張 宇， 盧文秀， 褚福磊

(清華大學(xué) 機械工程系，北京 100084)

基于聲發(fā)射衰減特性的故障行星輪定位研究

張 宇， 盧文秀， 褚福磊

(清華大學(xué) 機械工程系，北京 100084)

行星齒輪箱是風(fēng)力機傳動裝置的重要組成部分，行星輪在低速重載、既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的復(fù)雜環(huán)境下容易誘發(fā)故障，其故障診斷特別是故障行星輪定位一直是研究重點和難點。建立了行星輪齒輪箱實驗裝置，模擬了行星輪故障，并利用聲發(fā)射信號進行故障行星輪定位。實驗研究了聲發(fā)射信號在齒輪內(nèi)部、齒輪與齒輪之間的傳播特性，利用信號的幅值衰減特性簡化了故障定位模型。利用信號幅度隨信號傳播距離增加而呈指數(shù)衰減的關(guān)系，建立了故障源定位方程組，從而獲得故障齒的嚙合位置，進一步確定故障行星輪的位置。實驗結(jié)果表明:利用聲發(fā)射信號的幅值衰減特性能夠較為精確的確定故障行星輪的位置。

聲發(fā)射；衰減特性；行星輪；定位

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的迅速發(fā)展，風(fēng)機的關(guān)鍵組成部分——行星齒輪增速箱的健康問題倍受重視。而在行星齒輪箱故障診斷這一領(lǐng)域中，現(xiàn)有的研究工作大多集中在定軸轉(zhuǎn)動或相對靜止的部件中，對于既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的行星輪研究相對較少[1]，而恰恰在齒輪箱中行星輪的受力情況最為復(fù)雜，也是最易損壞的元件之一。在齒輪的諸多故障形式中，局部輪齒剝落故障不僅影響著齒輪箱的傳動精度，而且極易造成齒輪內(nèi)部的不均載[2]，因而很具研究價值。此外，無論是傳統(tǒng)的振動檢測技術(shù)還是聲發(fā)射檢測技術(shù)，通過從信號中提取相應(yīng)故障的故障特征頻率依舊是診斷的主流方法，但對于行星齒輪箱而言，行星輪個數(shù)較多，僅僅診斷出行星輪存在故障有時并不能滿足工業(yè)需求，因而能夠?qū)收闲行禽嗊M行定位具有重要意義。

聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)信號是指材料內(nèi)部發(fā)生變形或破壞時而發(fā)出的彈性應(yīng)力波[3]?；趯β暟l(fā)射信號進行研究的聲發(fā)射無損檢測技術(shù)因具有對構(gòu)件幾何形狀不敏感，信號集中在高頻域等特征[4]被廣泛應(yīng)用于具有較強機械噪聲的復(fù)雜機構(gòu)故障診斷中，如齒輪及軸承等重要旋轉(zhuǎn)機械構(gòu)件[5]。

在故障源定位方面，聲發(fā)射檢測技術(shù)呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。例如NIRI等[6]利用6個傳感器構(gòu)成的傳感器陣列診斷出了圓柱殼單元的故障源位置。EATON等[7]建立了基于聲發(fā)射信號到達時間的方法對碳纖維層合板的故障源位置進行定位。在旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)定位方面，WANG等[8]利用布置在自轉(zhuǎn)桿狀結(jié)構(gòu)兩端的聲發(fā)射傳感器采集信號，并通過信號到達時間的互相關(guān)關(guān)系對桿件的磨損位置進行定位。LI等[9]利用聲發(fā)射方法采集了置入故障齒輪的定軸齒輪箱不同位置的聲發(fā)射信號，通過到達時間對故障齒輪位置進行估計。由此可以看出以往的聲發(fā)射定位研究工作大多基于結(jié)構(gòu)較為簡單的靜止或定軸轉(zhuǎn)動構(gòu)件，而且普遍采用較為復(fù)雜的基于信號到達時間的故障源定位研究方法。為了對復(fù)雜的行星輪故障進行定位研究，提高定位效率，本文從聲發(fā)射波的幅值衰減角度著手，分析了齒輪箱中聲發(fā)射波的傳播特性，簡單有效的對故障行星輪進行定位，也為其它復(fù)雜旋轉(zhuǎn)機械失效部件的定位提供了參考。

