雙環(huán)減速器運(yùn)動(dòng)特征及其故障診斷研究
博士研究生：謝永春
指導(dǎo)教師：李潤(rùn)方 教授
學(xué)科專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)理論
重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
概述
1.1課題來(lái)源及研究的意義
本文研究?jī)?nèi)容來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《機(jī)械／流體傳動(dòng)的節(jié)能及新型傳動(dòng)方式的基礎(chǔ)性研究》（項(xiàng)目編號(hào)：59835040）中的子課題《高效多流傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法的研究》以及國(guó)家十五高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目(網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)》（項(xiàng)目編號(hào)：2001 AA423200）。
平行動(dòng)軸少齒差傳動(dòng)是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的一種新型傳動(dòng)，其傳動(dòng)原理為行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)，已出現(xiàn)了單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)、四環(huán)及平衡式減速（增速）等裝置，分別獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利，部分產(chǎn)品已列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該傳動(dòng)形式與現(xiàn)有各種主要齒輪傳動(dòng)形式相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、承載能力大、過(guò)載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。同時(shí)因具有裝配靈活和結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特特征，在有些領(lǐng)域具有其它傳動(dòng)無(wú)法代替的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)年產(chǎn)值已達(dá)數(shù)億元，具有廣闊的應(yīng)用前景。但該傳動(dòng)在高速重載情況下振動(dòng)和噪聲大、溫升高及軸承早期破壞等問(wèn)題，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、重載、高速、大傳動(dòng)比工況下問(wèn)題更為突出，大大影響了其推廣進(jìn)程，成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展該傳動(dòng)研究主要集中在其傳動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)噪聲測(cè)試方面，對(duì)其整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)耦合非線性振動(dòng)噪聲分析和發(fā)熱機(jī)理及設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲預(yù)估等方面研究很少。對(duì)于雙環(huán)減速器，由于行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)，而是通過(guò)雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)，在不同位置行星輪嚙合齒對(duì)數(shù)不同，導(dǎo)致載荷分配不均。同時(shí)由于輪齒剛度的時(shí)變特性、齒輪嚙合時(shí)的嚙入和嚙出沖擊、齒輪間側(cè)隙的存在、摩擦阻力、并列齒輪機(jī)構(gòu)相位及制造安裝誤差和環(huán)作圓周平動(dòng)引起的不平衡擺動(dòng)力和擺動(dòng)力矩的影響，使齒輪在工作中將產(chǎn)生內(nèi)部激勵(lì)，而外載波動(dòng)又使傳動(dòng)系統(tǒng)受到外部的激勵(lì)。在這種相互的沖擊作用下，使得雙環(huán)減速器可能產(chǎn)生故障。
20 世紀(jì)六十年代末以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家掀起了故障診斷技術(shù)研究的熱潮，并在實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并日益受到企業(yè)和政府主管部門(mén)的重視。目前故障診斷技術(shù)已從原來(lái)的基于時(shí)間的維修策略發(fā)展到近十幾年的基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維修策略，對(duì)于系統(tǒng)在線監(jiān)視的要求越來(lái)越高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及Internet技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程故障診斷也成為當(dāng)今故障診斷領(lǐng)域的新方向。同時(shí)，由于環(huán)式減速器的進(jìn)一步深入研究及在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此，對(duì)雙環(huán)減速器進(jìn)行故障智能診斷預(yù)報(bào)并迅速處理，并逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，此研究課題具有重要的實(shí)用意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 少齒差行星傳動(dòng)發(fā)展簡(jiǎn)介
隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械化水平的不斷提高，對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來(lái)越高的要求。在常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)裝置中，普通的定軸圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重；普通圓柱蝸桿傳動(dòng)效率較低；而行星齒輪傳動(dòng)由于具有傳動(dòng)比大、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)中的一種，它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差較少，故簡(jiǎn)稱(chēng)少齒差傳動(dòng)。少齒差傳動(dòng)的類(lèi)型很多，最早出現(xiàn)的是德國(guó)人提出的以外擺線為齒廓曲線的少齒差傳動(dòng)，由于其中的一個(gè)齒輪采用針輪的形式，故亦稱(chēng)擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)；30 年代后期日本人開(kāi)始研制并試生產(chǎn)該行星齒輪傳動(dòng)裝置，但由于當(dāng)時(shí)工藝條件落后，齒形加工精度很低，因而產(chǎn)量不高；直到60年代擺線磨床的出現(xiàn)，從工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展。近幾十年來(lái)，擺線少齒差傳動(dòng)已發(fā)展成為少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種類(lèi)型，此外，還發(fā)展了二齒差、復(fù)合齒型、行星軸承與偏心套合并等新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)由于其主要傳動(dòng)零件采用軸承鋼并經(jīng)過(guò)磨削加工，傳動(dòng)時(shí)又是多齒嚙合，故其承載能力高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長(zhǎng)，但其加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)的原理與擺線少齒差傳動(dòng)基本相同，區(qū)別在于內(nèi)外齒輪的齒廓曲線采用漸開(kāi)線。其輪齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、嚙合接觸應(yīng)力小、承載能力高、可采用軟齒面、加工容易。但由于內(nèi)嚙合齒輪齒數(shù)差很少，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇齒輪幾何參數(shù)十分復(fù)雜。1949年蘇聯(lián)學(xué)者從理論上解決了實(shí)現(xiàn)一齒差傳動(dòng)的幾何計(jì)算問(wèn)題；到60年代隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)才得到了較迅速的發(fā)展。目前已出現(xiàn)了柱銷(xiāo)式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)盤(pán)式等多種傳動(dòng)形式。漸開(kāi)線少齒差齒輪采用普通的漸開(kāi)線齒輪刀具和齒輪機(jī)床加工，不需要特殊刀具和專(zhuān)用設(shè)備，材料也可采用普遇齒輪材料，加工方便、制造成本低，但其傳動(dòng)效率不如擺線少齒差傳動(dòng)高。60 年代國(guó)外開(kāi)始探討圓弧少齒差傳動(dòng)，到70 年代中期，日本開(kāi)始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速機(jī)的系列化生產(chǎn)。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是行星輪的齒廓曲線采用四圓弧代替了擺線，輪齒與針齒在嚙合點(diǎn)的曲率方向相同，形成兩凹凸圓弧的內(nèi)嚙合，從而提高了輪齒的接觸強(qiáng)度和嚙合效率，其針齒不帶齒套，并采用半埋齒結(jié)構(gòu)，既提高了彎曲強(qiáng)度又簡(jiǎn)化了針齒結(jié)構(gòu)。此外，圓弧形輪齒的加工無(wú)需專(zhuān)用機(jī)床，精度也易保證，且修配方便。
近十幾年來(lái)又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)錐齒少齒差傳動(dòng)、雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)及用彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的諧波傳動(dòng)。實(shí)踐證明，少齒差傳動(dòng)與適用于相同工況的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：如體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大和傳動(dòng)效率高等。
