片布置图；
图6为双列圆锥滚子轴承内圈点蚀故障时域信号图；
图7为双列圆锥滚子轴承外圈点蚀故障时域信号图；
图8为双列圆锥滚子轴承滚珠点蚀故障时域信号图；
图9为螺旋锥齿轮点蚀故障软件仿真信号图；
图中:1.支座，2.驱动电机，3联轴器A，4.第一减速器，41.双列圆锥滚子轴承，42.螺旋锥齿轮副C，5.第二减速器，51.向心推力轴承，52.螺旋锥齿轮副D，53.向心滚子轴承，6.联轴器B，7.负载电机，8.振动位移传感器，9.三向振动加速度传感器，10.应变片。
【具体实施方式】
[0019]如图1所示，一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，它包括一实验台，该实验台包括驱动电机2、联轴器A3、第一减速器4、第二减速器5、联轴器B6、负载电机7、支座I ;所述的第一减速器4经联轴器A3与驱动电机2连接，第一减速器4与第二减速器5的连接轴轴线为135°，第二减速器5经联轴器B6与负载电机7连接，驱动电机2、联轴器A3、第一减速器4、第二减速器5、联轴器B6、负载电机7顺序连接固定于支座I上。
[0020]参照附图，本发明的安装要求:第一减速器4包括一对相交轴线为135°的螺旋锥齿轮副C42，螺旋锥齿轮副C42的主、从动轴分别由双列圆锥滚子轴承41悬臂支承，结构简单可靠，安装方便；第二减速器5包括一对相交轴线为90°的螺旋锥齿轮副D52，螺旋锥齿轮副D52的主、从动轴分别由向心推力轴承51和向心滚子轴承53在齿轮轴向两侧支承，可有效保证齿轮运转平稳灵活；驱动电机2为连续可调变频电机，调速范围在0~4000r/min ;第一减速器4传动比是1.25，第二减速器5传动比是2.78 ;第一减速器4和第二减速器5中主、从动齿轮分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障齿轮，所述故障类型为点蚀、剥落、裂纹、缺齿；第一减速器4和第二减速器5中的各种支承轴承分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障轴承，所述故障类型为点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合；驱动电机2和负载电机7的安装高度可调，可调范围为0~5mm，以0.5mm为阶梯，用于模拟转子偏转故障；还包括三向振动加速度传感器9、振动位移传感器8、应变片10，所述的三向振动加速度传感器9分别设置在双列圆锥滚子轴承41、向心推力轴承51和向心滚子轴承53的轴承座上；振动位移传感器8分别设置在驱动电机2输出轴、第一减速器4和第二减速器5的连接轴、负载电机7输入轴的两侧，呈90°分布；应变片10分别设置在螺旋锥齿轮副C42、螺旋锥齿轮副D52的齿根部，以及驱动电机2输出轴、第一减速器4和第二减速器5的连接轴、负载电机7输入轴的轴上；三向振动加速度传感器9、振动位移传感器8、应变片10经数据采集器连接传输至计算机；实验台内置了一种直升机尾传动系统故障仿真软件，该软件以实验台为原型建立虚拟样机模型，可仿真损伤程度由小到大的不同故障类型和不同工作位置的齿轮、轴承、转子故障，并提取位移、加速度、应力仿真信号。
[0021]工作原理:
驱动电机2输出的动力经输出轴、联轴器A3传递给螺旋锥齿轮副C42的主动轮，螺旋锥齿轮副C42的从动轮带动螺旋锥齿轮副D52，经联轴器B6输出给负载电机，由负载电机消耗功率。
[0022]故障模拟实验包括以下几种: A.轴承的故障，类型有:双列圆锥滚子轴承(41)、向心推力轴承(51)和向心滚子轴承
(53)轴承内圈、外圈、滚动体的点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合故障；
B.齿轮的故障，类型有:螺旋锥齿轮的点蚀、剥落、磨损、裂纹、缺齿故障；
C.转子偏转故障；
D.调节驱动电机2与负载电机7的转速与负载，模拟上述各种故障状态在不同速度不同负载条件下的故障特征。
[0023]在实验台的使用中，其过程包含以下几步:
a.故障件置换:根据要模拟的故障类型、损伤程度及工作位置，选择对应的故障件，替换原来的正常件，搭建故障实验平台；
b.信号采集:启动驱动电机至合适转速，根据齿轮、轴承、轴的结构特征，选择包含最大信息量的测点位置，进行加速度、位移、应力信号采集；
c.信号分析:选择合适的信号分析方法，并构造合理的参数，提取齿轮、轴承、轴的加速度、位移、应力信号特征，从而获取能够反映它们运行状态；
d.状态识别:根据提取的信号特征，寻求故障特征与故障状态的映射关系，判断其运行的状态；
e.故障演化机理分析:利用实验台内置的直升机尾传动系统故障仿真软件，通过损伤程度由浅到深的故障仿真，提取并分析仿真信号，揭示故障演化机理；
f.诊断分析:根据状态识别的结果，结合故障演化机理，进一步分析齿轮、轴承、轴的故障部位、性质、类型、原因和发展趋势等；
g.诊断决策:根据齿轮、轴承、轴工况及发展趋势做出决策，如调整、维修、控制或更换等。
[0024]实施例1双列圆锥滚子轴承内圈点蚀故障模拟。
[0025]将第一减速器主动轮支承双列圆锥滚子轴承41置换为存在内圈点蚀故障的故障轴承，启动驱动电机2，设定输入转速为1800r/min，连接传感器输出线至B&K数据采集系统，B&K数据采集系统将模拟信号转换为数字信号后，通过网线将数据传输到计算机数据采集软件，得到振动加速度时间序列信号，其时域信号图如图6。
