基于傳遞特性深入剖析行星齒輪耦合故障的研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領域，行星齒輪憑借其傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強、傳動效率高以及傳動平穩(wěn)高效等顯著優(yōu)勢，廣泛應用于各類機械設備中，成為眾多關鍵傳動系統(tǒng)的核心部件。從航空航天領域的飛行器傳動系統(tǒng)，到風力發(fā)電中的大型齒輪箱；從工業(yè)機器人的精密運動控制，到汽車自動變速器的動力傳輸，行星齒輪都發(fā)揮著舉足輕重的作用，是保障設備正常運行、實現(xiàn)高效動力傳遞的關鍵。然而，由于行星齒輪常常在低速重載、高溫、高濕度等惡劣工況下運行，加之自身結(jié)構(gòu)復雜，行星齒輪的重要部件極易發(fā)生故障。其中，耦合故障是一種較為復雜且常見的故障形式，它涉及多個部件的協(xié)同故障，對設備運行產(chǎn)生的影響更為嚴重。當行星齒輪出現(xiàn)耦合故障時，不僅會導致設備振動加劇、噪聲增大，還可能引發(fā)傳動效率下降、動力傳遞不穩(wěn)定等問題，進而影響整個設備的性能和可靠性。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，行星齒輪的耦合故障可能致使風機停機，造成巨大的經(jīng)濟損失，同時還會增加設備維護成本和安全風險。傳統(tǒng)的故障診斷方法在面對行星齒輪耦合故障時往往存在局限性，難以準確、及時地識別和診斷故障?；趥鬟f特性的研究為解決這一難題提供了新的思路和方法。通過深入研究行星齒輪系統(tǒng)的傳遞特性，能夠揭示故障信號在系統(tǒng)中的傳播規(guī)律和變化機制，從而更準確地提取故障特征，實現(xiàn)對耦合故障的有效診斷和預警。這對于提高設備的可靠性、降低維護成本、保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在行星齒輪耦合故障傳遞特性的研究領域，國內(nèi)外學者已取得了一系列有價值的成果。國外方面，一些學者采用先進的建模與仿真技術對行星齒輪系統(tǒng)進行深入研究。[具體學者姓名1]運用多體動力學軟件建立了行星齒輪系統(tǒng)的精確模型，通過仿真分析不同故障類型下系統(tǒng)的動態(tài)響應，揭示了故障信號在系統(tǒng)中的初步傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)故障特征頻率會隨著故障程度的加重而發(fā)生變化。[具體學者姓名2]則基于有限元方法，對行星齒輪的齒面接觸應力和應變進行了詳細分析，為研究故障傳遞特性提供了微觀層面的理論支持，指出齒面損傷會改變接觸應力分布，進而影響故障信號的傳遞。國內(nèi)學者在該領域也積極開展研究。[具體學者姓名3]通過實驗與理論分析相結(jié)合的方式，研究了行星齒輪系統(tǒng)的振動特性和故障傳遞規(guī)律。搭建了行星齒輪故障模擬實驗臺，采集不同故障狀態(tài)下的振動信號，利用信號處理技術分析故障特征，發(fā)現(xiàn)耦合故障會導致振動信號中出現(xiàn)新的頻率成分，且這些頻率成分與故障類型和嚴重程度密切相關。[具體學者姓名4]提出了一種基于時頻分析的行星齒輪耦合故障診斷方法，通過對振動信號進行時頻變換，提取故障特征，有效地識別出了行星齒輪的耦合故障，為故障診斷提供了新的技術手段。然而，當前研究仍存在一些不足之處。一方面，多數(shù)研究在建立模型時對系統(tǒng)進行了一定程度的簡化，忽略了一些實際因素的影響，如齒輪的制造誤差、裝配誤差以及軸承的非線性特性等，導致模型與實際系統(tǒng)存在一定偏差，影響了對故障傳遞特性的準確分析。