我國(guó)從50 年代就開(kāi)始從事少齒差傳動(dòng)的研究。1958年開(kāi)始研制擺線針輪減速機(jī)，60年代投人工業(yè)化生產(chǎn)，目前已形成系列，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，該減速機(jī)己廣泛用于各類(lèi)機(jī)械設(shè)備中。1960年我國(guó)研制成第一臺(tái)二齒差漸開(kāi)線行星齒輪減速機(jī)，用于橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)中。1956 年我國(guó)著名機(jī)械學(xué)專(zhuān)家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是當(dāng)輸人軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)（即高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過(guò)一雙曲柄機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外同行的高度評(píng)價(jià)。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒數(shù)差Zd=1的漸開(kāi)線K-H-v型行星齒輪減速器及設(shè)計(jì)”一文，詳細(xì)闡述了漸開(kāi)線少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法。朱景梓教授所從事的這些創(chuàng)造性工作，為少齒差行星齒輪傳動(dòng)在我國(guó)的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)作用。雙曲柄輸入式少齒差行星齒輪傳動(dòng)使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板為行星輪時(shí)，行星軸承的徑向尺寸可不受限制，從而提高了行星軸承的壽命。另外，這種傳動(dòng)不需專(zhuān)門(mén)的輸出機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、適用性強(qiáng)。但由于歷史原因，這種傳動(dòng)直到70年代末才得到了較多單位的研制和使用。目前應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，已用在小型起重設(shè)備、畜牧機(jī)械、食品、輕工、化工機(jī)械、漁業(yè)、紡織、焊接、水利、機(jī)床、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。1985年冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院陳宗源高工提出了平行軸式少齒差內(nèi)齒行星齒輪傳動(dòng)裝置一三環(huán)減速器，并于同年以“三環(huán)式減速（或增速）傳動(dòng)裝置”申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。1992年重慶鋼鐵集團(tuán)公司研制出了單齒環(huán)雙曲柄輸入少齒差減速器，并于同年申請(qǐng)了實(shí)用新型專(zhuān)利。英國(guó)人在1989年也提出了類(lèi)似的少齒基傳動(dòng)裝置，但是按其原理設(shè)計(jì)的減速器，在一根曲柄上安裝三個(gè)內(nèi)齒板，不得不做成偏心套結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工分度精度要求高，而且在工作過(guò)程中，偏心套受交變扭矩作用，在與曲軸連接的表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致發(fā)熱；此外，三套互成120°相位差的雙曲柄機(jī)構(gòu)之間存在多次過(guò)約束，加工及裝配誤差容易導(dǎo)致附加沖擊，引起振動(dòng)和噪聲。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一塊齒板上布置三個(gè)曲柄軸的內(nèi)齒行星傳動(dòng)裝置，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單齒板傳動(dòng)不存在死點(diǎn)，但由于有三個(gè)曲柄軸，加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。1998年朱才朝對(duì)三環(huán)減速器進(jìn)行了振動(dòng)控制的研究。1999年哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生梁永生提出了一種新型的金屬?gòu)椥原h(huán)均載的兩級(jí)三環(huán)減速機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析及樣機(jī)實(shí)驗(yàn), 2001年天津大學(xué)博士研究生楊建明用彈性力學(xué)方法對(duì)三環(huán)傳動(dòng)進(jìn)行了理論分析。
1.2.2 雙環(huán)減速器故障診斷國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1）故障診斷的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
根據(jù)已經(jīng)掌握資料，最早開(kāi)發(fā)故障診斷技術(shù)的是美國(guó)。1961年開(kāi)始執(zhí)行阿波羅計(jì)劃后出現(xiàn)的一系列設(shè)備故障造成的悲劇導(dǎo)致1967年在美國(guó)宇航局提議下，由美國(guó)海軍研究室主持成立了美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組（MFPG )，積極從事技術(shù)診斷的開(kāi)發(fā)。1971 年MFPG 正式劃歸美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局領(lǐng)導(dǎo)，從事故障機(jī)理的研究、檢測(cè)、診斷和預(yù)報(bào)的技術(shù)研究，可靠性分析及耐久性評(píng)價(jià)。美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME ）領(lǐng)導(dǎo)下的鍋爐壓力容器監(jiān)測(cè)中心在應(yīng)用聲發(fā)射診斷技術(shù)（AE）對(duì)靜設(shè)備故障診斷方面取得了較大的進(jìn)展。其他還有Johns Mitchel 公司的超低溫水泵和空壓機(jī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，SPIR公司的用于軍用機(jī)械的軸和軸承診斷技術(shù)，TEDE-CO公司的潤(rùn)滑油分析診斷技術(shù)等都在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。美國(guó)在航空方面，在可靠性維修管理的基礎(chǔ)上，大規(guī)模地對(duì)飛機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用了飛行器計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)綜合系統(tǒng)（AIDS) ，分析處理大量飛行中的信息來(lái)確定飛機(jī)各部位的故障原因并發(fā)出消除故障的命令，這一技術(shù)己用于B747和DC9等巨型客機(jī)中，大大提高了飛行安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界班機(jī)每?jī)|旅客公里的死亡率從60年代的0石左右下降到70年代的0.2 左右，并非偶然。
