CN104596764A - 行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种以行星传动为对象的故障诊断与预测试验装置。本发明旨在研究行星齿轮箱的振动机理及损伤特性，通过联轴器将异步电动机、行星齿轮箱(减速)、行星齿轮箱(增速)、扭矩仪(转速计)和永磁发电机等联接，异步电动机通过变频器调节，可以模拟速度与载荷波动的动力输入(如风力发电机、直升机等)，发电机产生的电能通过整流、逆变、控制等操作并入电网。在齿轮箱壳体安装压电加速度传感器，扭矩仪可以同步监测传动链的扭矩和转速，发电机并网侧安装三相电压和电流互感器，上述信号通过信号采集系统拾取。实施过程中，异步电动机变工况运行直至行星齿轮箱的某个部件破坏，对拾取的多路参量信号进行状态分析、故障诊断和失效预测；两个行星齿轮箱采用对称布置，两者的运行状态可以互相验证。

Description

行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置

技术领域

本发明属于机械设备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种以行星齿轮传动为对象的故障诊断与预测试验装置。

背景技术

行星齿轮系统具有结构紧凑、传动比大等特点，广泛应用于风力发电机、直升机等工业装备的传动系统中。上述工业装备往往运行环境恶劣、载荷转速复杂多变，会对行星齿轮等传动部件产生较大冲击，行星架的齿轮、轴承等关键部件容易产生裂纹、断齿、疲劳点蚀等故障，此类故障的产生轻则导致传动不畅，影响传动效率，重则破坏整个传动链，造成巨大经济损失。

与定轴齿轮传动相比，行星齿轮系统内部结构复杂，行星架所承载的行星齿轮既有自转又有公转，所形成的调制现象对故障特征提取带来困难，针对行星齿轮箱的状态监测、故障诊断及预测是工业装备领域的研究重点，也是难点。行星齿轮箱的服务对象(风力发电机、直升机)往往运行于无人值守的野外、空中，获取实际监测数据难度很大，运营单位处于技术保密的考虑，其设备参数和运行状态也不对外公开，难以将诊断结果与设备的实际故障类型、故障程度及趋势有机结合，阻碍了状态监测与智能诊断及预测方法在此类设备中的应用，给及时制定维护维修策略带来障碍。

设备故障预测技术是比故障诊断更高级的维修保障形式，是一门涉及机械、电子、信息与控制等多学科综合的新兴边缘学科。近年来，该技术在石油化工、军用飞机、电站设备等工业应用方面取得较多研究成果。准确进行故障预测需要大量的运行样本进行模型训练，大型行星齿轮传动战略地位重要，获取训练样本数据困难，因而设计并组建行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置至关重要，通过本装置，可以获取大量典型故障数据，建立齿轮故障与监测信号的表征关系，模拟行星传动中某一部件从无到有的故障过程及对应数据，为行星齿轮箱故障机理和先进信号处理方法的研究奠定基础，并为实际行星齿轮箱的智能诊断、预知维护提供参考依据。

发明内容

本发明提供一种针对行星齿轮传动的故障诊断与预测试验装置，用于研究行星齿轮的故障机理及特征提取、故障诊断与预测方法。

1.图1中，三相异步电动机、行星齿轮箱(减速)、行星齿轮箱(增速)、扭矩仪(转速计)和三相永磁发电机通过联轴器7联接，组成传动链；

2.三相异步电动机采用变频器驱动并调速，经行星齿轮箱减速后的动力可以模拟实际变转速、变载荷外部激励(如风力发电机的风载荷、直升飞机的发动机输出等)；

3.三相永磁发电机产生的电能经过整流、逆变和控制环节并入电网1，节省异步电动机驱动所需能量；

4.同步拾取多路信号包括振动4、转速、扭矩、电压2和电流3等信号，经采集模块5收集后通过网络传递给上位机6，针对各类信号的分析与处理可以为行星齿轮箱的故障诊断和预测提供多种解决手段，互为补充；

5.试验装置中两个行星齿轮箱对称布置，一个齿轮箱作为无故障参考，另一个齿轮箱模拟齿轮或轴承故障，通过对比相同工况下两者的信号特点进而研究行星齿轮的运行机理。

本发明的有益效果为：

(1)采用异步电动机拖动，行星齿轮箱减速、增速，扭矩仪测扭、测速，发电机发电并网等一系列环节组成闭式结构，既能模拟实际设备变速、变载荷的工况，又可以节省电能、减少消耗。

(2)行星齿轮箱采用对称布置的模式，在运行工况完全相同的情况下，可以进行有无故障的对比分析，分析结果相互验证，互为补充。

(3)全面监控试验装置中振动、扭矩、转速、电压、电流等信号，并基于多类信号研究先进特征提取、故障诊断及预测方法，解决了大型行星齿轮箱运行数据获取困难，故障诊断与预测理论基础不足等问题。

附图说明

图1为行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置示意图；

图2为行星齿轮加速疲劳断裂试验所测振动信号及其特征值；

图3为行星齿轮疲劳断裂图片。

具体实施方式

本发明提供了一种针对行星齿轮传动的故障诊断与预测装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

(1)试验台搭建调试完毕后，在载荷、转速不变的状态下连续运行若干小时，直到其中有部件破坏；

(2)全程采集振动、电压、电流、扭矩和转速等信号，并进行信号处理；

(3)以振动信号为例，图2a为行星齿轮疲劳断裂全程时间信号，从0-80s左右为跑合阶段，从80s开始可能出现局部微小裂纹，从80s-380s，齿轮裂纹处于发展阶段，直至380s之后轮齿断裂，振动加剧；

(4)图2b和图2c分别是行星齿轮在全寿命周期中振动信号的有效值和峭度，通过研究80s-380s裂纹发展过程中的特征量，可以分析齿轮疲劳劣化过程，研究基于运行数据的故障预测方法；

(5)图3为断裂的行星齿轮。

实际实施过程中，可能会出现断裂、点蚀、磨损等具体故障，甚至是多种故障的并存，信号特征提取的方法也不限于有效值和峭度，可以根据具体特点研究反映劣化趋势的有效特征量。运行工况的选择也很灵活，可进一步研究变工况下的故障劣化规律。

Claims (5)

1.行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置，其特征在于：三相异步电动机、行星齿轮箱(减速)、行星齿轮箱(增速)、扭矩仪(转速计)和三相永磁发电机通过联轴器7联接，组成传动链。

2.根据权利要求1所述行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置，其特征在于三相异步电动机采用变频器调速，经行星齿轮箱减速后的动力可以模拟实际变转速、变载荷外部激励(如风力发电机的风载荷、直升飞机的发动机输出等)。

3.根据权利要求1所述行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置，其特征在于三相永磁发电机产生的电能需经过整流、逆变和控制环节并入电网1，节省异步电动机驱动所需能量。

4.根据权利要求1所述行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置，其特征在于多路信号包括振动4、转速、扭矩、电压2和电流3等信号等可以被同步拾取，经采集模块5收集后通过网络传递给上位机6，各类信号的分析与处理可以为行星齿轮箱的故障诊断和预测提供多种解决手段，互为补充。

5.根据权利要求1所述行星齿轮箱故障诊断与预测试验装置，其特征在于两个行星齿轮箱对称布置，一个齿轮箱作为无故障参考，另一个齿轮箱模拟齿轮或轴承故障，通过对比相同工况下两者的信号特点进而研究行星齿轮的运行机理。