一种行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真方法与流程

本发明属于故障诊断技术与信号处理分析
技术领域：
，具体涉及一种行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真方法。
背景技术：
：行星齿轮箱广泛应用在风电、直升机和工程机械等大型复杂机械装备领域，通常其工况恶劣，易发生齿轮点蚀和裂纹等局部损伤，若局部故障出现后继续运行，会进一步导致轮齿断裂等严重故障甚至造成事故，将引起巨大的经济损失与人员伤亡。基本的行星齿轮箱轮系由多个行星轮、一个太阳轮和一个内齿圈构成，通常齿圈不动，太阳轮绕其中心轴旋转，行星轮绕各自中心轴自转同时绕太阳轮中心轴公转，其中太阳轮轴或行星架做为输入。由于行星轮绕太阳轮中心轴的公转，行星轮在轮系中的位置和齿轮啮合点的位置会发生周期性的变化，为使拾取到的振动信号信噪比相对较高、安装较方便，一般将传感器固定安装在箱体正上方，啮合点位置的时变和传感器位置的固定导致啮合点与传感器之间的振动传递路径发生变化(如图1所示)，因此，行星轮局部故障振动的仿真模型较为复杂。经文献调研发现，目前现有的行星齿轮箱故障振动仿真模型中齿轮啮合和故障成分均采用正弦谐波的调制产生，但正弦谐波调制所产生的幅值变化较缓，与实际故障振动信号中幅值变化较大的冲击响应有所差别，进而造成行星齿轮箱行星轮局部故障振动响应仿真不够准确。技术实现要素：为解决现有仿真模型中故障成分与实际中故障冲击成分有所差别、仿真模型不够准确的问题，为完善现有行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真模型的不足，本发明提供了一种行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真方法，对局部故障带来的冲击和齿轮啮合顺序进行分析，综合考虑时变传递路径与太阳轮、行星架转速调制的影响，最终得到准确的行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真模型，为行星齿轮箱行星轮局部故障诊断方法的发展提供支撑与指导。本发明行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真方法如下：步骤1，确定包含故障行星轮的行星齿轮箱轮系的参数(行星轮个数、行星轮齿数、太阳轮齿数、齿圈齿数、齿轮的当量转动惯量、线性固有频率)、运行工况(输入轴转速、冲量)、采样频率以及仿真时长；步骤2，利用步骤1中确定的行星轮个数、行星轮齿数、太阳轮齿数、齿圈齿数、运行工况、采样频率计算齿轮啮合频率、太阳轮转频、故障特征频率、行星架转频；步骤2中太阳轮转频的计算公式为：fs＝v/60，式中v为输入轴转速。行星架转频的计算公式为：fc＝afs，式中a为减速比；齿轮啮合频率的计算公式为：fm＝nrfc，式中nr为齿圈齿数；故障特征频率的计算公式为：frp＝2fm/np，式中np为行星轮齿数；步骤3，利用步骤2中计算得到的齿轮啮合频率计算齿轮单次啮合时间，使用采样频率确定采样点数，然后计算正常啮合和故障齿轮啮合的单次啮合冲击振动响应；所述齿轮单次啮合时间的计算公式为：δt＝1/fm单次啮合冲击振动响应的计算公式为：式中，f为冲量，是啮合冲击力在单次冲击时间内的积分，k(t)为啮合刚度，ω为线性固有频率，ξ为阻尼系数，me1、me2分别为主动齿轮、被动齿轮的当量转动惯量；步骤4，利用步骤2中计算得到的齿轮啮合频率、故障特征频率计算齿轮的啮合顺序，使用仿真时长确定啮合顺序的结束位置；啮合顺序是使用啮合频率和故障特征频率所求的啮合时间点，将啮合点的时间位置按顺序排列起来，表示公式为：式中，tnδt为每次啮合的时间序列，nend为最后一次啮合的时间点；步骤5，根据步骤4得到的轮齿啮合顺序将步骤3得到的单次冲击振动响应依次拼接，得到未经时变传递路径函数与转频调制的故障行星轮振动仿真模型；未经时变传递路径函数与各部件转频调制的振动信号由正常齿轮啮合冲击响应和故障齿轮啮合冲击响应按啮合顺序拼接而成，其公式为：式中，rnδt为正常轮齿单次啮合冲击响应，角标为啮合顺序，为故障行星轮齿单齿啮合冲击，r(t)为未经时变传递路径函数与转速调制的故障行星轮振动响应；步骤6，对步骤5得到的未经时变传递路径函数与转频调制的故障行星轮振动信号仿真模型进行时变传递路径函数与太阳轮、行星架转频调制，最终得到行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真模型；所述时变传递路径函数为wn(t)＝1-cos(2πnfct)，式中，n为行星轮个数，fc为行星架转频。所述的对未经时变传递路径函数与转速调制的故障行星轮振动响应进行时变传递路径函数与太阳轮、齿圈转速调制的计算公式为：式中，as、ac为太阳轮、行星架的调幅系数，为太阳轮、行星架的初始相位，fs为太阳轮转频。本发明的有益效果是：本发明的行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真方法，适用于行星齿轮箱行星轮点蚀、裂纹等局部故障的振动仿真，相对于现有仿真方法可以更精确地模拟行星齿轮箱行星轮局部故障状态下的振动响应，为行星齿轮箱行星轮局部故障诊断方法的研究和发展提供了支撑与指导，对行星齿轮箱故障诊断方法研究和发展具有重要意义。