另一方面，在故障診斷方法上，雖然現(xiàn)有的方法在一定程度上能夠識別行星齒輪的耦合故障，但對于復雜工況下的故障診斷，其準確性和可靠性還有待提高。此外，對于故障信號在系統(tǒng)中的傳播機理，目前的研究還不夠深入，尚未形成完善的理論體系。針對以上不足，未來的研究可以從以下幾個方向拓展：一是建立更加精確的行星齒輪系統(tǒng)模型，充分考慮各種實際因素的影響，提高模型的準確性和可靠性；二是進一步研究復雜工況下的故障診斷方法，結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術，提高故障診斷的準確性和智能化水平；三是深入探究故障信號的傳播機理，揭示故障傳遞的本質(zhì)規(guī)律，為故障診斷和預防提供更堅實的理論基礎。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于行星齒輪耦合故障的傳遞特性，旨在全面深入地揭示其內(nèi)在規(guī)律，為行星齒輪系統(tǒng)的故障診斷與維護提供堅實的理論基礎和有效的技術支持。具體研究內(nèi)容如下：行星齒輪系統(tǒng)建模與分析：深入剖析行星齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，運用先進的多體動力學理論和有限元方法，充分考慮齒輪的時變嚙合剛度、綜合嚙合誤差、齒面摩擦等關鍵因素，構(gòu)建精確的行星齒輪系統(tǒng)動力學模型。對正常運行狀態(tài)下的行星齒輪系統(tǒng)進行全面的動力學分析，獲取系統(tǒng)的振動特性、應力分布、位移響應等關鍵參數(shù)，為后續(xù)的故障分析提供重要的參考依據(jù)。耦合故障類型與特征分析：系統(tǒng)研究行星齒輪常見的耦合故障類型，如行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障、行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障等。通過理論推導和仿真分析，深入探究不同耦合故障類型下系統(tǒng)的動力學響應變化規(guī)律，提取能夠準確反映耦合故障特征的關鍵參數(shù)，如故障特征頻率、振動幅值、相位變化等。研究耦合故障的發(fā)展演化過程，分析故障程度與系統(tǒng)動力學響應之間的定量關系，為故障的早期診斷和預警提供科學依據(jù)。故障傳遞特性研究：深入研究故障信號在行星齒輪系統(tǒng)中的傳遞路徑和傳播規(guī)律，分析故障信號在傳遞過程中的衰減、調(diào)制、混疊等現(xiàn)象?？紤]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、裝配誤差、軸承特性等因素對故障傳遞特性的影響，建立故障信號傳遞模型，揭示故障傳遞的本質(zhì)機制。通過實驗研究，驗證故障傳遞模型的準確性和可靠性，進一步完善故障傳遞理論。故障診斷方法研究：基于對行星齒輪耦合故障傳遞特性的深入理解，結(jié)合現(xiàn)代信號處理技術、人工智能算法和機器學習方法，如小波分析、經(jīng)驗模態(tài)分解、深度學習等，提出高效、準確的行星齒輪耦合故障診斷方法。構(gòu)建故障診斷模型，利用實際采集的故障數(shù)據(jù)對模型進行訓練和驗證，提高故障診斷的準確率和可靠性。開發(fā)行星齒輪耦合故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對行星齒輪系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障診斷，為設備的安全運行提供有力保障。1.3.2研究方法本研究綜合運用理論分析、數(shù)值仿真和實驗研究等多種方法，深入探究行星齒輪耦合故障的傳遞特性，確保研究結(jié)果的科學性、準確性和可靠性。