1 聲發(fā)射波傳播特性

聲發(fā)射波是一種復(fù)雜的瞬態(tài)彈性波，包含多種波形成分。不同結(jié)構(gòu)中所激勵出的聲發(fā)射波形式也不盡相同，對于齒圈而言，雖其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在實際應(yīng)用中可以將其簡化為一圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)。諸多被激勵出的波形成分在齒輪箱內(nèi)部經(jīng)反射、折射、透射以及衰減的影響，各頻率成分發(fā)生劇烈變化，因此從信號到達時間角度進行定位將會十分復(fù)雜。但信號隨傳播距離增加，其能量呈衰減趨勢，而幅值能反應(yīng)能量的變化，因此，利用聲發(fā)射信號幅值衰減特性可以對行星輪故障進行定位。

聲發(fā)射波的衰減一般有三種形式，即擴散衰減、吸收衰減及散射衰減[10]。其中吸收衰減及散射衰減一般由材料的黏滯性及本身缺陷造成，對于聲發(fā)射波的衰減影響較小，為了簡化模型予以忽略，即聲發(fā)射波的主要衰減模式為擴散衰減。

隨著彈性波傳播距離的增加，聲壓分布發(fā)生變化，單位面積的聲波能量及聲壓降低，即擴散衰減。聲發(fā)射波振幅隨傳播距離呈指數(shù)衰減形式，表達式為：

p(x)=p0e-δx

(1)

式中:x為傳播距離;δ為衰減系數(shù);p0為聲源處聲發(fā)射波幅值。

為了衡量信號幅值的衰減，以信號峰峰值的一半作為參考準則，即：

(2)

式中:Max(s)為信號數(shù)據(jù)集s的最大值;Min(s)為信號數(shù)據(jù)集的最小值。

為了呈現(xiàn)出幅值衰減與信號傳播距離的線性關(guān)系，便于對故障進行定位，本文引入DB值，即

DB=20lg(P2P×107)

(3)

可以推斷出DB值隨信號傳播距離增加線性變化。

2 實驗臺的搭建與信號的獲取

為了模擬實際風(fēng)電齒輪箱，設(shè)計了如圖1所示的風(fēng)電齒輪箱等比縮小模型。該行星輪增速箱由一級行星齒輪增速級與兩級定軸齒輪增速級構(gòu)成。同時，為了保證行星輪增速箱的正常運轉(zhuǎn)并模擬實際工況，增設(shè)了驅(qū)動電機、行星減速箱、以及液壓加載模塊。整機結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中驅(qū)動電機為主動側(cè)，行星輪減速箱與行星輪增速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同并對稱安裝。考慮到減速箱與增速箱之間通過聯(lián)軸器連接，傳遞路徑較長，故減速箱動態(tài)響應(yīng)對增速箱影響較小。

圖1 行星輪增速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 The internal structure of speed multiplier

圖2 行星輪故障模擬實驗臺Fig.2 The test rig assenbly

實驗選取行星輪增速箱的行星齒輪箱為研究對象，各齒輪均選用45號鋼作為材料并淬火，保證了良好的表面硬度。實驗中，行星輪故障選取定點式剝落故障，采用線切割的方式在某一輪齒表面切掉厚度為0.5 mm的薄層，如圖3所示。

圖3 齒輪剝落故障Fig.3 Seeded tooth chipping fault

對于行星齒輪增速箱而言，一旦各齒輪齒數(shù)及輸入轉(zhuǎn)速確定后，相關(guān)的各頻率參數(shù)便可以計算出來。本實驗中行星增速箱輸出軸負載扭矩設(shè)定為500 N·m。馬達控制面板轉(zhuǎn)頻調(diào)節(jié)范圍為30～60 Hz，對應(yīng)輸出軸轉(zhuǎn)頻范圍為14.65～29.85 Hz，行星輪減速箱傳動比為56.33，則對應(yīng)的行星增速齒輪箱的行星架輸入轉(zhuǎn)速為0.26～0.53 Hz，與實際風(fēng)機工況相吻合。本實驗中，選取驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)頻為50 Hz(對應(yīng)電機輸出軸轉(zhuǎn)頻24.79 Hz)，則實際行星架輸入轉(zhuǎn)頻為0.44 Hz，各齒輪齒數(shù)及相關(guān)頻率參數(shù)見表1。

表1 齒輪箱各齒輪相關(guān)參數(shù)

信號獲取方面，實驗采用便攜式聲發(fā)射采集系統(tǒng)。傳感器型號為R15a，其有效工作頻率范圍為50～200 kHz，通過40 dB增益的前置放大器與采集系統(tǒng)主機相連。在信號采樣頻率的選擇方面，考慮到R15a聲發(fā)射傳感器的有效頻率響應(yīng)范圍為50～200 kHz，故選擇采樣頻率500 kHz既可以保證信號的有效頻率成分不丟失也可以有效降低信號采集及處理負擔(dān)。

