[發明專利]一種考慮嚙合相位差的正常單級周轉輪系唯象建模方法

有效

• 申請號: 201410365909.7
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104156516B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 雷亞國;劉宗堯;林京;盧帆勃;羅希
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;F16H57/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于機械設備早期故障診斷技術領域，具體涉及一種考慮嚙合相位差的正常單級周轉輪系唯象建模方法。

背景技術

周轉輪系一直是齒輪傳動系統中的“股肱棟梁”，之所以能被如此廣泛地應用于風力發電、航空、船舶、冶金、石化、礦山、起重運輸等許多行業的機械傳動中，其本身獨特的優點有著不可或缺的重要作用，如結構緊湊、傳動比大、承載效率高等。然而，這些設備惡劣的工作環境導致周轉輪系通常工作在低速重載或載荷、轉速瞬時大幅度變動的工況下，因此周轉輪系的關鍵零部件首當其沖，故障時有發生。

周轉輪系一般由中心輪(即太陽輪)、行星輪、內齒圈和行星架等組成。不同于定軸輪系，其內部的結構相對復雜。通常情況下，內齒圈固定不動，太陽輪或行星架作為輸入，相應的，行星架或太陽輪作為輸出。太陽輪繞自身的中心軸旋轉，而幾個行星輪不僅繞各自的中心軸自轉，同時繞太陽輪的中心軸公轉，并與太陽輪和內齒圈同時嚙合，藉此造成太陽輪與行星輪、行星輪與內齒圈等多對齒輪同時嚙合。多對嚙合引起的振動存在相位差，且會相互疊加，使得周轉輪系的振動響應比定軸輪系更為復雜。

振動信號時域和頻域分析方法構成了周轉輪系故障診斷的主要理論基礎。理想狀況下，周轉輪系中各個行星輪是完全相同的，因此每個行星輪與內齒圈和太陽輪嚙合產生的振動頻率是相同的，即振動頻率為嚙合頻率f_m，f_m＝N_rf_c，N_r為齒圈齒數，f_c為行星架轉頻，只是各個嚙合振動之間存在一定的相位差。此外，傳感器通常安裝在與固定的內齒圈相連的箱體上。由于行星輪的公轉，各嚙合點與傳感器之間的傳遞路徑周期性變化，而周期性變化的傳遞路徑會對嚙合振動信號進行幅值調制。因此，即便在正常情況下，周轉輪系振動信號的頻譜中也會呈現多條邊頻帶。以上諸多因素導致周轉輪系的故障診斷相比定軸輪系難度更大。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種考慮嚙合相位差的正常單級周轉輪系唯象建模方法，突破僅僅考慮輪系內部某一個嚙合振動影響的局限，能夠綜合考慮周轉輪系內部多對嚙合之間的相位關系，以及行星輪公轉引起的時變傳遞路徑。根據該唯象模型，得到了正常單級周轉輪系的振動響應信號。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種考慮嚙合相位差的正常單級周轉輪系唯象建模方法，包括以下步驟：

1)分別計算周轉輪系內部多個行星輪與中心輪即太陽輪嚙合、多個行星輪與齒圈嚙合、同一個行星輪與太陽輪和齒圈嚙合之間的相位差；

2)在步驟1)的基礎上，分析多個嚙合過程不同傳遞路徑對信號的影響；

3)將步驟1)、2)的計算結果綜合起來，建立周轉輪系正常狀態時的振動信號仿真模型，給出振動響應表達式。

所述的步驟1)的計算過程為：

1.1)根據行星輪的初始安裝位置，分別計算第i個行星輪與內齒圈嚙合時的初相位

其中，Z_r代表內齒圈的齒數；ψ_i代表第i個行星輪的初始安裝位置，即距離固定參考位置的逆時針圓心角；

1.2)同樣的，計算得到第i個行星輪與太陽輪嚙合時的初相位

其中，Z_s代表太陽輪的齒數；ψ_i代表第i個行星輪的初始安裝位置，即距離固定參考位置的逆時針圓心角；

1.3)同一個行星輪分別與太陽輪、內齒圈嚙合產生的兩組振動之間也存在著相位差γ_rs，計算得到：

其中，代表第i個行星輪分別與內齒圈和太陽輪嚙合時的相位。

所述的步驟2)的分析過程為：

2.1)分析振動的所有傳遞路徑，除此之外，振動還會通過油液、箱體等傳遞給傳感器，但其他路徑的振動明顯衰減，在振動信號中不占主導地位，因此不考慮，

2.2)忽略時不變傳遞路徑，只考慮時變的傳遞路徑的影響，

2.3)給出傳遞路徑的函數表達式。

所述的步驟3)的具體過程為：

先對每個振動逐個分析，再將它們疊加，便得到正常情況下周轉輪系的振動信號仿真模型，