具體研究方法如下：理論分析方法：運用機械動力學、振動理論、材料力學等相關學科的基本原理，對行星齒輪系統(tǒng)的動力學特性進行深入的理論分析。推導行星齒輪系統(tǒng)的動力學方程，求解系統(tǒng)的振動響應，分析系統(tǒng)的固有特性和動態(tài)特性。研究耦合故障對系統(tǒng)動力學方程的影響，揭示耦合故障的產(chǎn)生機理和傳播規(guī)律。建立故障信號傳遞模型，從理論上分析故障信號在系統(tǒng)中的傳遞特性。數(shù)值仿真方法：利用先進的多體動力學軟件（如ADAMS、RecurDyn等）和有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），構(gòu)建行星齒輪系統(tǒng)的虛擬模型。通過設置不同的故障類型和故障參數(shù)，對行星齒輪耦合故障進行數(shù)值仿真分析。獲取系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下的動力學響應數(shù)據(jù)，如振動位移、速度、加速度、應力、應變等。對仿真數(shù)據(jù)進行處理和分析，提取故障特征，驗證理論分析結(jié)果的正確性。利用仿真方法研究不同因素對故障傳遞特性的影響，為實驗研究提供指導。實驗研究方法：搭建行星齒輪故障模擬實驗臺，模擬行星齒輪系統(tǒng)的實際運行工況。通過在實驗臺上設置不同類型的耦合故障，如行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障、行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障等，采集系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下的振動信號、噪聲信號、溫度信號等。運用信號處理技術對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，提取故障特征，驗證理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果的準確性。通過實驗研究，深入了解故障信號在實際系統(tǒng)中的傳遞特性，為故障診斷方法的研究提供實際數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法：結(jié)合現(xiàn)代人工智能技術和機器學習算法，利用大量的實驗數(shù)據(jù)和實際運行數(shù)據(jù)，建立行星齒輪耦合故障診斷模型。采用深度學習算法（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡等）對故障數(shù)據(jù)進行自動特征提取和分類識別，提高故障診斷的準確性和智能化水平。運用數(shù)據(jù)挖掘技術對故障數(shù)據(jù)進行分析，挖掘潛在的故障特征和規(guī)律，為故障診斷和預測提供新的思路和方法。二、行星齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理2.1行星齒輪系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)行星齒輪系統(tǒng)作為一種高效的動力傳動裝置，在現(xiàn)代工業(yè)中應用廣泛，其結(jié)構(gòu)復雜且精密，主要由太陽輪、行星輪、行星架和外齒圈等部件組成。太陽輪位于行星齒輪系統(tǒng)的中心位置，如同太陽系中的太陽，是整個系統(tǒng)的核心部件之一，它通常與主動軸相連，負責接收外部輸入的動力，并將動力傳遞給行星輪。由于太陽輪在傳動過程中承受較大的扭矩和轉(zhuǎn)速，因此對其材料的強度、硬度和耐磨性要求較高，通常采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并經(jīng)過精密的加工和熱處理工藝，以確保其性能的可靠性和穩(wěn)定性。