在英國(guó)20世紀(jì)60年代末70年代初，以R.A.Collacott 為首的英國(guó)機(jī)器保健中心最先開(kāi)始研究故障診斷技術(shù)，1982年曼徹斯特大學(xué)成立了沃福森工業(yè)維修公司（WIMU)，其他還有幾家公司都開(kāi)展了這方面的研究工作。設(shè)備診斷技術(shù)在歐洲其他國(guó)家也有很大發(fā)展，這些國(guó)家在某一方面具有特色或領(lǐng)先地位，瑞典的SPM公司的軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)，挪威的船舶診斷技術(shù)，丹麥B&K 公司的振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀器等都各有千秋。日本在鋼鐵、化工、鐵路等民用工業(yè)部門(mén)的診斷技術(shù)方面發(fā)展很快，占有某些優(yōu)勢(shì)，他們密切注意世界性動(dòng)向，積極引進(jìn)消化最新技術(shù)，努力發(fā)展自己的診斷技術(shù)，研制自己的診斷儀器，新日鐵從1971年起開(kāi)發(fā)診斷技術(shù)，到1976年基本上達(dá)到實(shí)用階段。日本的機(jī)械維修、計(jì)測(cè)自動(dòng)控制、電氣和機(jī)械學(xué)會(huì)相繼設(shè)立了自己的專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)。日本國(guó)立研究機(jī)構(gòu)中的機(jī)械技術(shù)研究所和船舶技術(shù)研究所重點(diǎn)研究機(jī)械基礎(chǔ)件的診斷技術(shù)。東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、京都大學(xué)等高等院校著重基礎(chǔ)性理論研究。其他民辦企業(yè)如三菱重工、川崎重工、日立制作所、東芝電器等以企業(yè)內(nèi)部的工作為中心著重研究應(yīng)用水平較高的實(shí)用題目。
歐洲著名的國(guó)際測(cè)量學(xué)會(huì)(IMEKO）的第10專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（TC-10 )，也就是技術(shù)診斷學(xué)委員會(huì)，每隔1年或2年召開(kāi)一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，我國(guó)代表從它的第三屆國(guó)際會(huì)議開(kāi)始參加，到1987年的第五屆己連續(xù)參加了三屆，第四屆上有四篇論文，在第五屆上有7篇論文。
我國(guó)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在1983年提出了《國(guó)營(yíng)工業(yè)交通設(shè)備管理試行條例》，這個(gè)條例有力地推動(dòng)了我國(guó)設(shè)備故障診斷技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究。
當(dāng)前我國(guó)的一些民用工業(yè)，尤其是冶金、石化和電力等流程工業(yè)，在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用設(shè)備診斷技術(shù)方面走在了前面，因?yàn)檫@些工業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生事故就會(huì)造成很大損失。原冶金工業(yè)部首先在東北大學(xué)和北京科技大學(xué)培養(yǎng)了從事故障診斷的研究生，己有一批碩士生和博士生畢業(yè)，其次以北京冶金設(shè)備研究所為基地建立設(shè)備診斷研究室，并開(kāi)展了測(cè)試、培訓(xùn)和咨詢(xún)工作。1983 年確定寶山鋼鐵集團(tuán)公司和太原鋼鐵公司為開(kāi)展診斷技術(shù)的試點(diǎn)單位，建立了振動(dòng)、紅外和鐵譜三個(gè)實(shí)驗(yàn)室。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面對(duì)燒結(jié)和高爐的風(fēng)機(jī)、制氧站的空壓機(jī)進(jìn)行了測(cè)試和分析，研制了ZJCY85 型風(fēng)機(jī)軸承在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；在紅外和熱像方面對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)易診斷，對(duì)爐殼爐襯腐蝕的診斷。都取得了好的效果；在鐵譜技術(shù)方面對(duì)175t脫錠吊車(chē)的油泵油液進(jìn)行鐵譜分析，為液壓泵、隨動(dòng)閥等部件的磨損找出了預(yù)防措施。東北大學(xué)與唐山鋼鐵集團(tuán)公司合作研制了650mm 軋機(jī)軋制力矩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)650mm軋機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，又與本鋼合作研制了1150mm萬(wàn)能板坯軋機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出軋鋼機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列人國(guó)家“八五”重點(diǎn)科研成果推廣計(jì)劃；東北大學(xué)研制的風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列人1995年國(guó)家重點(diǎn)科技成果推廣計(jì)劃。