3 行星齒輪箱的聲發(fā)射傳播衰減特性實驗

3.1 齒輪間的傳播衰減特性

為了驗證聲發(fā)射波的衰減形式，在定位實驗之前需對聲發(fā)射傳播衰減特性予以研究。由于行星齒輪箱中各齒輪在嚙合力的作用下相互接觸，聲發(fā)射波也會在各齒輪間進行傳播。本實驗中，采用如圖4所示的傳感器布置方式，傳感器1、傳感器2分別安裝在太陽輪端面及齒圈外表面。斷鉛點位于圖中與行星輪嚙合的太陽輪輪齒處。該斷鉛實驗中傳感器1、傳感器2所檢測到的信號P2P值分別4.986 mV及0.05 mV，衰減近似100倍，每經(jīng)過一次嚙合衰減近10倍。因此，雖然行星輪故障輪齒在與太陽輪以及內(nèi)齒圈嚙合過程中都會激勵出聲發(fā)射波，但考慮到信號在齒輪間傳播時幅值衰減嚴重且傳感器僅能布置在齒圈外表面。因此在定位計算中，只需要考慮行星輪故障齒與內(nèi)齒圈嚙合的情況。此外，由于信號在實際傳播過程中，齒輪間傳播的衰減程度遠大于齒輪內(nèi)部傳播的衰減程度，故在實際定位過程中可忽略信號在齒輪間傳播的影響，僅考慮信號在齒圈中傳播的情況。

圖4 不同齒輪間聲發(fā)射傳播衰減特性斷鉛實驗傳感器布置圖Fig.4 The arrangement of sensors for testing theattenuation characteristics between different gears

3.2 內(nèi)齒圈的傳播衰減特性

內(nèi)齒圈的傳播衰減特性實驗中共采用4個通道的聲發(fā)射傳感器，布置方式如圖5所示，相鄰傳感器間隔為60°，斷鉛點位于傳感器1正下方輪齒表面。該斷鉛實驗的各傳感器所測得的P2P值及DB值如表2所示。從表2中可以看出隨著信號傳播距離的增加，1～4通道P2P值近似呈指數(shù)衰減數(shù)列，而DB值則近似為一等差數(shù)列，相鄰傳感器之間衰減約7 dB左右。

圖5 內(nèi)齒圈中聲發(fā)射傳播衰減特性斷鉛實驗傳感器布置圖Fig.5 The arrangement of sensors for testing theattenuation characteristics in ring gear

通道1通道2通道3通道4P2P/mV7．3053．2231．3860．528DB/dB157．27150．17142．84134．45

4 行星輪故障的識別與定位

4.1 行星輪故障的識別

行星輪故障定位實驗中傳感器布置方案如圖6。4個傳感器依次標(biāo)記為傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4。其中前3通道傳感器用于采集齒輪箱故障信號，對行星輪故障進行定位，傳感器1、2，傳感器2、3之間間隔為90°，如圖6(a)第4通道傳感器用于提供故障行星輪理論位置，對比診斷結(jié)果，安裝在如圖6(b)所示的可升降平臺上，圖中螺釘延長線經(jīng)過行星架幾何中心，每當(dāng)行星架旋轉(zhuǎn)時螺釘周期性地觸動傳感器下方的銅片，因此行星架的轉(zhuǎn)速被記錄下來。實驗中，行星架的旋轉(zhuǎn)方向為圖6(c)中逆時針，該圖中箭頭代表螺釘?shù)氖噶课恢?，由于該矢量?jīng)過故障行星輪幾何中心，因此每當(dāng)故障齒與齒圈嚙合時，螺釘矢量始終指向故障點(圖中實心圓點位置)。

(a)前三通道傳感器的實際布置位置(b)第四通道傳感器的實際布置位置(c)為檢測原理圖圖6 傳感器布置方式Fig．6Thearrangementofsensors

為了對齒輪箱所存在的故障進行診斷，實驗中采集了時長為11 s的連續(xù)信號，4個通道的時域圖如圖7所示，從圖中可以觀察到有12組脈沖呈周期性等間距分布，但其中個別信號并不明顯，如第1通道中的2、8，第2通道中的3、8，以及全部3個通道的第10組信號。從信號的分布規(guī)律可以推算出相鄰脈沖組之間的時間間隔約為0.9 s，即脈沖的頻率約為1.11 Hz，與理論計算的行星輪故障特征頻率1.12 Hz十分接近。為了進一步確認行星輪故障，從圖8所示的包絡(luò)譜中可以清晰地找出行星輪故障特征頻率1.11 Hz及其倍頻2.24 Hz、3.35 Hz，因此，可以確認行星輪存在故障。