行星輪是行星齒輪系統(tǒng)中的關鍵部件，它們均勻分布在太陽輪周圍，通過行星架上的銷軸與行星架相連。行星輪既可以繞自身的軸線自轉(zhuǎn)，又可以隨著行星架繞太陽輪的軸線公轉(zhuǎn)，這種獨特的運動方式使得行星齒輪系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的動力傳遞和變速功能。行星輪在工作過程中，不僅要承受來自太陽輪的驅(qū)動力，還要承受由于公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和慣性力，因此對其材料和制造工藝也有嚴格的要求。為了提高行星輪的承載能力和耐磨性，通常采用高強度合金鋼制造，并對齒面進行滲碳、淬火等表面處理，以提高齒面硬度和耐磨性。行星架是連接行星輪的重要部件，它為行星輪提供支撐和運動軌道，使行星輪能夠圍繞太陽輪進行公轉(zhuǎn)。同時，行星架也是輸出動力的部件之一，通過與輸出軸相連，將行星齒輪系統(tǒng)的動力傳遞給外部設備。行星架在工作過程中承受著較大的彎矩和扭矩，因此需要具有足夠的強度和剛度。為了減輕重量和提高性能，行星架通常采用鋁合金或高強度合金鋼制造，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計來提高其承載能力和可靠性。外齒圈是一個具有內(nèi)齒的環(huán)形齒輪，它與行星輪外嚙合，共同構(gòu)成行星齒輪系統(tǒng)的傳動副。外齒圈通常固定在箱體上，不參與轉(zhuǎn)動，但在某些情況下，也可以作為輸出部件或輸入部件。外齒圈在工作過程中主要承受行星輪傳遞的嚙合力，因此對其齒面的強度和耐磨性要求較高。為了提高外齒圈的承載能力和使用壽命，通常采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，并對齒面進行淬火、回火等熱處理工藝，以提高齒面硬度和韌性。在行星齒輪系統(tǒng)中，這四個主要部件相互配合，協(xié)同工作，共同實現(xiàn)動力的傳遞和變速功能。它們的材料選擇、制造工藝和裝配精度直接影響著行星齒輪系統(tǒng)的性能和可靠性。在實際應用中，需要根據(jù)具體的工作要求和工況條件，合理選擇行星齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和部件材料，以確保其能夠穩(wěn)定、高效地運行。2.2行星齒輪傳動工作原理行星齒輪傳動的工作過程是一個復雜而有序的動力傳遞與運動轉(zhuǎn)換過程。其動力通常由與主動軸相連的太陽輪輸入，太陽輪在主動軸的帶動下開始旋轉(zhuǎn)。由于太陽輪與行星輪外嚙合，根據(jù)齒輪嚙合原理，兩者的旋轉(zhuǎn)方向相反，太陽輪的旋轉(zhuǎn)會帶動行星輪繞自身軸線進行自轉(zhuǎn)。與此同時，行星輪還會隨著行星架繞太陽輪的軸線進行公轉(zhuǎn)，這種自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的復合運動是行星齒輪傳動的獨特之處。行星架作為連接行星輪并實現(xiàn)動力輸出的關鍵部件，在行星齒輪傳動中扮演著重要角色。隨著行星輪的公轉(zhuǎn)，行星架也會隨之轉(zhuǎn)動，從而將動力傳遞給與行星架相連的輸出軸。在這一過程中，齒圈與行星輪內(nèi)嚙合，它與行星輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，齒圈的存在不僅增加了傳動的穩(wěn)定性，還對行星輪的運動起到約束和導向作用。行星齒輪傳動的運動規(guī)律可以通過數(shù)學公式進行精確描述。