[0026]实施例2双列圆锥滚子轴承外圈点蚀故障模拟
将第一减速器主动轮支承双列圆锥滚子轴承41置换为存在外圈点蚀故障的故障轴承，启动驱动电机2，设定输入转速为1800r/min，连接传感器输出线至B&K数据采集系统，B&K数据采集系统将模拟信号转换为数字信号后，通过网线将数据传输到计算机数据采集软件，得到振动加速度时间序列信号，其时域信号图如图7。
[0027]实施例3双列圆锥滚子轴承滚子点蚀故障模拟
将第一减速器4主动轮支承双列圆锥滚子轴承41置换为存在滚子点蚀故障的故障轴承，启动驱动电机2，设定输入转速为1800r/min，连接传感器输出线至B&K数据采集系统，B&K数据采集系统将模拟信号转换为数字信号后，通过网线将数据传输到计算机数据采集软件，得到振动加速度时间序列信号，其时域信号图如图8。
[0028]实施例4螺旋锥齿轮点蚀故障软件仿真
以实验台为原型，构建实验台Catia三维模型，导入Adams，在模型中第一减速器4的主动螺旋锥齿轮上植入点蚀故障，设置接触参数，设置仿真条件:驱动转速设置为STEP(time，O，O，0.2，10800d)，模拟输入转速为1800r/min的运行状态，时间为ls，步数为20000。0.2s稳定后的时域仿真信号图，见图9。
【权利要求】
1.一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于它包括一实验台，该实验台包括驱动电机(2)、联轴器八(3)、第一减速器(4)、第二减速器(5)、联轴器8(6)、负载电机(7)、支座(1)；所述的第一减速器(4)经联轴器八(3)与驱动电机(2)连接，第一减速器(4)与第二减速器(5)的连接轴轴线为135°，第二减速器(5)经联轴器8(6)与负载电机(7)连接，驱动电机(2^联轴器八(3^第一减速器(幻、第二减速器巧)、联轴器8?)、负载电机(7)顺序连接固定于支座(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于第一减速器(4)包括一对相交轴线为135°的螺旋锥齿轮副(:(42),螺旋锥齿轮副(:(42)的主、从动轴分别由双列圆锥滚子轴承(41)悬臂支承。
3.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于第二减速器(5)包括一对相交轴线为90。的螺旋锥齿轮副0 (52)，螺旋锥齿轮副0 (52)的主、从动轴分别由向心推力轴承(51)和向心滚子轴承(53)在齿轮轴向两侧支承。
4.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于驱动电机(2)为连续可调变频电机，调速范围在0~400017111111。
5.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于第一减速器(4)传动比是1.25，第二减速器(5)传动比是2.78。
6.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于第一减速器(4)和第二减速器(5)中主、从动齿轮分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障齿轮，所述故障类型为点蚀、剥落、裂纹、缺齿。
7.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于第一减速器(4)和第二减速器(5)中的各种支承轴承分别置换不同类型、不同损伤程度、不同工作位置的故障轴承，所述故障类型为点蚀、剥落、磨损、裂纹、胶合。
8.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于驱动电机(2)和负载电机(7)的安装高度可调，用于模拟转子偏转故障。
9.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于还包括三向振动加速度传感器(9)、振动位移传感器(8)、应变片(10),所述的三向振动加速度传感器(9)分别设置在双列圆锥滚子轴承(41)、向心推力轴承(51)和向心滚子轴承(53)的轴承座上；振动位移传感器(8)分别设置在驱动电机(2)输出轴、第一减速器(4)和第二减速器⑶的连接轴、负载电机⑵输入轴的两侧，呈90。分布；应变片(10)分别设置在螺旋锥齿轮副(:(42)、螺旋锥齿轮副0(52)的齿根部，以及驱动电机(2)输出轴、第一减速器(4)和第二减速器(5)的连接轴、负载电机⑵输入轴的轴上；三向振动加速度传感器(9)、振动位移传感器(8)、应变片(10)经数据采集器连接传输至计算机。
10.根据权利要求1所述的一种直升机尾传动系统故障模拟实验装置，其特征在于实验台内置了一种直升机尾传动系统故障仿真软件，该软件以实验台为原型建立虚拟样机模型，可仿真损伤程度由小到大的不同故障类型和不同工作位置的齿轮、轴承、转子故障，并提取位移、加速度、应力仿真信号。
【文档编号】G01M13/02GK104502093SQ201410787493
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】蒋玲莉, 华登荣, 唐思文, 李学军, 陈安华, 黄良沛 申请人:湖南科技大学