石化總公司從20世紀(jì)70年代組織無(wú)損檢測(cè)到80年代開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，已投資600多萬(wàn)元為其所屬企業(yè)裝備了各類(lèi)監(jiān)測(cè)儀表1400多臺(tái)套，加強(qiáng)了對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障原因分析。采用輕便高效的探傷儀、測(cè)厚儀、內(nèi)窺鏡及聲發(fā)射技術(shù)，加強(qiáng)了對(duì)壓力容器的檢測(cè)，同時(shí)開(kāi)展熱監(jiān)測(cè)工作，利用紅外熱像儀測(cè)定廠內(nèi)散熱損失，合理選用隔熱材料達(dá)到了節(jié)能的效果。
水電行業(yè)以大機(jī)組為重點(diǎn)開(kāi)展了機(jī)械設(shè)備故障診斷的研究，應(yīng)用紅外熱像技術(shù)進(jìn)行設(shè)備診斷對(duì)安全運(yùn)行起到了良好作用，制成了比國(guó)外漏水繼電器性能優(yōu)越的雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)漏水報(bào)警系統(tǒng)。研制出用于變壓器故障診斷的氣相色譜儀，利用聲發(fā)射技術(shù)測(cè)定鍋爐爐管和汽包焊縫。
此外，機(jī)械行業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易診斷和精密診斷方面，航空工業(yè)在研制診斷儀器方面，核工業(yè)在進(jìn)行反應(yīng)堆故障診斷和壽命預(yù)測(cè)方面，鐵道部門(mén)在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)車(chē)油液的光譜、鐵譜分析和電力機(jī)車(chē)診斷方面，以及交通部門(mén)在實(shí)施汽車(chē)不解體檢測(cè)等方面都是卓有成效的。
1986年6月4日-7日在沈陽(yáng)東北工學(xué)院（現(xiàn)東北大學(xué)）召開(kāi)了國(guó)內(nèi)第一次機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)國(guó)際會(huì)議，中外學(xué)者和專(zhuān)家340多人參加了會(huì)議，會(huì)上交流了117篇論文。這次會(huì)議在加強(qiáng)國(guó)際學(xué)術(shù)交流和促進(jìn)我國(guó)診斷技術(shù)的發(fā)展上起了積極作用，會(huì)議促成了東北地區(qū)機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)研究會(huì)在1986年9月正式成立，推動(dòng)了各大型企業(yè)診斷技術(shù)的進(jìn)展，鞍山鋼鐵公司和本溪鋼鐵公司成立了專(zhuān)門(mén)從事機(jī)械設(shè)備診斷和現(xiàn)代化管理的科室，積極購(gòu)置先進(jìn)的儀器設(shè)備并開(kāi)展技術(shù)診斷的研究工作。1987年11月召開(kāi)了東北地區(qū)機(jī)械設(shè)備診斷技術(shù)研究會(huì)第一屆年會(huì)，交流了東北地區(qū)一年來(lái)在技術(shù)診斷研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上的成果和經(jīng)驗(yàn)，到2000年已召開(kāi)了三次國(guó)際會(huì)議和四次地區(qū)會(huì)議。
1987年5月中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷學(xué)會(huì)成立，至今己召開(kāi)了六次全國(guó)會(huì)議，其特點(diǎn)是從理論和方法的角度來(lái)發(fā)展故障診斷技術(shù)。
國(guó)家經(jīng)貿(mào)委中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)已在全國(guó)各省成立了在省經(jīng)貿(mào)委領(lǐng)導(dǎo)下的各省設(shè)備管理協(xié)會(huì)，推動(dòng)設(shè)備管理的改革和現(xiàn)代化，中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)設(shè)備診斷工程委員會(huì)，召開(kāi)了三次全國(guó)會(huì)議，其特點(diǎn)是從管理的角度來(lái)發(fā)展故障診斷技術(shù)。一中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)成立了失效分析工作委員會(huì)，建立了全國(guó)性的專(zhuān)家?guī)旌褪Х治鼍W(wǎng)，協(xié)調(diào)全國(guó)的失效分析和故障預(yù)防研究工作。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)設(shè)備維修分會(huì)設(shè)備診斷技術(shù)委員會(huì)已召開(kāi)了人次全國(guó)會(huì)議，其特點(diǎn)是從工程應(yīng)用的角度來(lái)發(fā)呢故障診斷技術(shù)。
國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)大學(xué)像西安交通大學(xué)、東北大學(xué)等相繼建立了故障診斷工程中心，目前不少高等院校都在培養(yǎng)故障診斷方面的碩士和博士研究生，這些學(xué)校有西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南京航空學(xué)院、哈爾演工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等等。
2）齒輪箱的故障診斷方法與研究現(xiàn)狀
齒輪箱是一種量大面廣而且應(yīng)用最為普遍的基礎(chǔ)性部件，廣泛存在于機(jī)械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域的各種設(shè)備之中，應(yīng)用范圍非常廣，但也是在設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中拆卸較為復(fù)雜，誤工誤時(shí)較多較復(fù)雜的部件之一。