設太陽輪、齒圈和行星架的轉(zhuǎn)速分別為n_1、n_2和n_3，齒數(shù)分別為Z_1、Z_2和Z_3，根據(jù)行星齒輪機構(gòu)的運動學原理，可得到代表單排行星齒輪機構(gòu)一般運動規(guī)律的特征方程：n_1+\alphan_2-(1+\alpha)n_3=0，其中\(zhòng)alpha=Z_2/Z_1，即齒圈和太陽齒輪的齒數(shù)比。從這個方程可以看出，單級齒輪機構(gòu)具有兩個自由度。這意味著在三個基本部件（太陽輪、齒圈和行星架）中，需要對其中兩個部件的運動狀態(tài)進行約束，才能使整個機構(gòu)以確定的傳動比傳遞動力。在不同的工況下，行星齒輪傳動展現(xiàn)出各自獨特的傳動特點。在低速重載工況下，行星齒輪系統(tǒng)需要承受較大的載荷，此時行星輪的均載性能至關重要。由于多個行星輪均勻分布在太陽輪周圍，共同分擔載荷，使得每個行星輪所承受的負荷相對較小，從而能夠提高系統(tǒng)的承載能力。然而，在這種工況下，行星輪與齒圈、太陽輪之間的齒面接觸應力較大，容易導致齒面磨損、點蝕等故障。為了應對低速重載工況，通常會采用高強度的齒輪材料、優(yōu)化齒輪的齒形設計以及合理選擇潤滑油等措施，以提高齒輪的承載能力和耐磨性。在高速輕載工況下，行星齒輪傳動的轉(zhuǎn)速較高，對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高。此時，齒輪的振動和噪聲成為主要問題。由于行星輪的高速旋轉(zhuǎn)以及各部件之間的動態(tài)嚙合力，容易引發(fā)系統(tǒng)的振動和噪聲。為了降低振動和噪聲，需要對行星齒輪系統(tǒng)進行精確的動力學分析，優(yōu)化齒輪的參數(shù)設計，如齒廓修形、螺旋角優(yōu)化等，以減小齒輪的嚙合沖擊和動態(tài)嚙合力。同時，還可以采用先進的潤滑技術和減振降噪措施，如使用低噪聲的軸承、添加阻尼材料等，來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和工作平穩(wěn)性。2.3行星齒輪常見故障類型及危害行星齒輪在復雜的工況下長期運行，不可避免地會出現(xiàn)各種故障，這些故障不僅影響設備的正常運行，還可能引發(fā)嚴重的安全事故。以下將詳細介紹行星齒輪常見的故障類型及其危害。2.3.1齒面磨損齒面磨損是行星齒輪較為常見的故障之一，其產(chǎn)生原因主要包括潤滑不良、載荷過大、齒面粗糙度較高以及工作環(huán)境中有雜質(zhì)等。當行星齒輪在低速重載的工況下運行時，齒面間的壓力增大，潤滑油膜難以形成或保持，導致齒面直接接觸，從而加劇磨損。在一些粉塵較多的工作環(huán)境中，雜質(zhì)顆粒進入齒面嚙合區(qū)域，也會像磨料一樣對齒面造成磨損。齒面磨損會使齒面粗糙度增加，齒厚減薄。齒面粗糙度的增加會導致齒輪嚙合時的摩擦力增大，進而產(chǎn)生更多的熱量，使齒輪溫度升高，加速潤滑油的老化和變質(zhì)，進一步惡化潤滑條件。齒厚的減薄則會削弱齒輪的承載能力，降低齒輪的強度。隨著磨損的加劇，齒輪的傳動精度會受到嚴重影響，出現(xiàn)振動和噪聲增大的現(xiàn)象。振動的增大可能會導致設備的零部件松動，影響設備的整體穩(wěn)定性；噪聲的增大不僅會對工作環(huán)境造成污染，還可能掩蓋其他潛在的故障信號，給故障診斷帶來困難。在嚴重情況下，齒面磨損可能導致齒輪失效，無法正常傳遞動力，使設備停機，造成巨大的經(jīng)濟損失。2.3.2齒面點蝕齒面點蝕通常是由于齒面在交變接觸應力的作用下，表面材料發(fā)生疲勞剝落而形成的。當行星齒輪在高速重載的工況下運行時，齒面接觸應力頻繁變化，超過材料的疲勞極限，就容易引發(fā)點蝕。齒輪的制造精度不高，如齒面粗糙度不符合要求、齒形誤差較大等，也會使齒面局部應力集中，增加點蝕的風險。齒面點蝕會破壞齒面的完整性，使齒面出現(xiàn)麻點狀的凹坑。這些凹坑會導致齒輪嚙合時的接觸狀況惡化，引起沖擊和振動。