此外，圖7(d)中通道4脈沖不僅提供了行星架的轉(zhuǎn)速信息，而且在已知行星架旋轉(zhuǎn)方向的前提下，通過計算通道4脈沖與前3通道的脈沖的時間差占行星架旋轉(zhuǎn)周期的比例，便可得到圖6(c)中的故障點與傳感器4相對于齒圈幾何中心的矢量夾角。從而得到故障行星輪故障齒與齒圈嚙合的準確位置，如圖9中所示實心圓點標(biāo)記處。

4.2 行星輪故障的定位

圖7中的12組脈沖信號DB值如表3中所示。根據(jù)DB值隨距離增加而衰減的線性關(guān)系，可得方程組(4)，4個方程分別對應(yīng)于聲發(fā)射源所可能存在的四個象限。

(4)

式中:xi為通道i(i=1,2,3)的DB值;x為聲發(fā)射源的虛擬DB值;θ為故障碰撞位置對應(yīng)的角度。此外，該方程組有一個隱性判定條件，即,x1,x2,x3的最大值，即聲源處幅值最大。解方程組可得表4中的各θ值。

為了更直觀的呈現(xiàn)出定位結(jié)果，可將表4中的各值(聲發(fā)射診斷位置)用黑點標(biāo)記在圖9中，如圖10所示。從圖中可以看出診斷的平均相對誤差約為4個齒，小于6%。對于實際中的故障行星輪定位而言，在未知螺釘與故障行星輪的對應(yīng)關(guān)系時，需要反推出故障行星輪軸心及螺釘位置相對于齒圈幾何中心的夾角，從而可以確定離計算出的故障行星輪軸心最近的行星輪存在故障。因此，從信號幅值衰減的角度對故障行星輪進行定位存在理想的效果，是一種實用的定位方法。

表3 前3通道的12組短波形的DB值

圖7 行星輪剝落故障實驗4通道時域波形圖Fig.7 The waveforms of 4 channels in planet gear chipping fault diagnosis experiment

圖8 行星輪剝落故障實驗1通道信號包絡(luò)譜Fig.8 The envolope spectrum of signals in channel 1

圖9 行星輪故障齒理論嚙合位置(圖中黑點位置)Fig.9 The 12 groups of theoretical collide positions (shown as black points)

123456θ/(°)319．587．9239．3302．1128．5268．8789101112θ/(°)78．5212．3296．1116．6270．951．4

圖10 行星輪故障齒定位結(jié)果(圖中黑點位置)Fig.10 The results of fault planet gear localization (shown as black points)

5 結(jié) 論

通過斷鉛實驗驗證了聲發(fā)射信號在齒輪中的衰減幅度遠小于不同齒輪之間的衰減幅度，且在單一齒輪構(gòu)件中信號的衰減模式與理論衰減模式(即信號幅值隨傳播距離增加呈指數(shù)衰減)十分相似，一定程度上簡化了齒輪箱定位模型并有利于提高定位的精度。同時，通過信號幅度隨信號傳播距離增加而呈指數(shù)衰減，建立了故障源定位方程組，并可由該方程組解得齒圈上與故障齒嚙合的輪齒位置，從而判斷出是哪一個行星輪出現(xiàn)故障。

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Faulted planet gear positioning based on attenuation characteristics of AE signals

ZHANG Yu, LU Wenxiu, CHU Fulei

(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Planet gearbox is a crucial component of a wind turbine device, faults are easily caused during it working under complex circumstances, such as, low velocity and heavy load, simultaneous spin and revolution. Its fault diagnosis, especial, faulted planet gear positioning is always focal and difficult to study. Here, the test devices for a planetary gearbox were built to analog planet gear faults, the faulted planet gear positioning was performed with acoustic emission (AE) signals. Firstly, propagation characteristics of acoustic emission signals within and between gears were investigated, the fault positioning model was simplified with the amplitude attenuation characteristics of AE signals. Secondly, equations for fault souce positioning was established based on the exponential decay relation between signal amplitude and its propagation distance to obtain the mesh position of faulted teeth. Furthermore, the position of a faulted planted gear was determined. The test results showed that the location of a faulted planet gear can be accurately determined with the amplitude attenuation characteristics of AE signals.

acoustic emission; attenuation characteristics; planet gear; positioning

國家自然科學(xué)基金(51175279)

2015-11-25 修改稿收到日期：2016-01-25

張宇 男，碩士，1990年生

盧文秀 男，博士，副教授，1974年生

TH132.41；TK83

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.003