按檢測(cè)手段來(lái)分齒輪箱故障診斷方法有以下幾種：
a.振動(dòng)檢測(cè)診斷法
以機(jī)器振動(dòng)作為信息源，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)參數(shù)的變比特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
b.噪聲檢測(cè)診斷法
以機(jī)器運(yùn)行中的噪聲作為信息源，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)噪聲參數(shù)的變化壽征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。此法的本質(zhì)與振動(dòng)檢測(cè)診斷法是一致的，因?yàn)樵肼曋饕怯烧駝?dòng)產(chǎn)生的。此法雖簡(jiǎn)便，但易受環(huán)境噪聲影響，不如振動(dòng)檢測(cè)診斷法準(zhǔn)確。
c.溫度檢測(cè)診斷法
以可觀測(cè)的機(jī)械零件的溫度作為信息源，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)溫度參數(shù)的變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
d.聲發(fā)射檢測(cè)診斷法
金屬零件在磨損、變形、破裂過(guò)程中產(chǎn)生彈性波，以此彈性波為信息源，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，分析彈性波的頻率變化特征判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。
e.潤(rùn)滑油中金屬含量分析診斷法
在齒輪箱機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，以潤(rùn)滑油中金屬含量的變化，判別齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。
f.光纖內(nèi)窺技術(shù)
主要利用特別的光纖內(nèi)窺鏡直接觀察到零件表面磨損與腐蝕情況。這一技術(shù)由于需一套成像系統(tǒng)，操作復(fù)雜，且對(duì)油污的限制較多，故較少采用。按診斷方法原理分有以下幾種:
a.頻域診斷法
一應(yīng)用頻譜分析技術(shù)，根據(jù)頻譜特征變化，判別機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)及故障形成原因。
b.時(shí)域分析法
應(yīng)用時(shí)間序列模型及其有關(guān)的特性函數(shù)，判別機(jī)器的工況狀態(tài)的變化。
c.統(tǒng)計(jì)分析法
應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)模型及其有關(guān)的特性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)工況狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷。
d.信息理論分析法
應(yīng)用信息理論建立的某些特性函數(shù)，如庫(kù)爾伯克（Kullback）信息數(shù)，J散度等在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的變化，進(jìn)行工況狀態(tài)分析與故障診斷。
e.模式識(shí)別法
利用檢測(cè)信號(hào)，提取對(duì)工況狀態(tài)反應(yīng)敏感的特征量構(gòu)成模式矢量，設(shè)計(jì)合適的分類(lèi)器，判別工況狀態(tài)，它是人工智能的技術(shù)之一。
f.其他人工智能方法
如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)等，這些都是新發(fā)展的新領(lǐng)域。
根據(jù)收集到的資料，對(duì)齒輪故障各種診斷方法歸類(lèi)分析，并對(duì)各種方法診斷效果的優(yōu)劣進(jìn)行了比較，情況見(jiàn)表1.1
表1.1 齒輪故障診斷方法分類(lèi)
|
方法 |
類(lèi)型 |
研究現(xiàn)狀 |
優(yōu)缺點(diǎn) |
|
振
動(dòng)
與
噪
聲
分
析
法 |
譜
分
析 |
功率譜
分析 |
研究應(yīng)用者
很多，理論比
較成熟 |
1）對(duì)大面積磨損點(diǎn)蝕等均布故障分析效果好；
2）有專(zhuān)門(mén)的儀器可利用，分析速度快；
3）對(duì)局部故障不敏感，難以定量化分析；
4）丟失相位信息 |
|
細(xì)化譜
分析 |
主要用于輔
助分析 |
提高頻率分辨率，對(duì)識(shí)別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)有好處，常
做為功率譜分析的輔助手段 |
|
相干譜
分析 |
研究應(yīng)用者
不多 |
1）有文獻(xiàn)報(bào)道用于均布磨損等故障分析中；
2）故障特性不明顯，難以識(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果亦不統(tǒng)一 |
|
倒譜
分析 |
研究應(yīng)用者
較多， |
1）對(duì)于識(shí)別齒輪邊頻結(jié)構(gòu)很有效；
2）對(duì)傳遞路徑不敏感，有文獻(xiàn)報(bào)道曾用倒譜分析做定量診斷；
3）需專(zhuān)門(mén)儀器，信噪比不高時(shí)影響使用效果 |
|
雙譜
分析
|
剛剛開(kāi)始引
人齒輪故障
診斷領(lǐng)域，
方法不成熟
|
1）初步用于診斷磨損點(diǎn)蝕等故障；
2）信噪比高，信息全，包含相位信息；
3 ）識(shí)別非線性調(diào)制信號(hào)能力強(qiáng)；
4）計(jì)算量很大，難以實(shí)現(xiàn)，一般采用近似算法；
5）譜圖為三維圖，不直觀，難以定量化；
6 ）不易用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) |