附图说明图1为本发明中行星齿轮箱行星齿轮啮合振动时变传递路径示意图；图2为本发明中正常齿轮单齿啮合冲击响应信号示意图；图3为本发明中故障行星轮齿轮单齿啮合冲击响应信号示意图；图4为本发明中未时变传递路径函数与各部件转频调制的故障行星轮振动信号；图5为本发明中行星齿轮的轮齿与齿圈啮合位置与振动幅值对应关系；图6为本发明中行星齿轮局部故障仿真振动信号；图7为本发明中(a)仿真信号阶次谱、(b)仿真信号阶次谱局部放大图；图8为本发明中(a)实测信号使用加窗振动分离技术结果、(b)本发明仿真信号使用加窗振动分离技术结果，(c)现有仿真信号使用加窗振动分离技术结果。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本文发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文发明保护的范围，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。实施例1，如图2-8所示，对ngw型单级行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真的方法如下：步骤1，确定包含故障行星轮的行星齿轮箱轮系的参数，具体为行星轮个数n＝3、行星轮齿数np、太阳轮齿数ns、齿圈齿数nr，如表1所示，齿轮的当量转动惯量me1、me2分别为2和0.5、线性固有频率ω为1400hz，运行工况包括齿轮箱输入轴转速为1000r/min、冲量f为0.139n/s、采样频率fs为51200以及仿真时长t为180s，在matlab软件中设置上述参数；表1行星齿轮箱轮系参数齿轮齿数(个)齿圈71太阳轮28行星轮20步骤2，利用步骤1中确定的行星齿轮箱轮系的行星轮的个数、行星轮齿数、太阳轮齿数、齿圈齿数、齿轮箱输入轴转速，在matlab中编写程序计算齿轮啮合频率fm、行星架转频fc、太阳轮转频fs、故障特征频率frp，计算所得频率如表2所示；表2计算所得频率类型频率对应阶次(以行星架为基准)啮合频率fm334.65hz71.0×行星架转频fc4.7133hz1×太阳轮转频fs16.665hz3.55×故障特征频率frp16.732hz3.53×步骤3，利用步骤2中计算得到的齿轮啮合频率fm计算齿轮单次啮合时间δt，然后分别计算正常齿轮啮合和故障行星轮齿啮合的单次啮合冲击振动响应，单次啮合冲击响应使用matlab软件绘图显示如图2所示，故障齿轮单次啮合冲击响应如图3所示；所述的单次啮合冲击振动响应的计算公式为：式中，f为冲量，是啮合冲击力在单次冲击时间内的积分，k(t)为啮合刚度，ω为线性固有频率，ξ为阻尼系数，me1、me2分别为主动齿轮、被动齿轮的当量转动惯量；步骤4，利用步骤2中计算得到的啮合频率fm、故障特征频率frp计算齿轮的啮合时间点，将拟合时间点依次排列起来如下式所示：步骤5，根据步骤4得到的轮齿啮合顺序将步骤3得到的单次冲击振动响应依次拼接，得到未经时变传递路径函数与转频调制的故障行星轮振动仿真模型，如图4所示，时变传递路径对振动信号幅值带来的影响如图5所示；所述的未经时变传递路径函数与转频调制的故障行星轮振动信号仿真模型的建立公式为：步骤6，对步骤5得到的未经时变传递路径函数与转频调制的故障行星轮振动信号仿真模型进行时变传递路径函数与太阳轮、行星架转频调制，太阳轮、行星架的调幅系数分别设为0.8和0.6，太阳轮、行星架的初始相位设置为π/6和π/4，最终得到行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真模型，其时域波形显示为如图6，从中可以看出传递路径函数、转频的调制，以及故障齿轮带来的冲击响应，仿真结束；所述的时变传递路径函数表示为：wn(t)＝1-cos(2πnfct)所述的对未经时变传递路径函数与转速调制的故障行星轮振动响应进行时变传递路径函数与太阳轮、齿圈转速调制的计算公式为：式中，as、ac为太阳轮、行星架的调幅系数，为太阳轮、行星架的初始相位；为显示本发明仿真方法的正确性，对最终得到的行星齿轮箱行星轮局部故障振动仿真信号进行简单的信号处理，对其进行验证。本发明仿真模型的阶次谱图(以行星架转频为参考)如图7所示，图7(a)为仿真信号阶次谱图、图7(b)仿真信号阶次谱局部放大图，可以看出阶次谱中存在啮合阶次以及以啮合阶次为基频的多阶倍频，如图7(a)中1#、2#、3#等所示；以3阶啮合阶次为中心，出现与太阳轮转频、行星架转频有关的边带，如图7(b)中ⅰ#、ⅱ#、ⅲ#等所示，验证了仿真方法的正确。为显示本发明仿真方法较现有仿真模型更加准确，对实测信号、本发明仿真模型和现有模型(冯志鹏,褚福磊,左明健.行星齿轮箱振动故障诊断方法[m].北京:科学出版社,2015.)使用加窗振动分离技术(一种行星齿轮或太阳轮齿根裂纹故障特征的检测方法.申请号：201810628225.x)进行分析，结果如图8所示，图8(a)为实测信号使用加窗震动分离技术得到的结果，图8(b)为本发明模型使用加窗振动分离技术的结果，可以看出本发明仿真模型经过加窗振动分离可以明显提取到故障齿轮引起的冲击响应，与实测信号较为相近，而现有仿真模型经过加窗振动分离不能提取到冲击成分，如图8(c)所示，显示了本发明的优势。本文中应用了具体的实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变，综上，实例内容不应理解为本发明的限制。当前第1页12