|
簡(jiǎn)
單
時(shí)
域
分
析
|
低頻時(shí)
域平均
分析 |
做為輔助分
析手段應(yīng)用
趨于普遍
|
1）一般難以直接從波形上識(shí)別幫障在低頻域極特殊
情況下可做為一簡(jiǎn)易診斷方法；
2）普遍用于數(shù)據(jù)預(yù)處理，去掉非周期成分，提高信
噪比 |
|
時(shí)域波
形的參
數(shù)分析 |
最早使用的
診斷方法，
現(xiàn)在用的不
多 |
1）各種各樣的參數(shù)很多，如波峰系數(shù)、峭度系數(shù)等；
2）常做為簡(jiǎn)易診斷手段，方法粗糙；
3）定量化好，易于計(jì)算機(jī)識(shí)別及控制，計(jì)算量小，
最好與其他方法配合使用 |
|
時(shí)
域
解
調(diào)
分
析 |
調(diào)幅
分析 |
研究者不多，
主要采用希
爾伯特變換做
包絡(luò)分析 |
1）與故障點(diǎn)有對(duì)應(yīng)性，對(duì)局部嚴(yán)重故障識(shí)別有利；
2）要與時(shí)域平均等技術(shù)結(jié)合，否則包絡(luò)波形變化
大難以識(shí)別 |
|
相位解
調(diào)分析 |
研究應(yīng)用者
不多，有前途 |
1）有文獻(xiàn)報(bào)道用此法識(shí)別出了齒根裂紋；
2）分析方法也是基于希爾伯特變換；
3）用于相位信息，與信號(hào)強(qiáng)弱無(wú)關(guān)
|
|
頻率解
調(diào)分析 |
剛開(kāi)始應(yīng)用
研究，大有
發(fā)展前景 |
1）利用了信號(hào)的相位信號(hào)分析頻率解悶，抗干擾性
好3
2）這種方法故障信息明顯，具有可逆性與故障點(diǎn)有
對(duì)應(yīng)性，是一一種較有發(fā)展前途的好方法 |
|
時(shí)
序
分
析
法 |
時(shí)間序列
的參數(shù)分
析，AR譜
及最大熵
譜分析 |
是較新方法，
但不很成熟，
研究者較多 |
1）適用于嚴(yán)重磨損等故障，譜線清晰準(zhǔn)確；
2）所需數(shù)據(jù)且小，易于計(jì)算機(jī)控制和計(jì)算；
3）采用一些參數(shù)分析，便于定量診斷；
4）對(duì)齒輪邊頻成分的識(shí)別無(wú)能為力，是其致命缺點(diǎn) |
|
其
他
分
析
法 |
鐵譜分
析，聲發(fā)
射技術(shù)，
溫度及能
耗監(jiān)測(cè) |
研究者較多 |
1）油液分析對(duì)磨損、剝落等故障有效；
2）溫度及能耗監(jiān)測(cè)分析，方法粗糙，對(duì)振動(dòng)量大的
磨損等嚴(yán)重故障有效；
3）聲發(fā)射技術(shù)識(shí)中輥裂紋等故障較有效，但還沒(méi)大量
進(jìn)人工業(yè)應(yīng)用 |
丁康等利用振動(dòng)理論和試驗(yàn)研究分析了齒輪箱中齒形誤差、齒輪均勻磨損、箱體共振、軸輕度彎曲、斷齒、軸不平衡、軸嚴(yán)重彎曲、軸向竄動(dòng)、軸承疲勞剝落和點(diǎn)蝕九種典型故障的振動(dòng)特征。
丁康認(rèn)為為了綜合利用典型故障的特征，必須采用對(duì)加速度和速度進(jìn)行兩時(shí)域（原始時(shí)域信號(hào)和包絡(luò)時(shí)域信號(hào)）特征值分析和三頻域（頻譜、細(xì)化譜、解調(diào)譜）分析的方法。由于振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域均方值反映了平均振動(dòng)能量，時(shí)域峰值、峭度和峰值指標(biāo)在一定程度上反映出振動(dòng)信號(hào)是否含有沖擊成分，而包絡(luò)時(shí)域均方值可直接反映出振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)大小，峰值、峭度和峰值指標(biāo)則可直接反映出振動(dòng)沖擊信號(hào)的尖銳程度，所以在時(shí)域一般選用這四個(gè)特征值作為診斷參量。在齒輪箱故障診斷中頻譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中齒輪嚙合頻率和軸承內(nèi)、外環(huán)固有頻率等中高頻成分；細(xì)化譜主要用于分析振動(dòng)速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過(guò)頻率等低頻成分；解調(diào)譜主要用于分析振動(dòng)加速度信號(hào)中各軸轉(zhuǎn)頻和軸承各組件通過(guò)頻率等低頻成分。齒輪箱因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其振動(dòng)的頻率成分很多，故一定要在建立檔案的基礎(chǔ)上來(lái)判斷是否存在故障，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行故障診斷。
王新晴對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，指出了齒輪箱失效的定界原則，對(duì)齒輪箱故障特征的提取與自動(dòng)化診斷方面提出了一套新的技術(shù)方法。
于德介，程軍圣將EMD (Empirical Mode Dicomposition）方法應(yīng)用于機(jī)械故障診斷中，提出了一個(gè)新的齒輪故障診斷方法。EMD方法基于信號(hào)的局部特征時(shí)間尺度，能把復(fù)雜的信號(hào)分解為有限的內(nèi)在模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function）之和，這種自適應(yīng)的分解方法非常適于非線性和非平穩(wěn)過(guò)程的分析。用該方法對(duì)齒輪故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該方法能夠有效地降低噪聲，提高信噪比，突出齒輪故障振動(dòng)信號(hào)的故障特征，從而提高齒輪故障診斷的準(zhǔn)確性。
從目前統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，還沒(méi)有雙環(huán)減速器故障診斷方面的研究資料。
1.3 本文所作的主要工作
綜合上述文獻(xiàn)綜述，在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，一般齒輪傳動(dòng)、行星傳動(dòng)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于雙環(huán)板式少齒差傳動(dòng)，特別是對(duì)于雙環(huán)減速器的故障診斷方面的研究目前還沒(méi)有研究資料。本文以一種新型的雙環(huán)減速器為研究對(duì)象，對(duì)雙環(huán)減速器的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析及故障診斷方法進(jìn)行了研究。以便對(duì)雙環(huán)減速器存在的問(wèn)題（如動(dòng)力不平衡、振動(dòng)大、發(fā)熱、噪聲大等），找出解決問(wèn)題的有較方法或提出有效的理論根據(jù)。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括以下工作：
（1）在闡述雙環(huán)減速器工作原理的基礎(chǔ)上，分析原有的單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)及四環(huán)減速器（專(zhuān)利號(hào)：ZL89213292.2、ZL91230087.6、CN85106692.5、ZL93239404.3 )的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性，針對(duì)它們的不足，設(shè)計(jì)、研制一種新型的雙環(huán)減速器，并制造實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，申請(qǐng)并獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：ZL 01 2 06843.8）。
（2）考慮部分制造誤差及安裝的影響，對(duì)環(huán)板內(nèi)齒的嚙合傳動(dòng)，分析各種誤差對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響，建立考慮誤差的環(huán)板內(nèi)齒接觸有限元模型，針對(duì)不同的工況，進(jìn)行有限元接觸分析計(jì)算，討論各種誤差及載荷的變化對(duì)齒輪接觸齒對(duì)及載荷分配情況的影響，分析因載荷不均造成減速器振動(dòng)的影響因素。
（3）建立雙環(huán)減速器主要零部件及減速器系統(tǒng)的有限元模型，對(duì)齒輪系統(tǒng)主要零件及減速器系統(tǒng)進(jìn)行理論模態(tài)分析，計(jì)算雙環(huán)減速器主要零部件及減速器系統(tǒng)的前十階模態(tài)及振型，為進(jìn)行振動(dòng)故障分析提供數(shù)據(jù)。
（4）進(jìn)行故障智能診斷系統(tǒng)的整體集成，獨(dú)立開(kāi)發(fā)智能診斷推理機(jī)平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的接口程序（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接庫(kù)DLL)，完成故障特征信號(hào)的提取與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。建立網(wǎng)絡(luò)化、智能化旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)。
（5）分析雙環(huán)減速器的振動(dòng)特性，討論雙環(huán)減速器產(chǎn)生故障的主要原因及故障主要類(lèi)型，分析雙環(huán)減速器的故障特征、故障模式，用圖形化的故障智能診斷平臺(tái)，建立雙環(huán)減速器的故障診斷專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)。
（6）對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行不同工況下的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲動(dòng)態(tài)測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的故障振動(dòng)測(cè)試，采集減速器的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分析。用“網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)”對(duì)樣機(jī)進(jìn)行偏心軸彎曲及環(huán)板齒形誤差故障的在線診斷測(cè)試，驗(yàn)證雙環(huán)減速器故障推理專(zhuān)家知識(shí)的正確性。
本文在以下幾個(gè)方面取得了創(chuàng)新性成果：
1）設(shè)計(jì)、研制了新型結(jié)構(gòu)的雙環(huán)減速器，該新結(jié)構(gòu)形式獲國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)為：ZL01 2 47113.5)；
2）在進(jìn)行故障智能診斷系統(tǒng)的整體集成的基礎(chǔ)上，獨(dú)立開(kāi)發(fā)了智能診斷推理機(jī)與數(shù)據(jù)引擎之間的接口程序（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接庫(kù)DLL)，完成了故障特征信號(hào)的提取與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了故障信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送。建立了網(wǎng)絡(luò)化、智能化旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷系統(tǒng)；
3）首次在分析一般減速器故障特征的基礎(chǔ)上，分析了雙環(huán)減速器的故障特點(diǎn)及故障特征形式，進(jìn)行了雙環(huán)減速器結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲測(cè)試分析；
4）首次用圖形化的故障智能診斷平臺(tái)，進(jìn)行了雙環(huán)減速器網(wǎng)絡(luò)化、智能化在線故障診斷。