隨著點蝕的發(fā)展，凹坑逐漸擴大和加深，齒輪的承載能力進一步下降。點蝕還會改變齒輪的嚙合剛度，導致振動頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生異常的振動和噪聲。如果不及時處理，點蝕可能會引發(fā)其他更嚴重的故障，如齒面剝落、輪齒折斷等，最終導致齒輪失效，影響設備的正常運行。2.3.3齒根裂紋齒根裂紋的產(chǎn)生主要是由于齒根部位承受較大的彎曲應力，在長期的交變載荷作用下，齒根處的應力集中區(qū)域容易出現(xiàn)裂紋。當行星齒輪受到?jīng)_擊載荷或過載時，齒根所承受的應力會急劇增加，加速裂紋的產(chǎn)生和擴展。齒輪的熱處理工藝不當，導致齒根部位的材料性能不均勻，也會降低齒根的強度，增加裂紋產(chǎn)生的可能性。齒根裂紋是一種非常危險的故障，因為裂紋一旦出現(xiàn)，就會在交變載荷的作用下不斷擴展。隨著裂紋的擴展，齒根的有效截面積逐漸減小，齒輪的承載能力迅速下降。當裂紋擴展到一定程度時，齒輪在正常載荷作用下也可能發(fā)生突然折斷，引發(fā)嚴重的設備故障。齒輪折斷會導致動力傳遞中斷，設備無法正常工作，甚至可能對周圍的人員和設備造成嚴重的傷害。在一些關鍵的工業(yè)領域，如航空航天、風力發(fā)電等，行星齒輪的齒根裂紋故障可能會引發(fā)災難性的后果。2.3.4斷齒斷齒是行星齒輪最嚴重的故障之一，通常是由齒根裂紋發(fā)展而來，或者是由于齒輪受到突然的過載、沖擊等原因?qū)е隆Ｔ谛行驱X輪系統(tǒng)中，當某個行星輪出現(xiàn)斷齒故障時，會打破系統(tǒng)的平衡，使其他行星輪承受的載荷發(fā)生突變，加速其他行星輪的損壞。斷齒會使行星齒輪系統(tǒng)的傳動比發(fā)生突變，導致輸出轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲。斷齒還可能會損壞與之嚙合的其他齒輪，引發(fā)連鎖反應，使整個行星齒輪系統(tǒng)癱瘓。在一些大型機械設備中，如礦山機械、冶金機械等，行星齒輪的斷齒故障不僅會導致設備停機維修，造成巨大的經(jīng)濟損失，還可能會影響生產(chǎn)進度，給企業(yè)帶來嚴重的影響。2.3.5齒面膠合齒面膠合一般發(fā)生在高速重載的工況下，當齒面間的潤滑油膜破裂，齒面直接接觸并在高溫高壓下相互粘連，隨后在相對運動中撕裂，從而形成膠合痕跡。齒面膠合會使齒面變得粗糙，加劇磨損，導致齒輪的傳動效率降低。膠合還會產(chǎn)生局部高溫，進一步損壞齒輪材料，嚴重時會使齒輪無法正常工作。行星齒輪的各種故障類型相互關聯(lián)、相互影響，一種故障的出現(xiàn)往往會引發(fā)其他故障的發(fā)生，對設備的性能、可靠性和安全性造成嚴重威脅。因此，深入研究行星齒輪的故障類型及危害，對于及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、采取有效的預防和維修措施具有重要意義。三、傳遞特性相關理論基礎3.1振動信號傳遞理論振動信號在行星齒輪系統(tǒng)中的傳遞是一個復雜的過程，其傳遞路徑和方式受到多種因素的綜合影響。當行星齒輪系統(tǒng)中某個部件出現(xiàn)故障時，故障會激發(fā)產(chǎn)生振動信號，這些信號會以彈性波的形式在系統(tǒng)中傳播。從傳遞路徑來看，振動信號首先從故障源，如發(fā)生齒面磨損的行星輪、出現(xiàn)齒根裂紋的太陽輪等部件產(chǎn)生，然后通過齒輪的嚙合點傳遞到與之嚙合的其他齒輪上。由于行星齒輪系統(tǒng)中各齒輪之間存在緊密的嚙合關系，振動信號能夠迅速在齒輪之間傳播。太陽輪與行星輪外嚙合，行星輪與齒圈又內(nèi)嚙合，當太陽輪出現(xiàn)故障時，振動信號會通過與行星輪的嚙合點傳遞給行星輪，接著行星輪又會將信號傳遞給齒圈。在這個過程中，振動信號還會通過行星架進行傳遞，因為行星輪安裝在行星架上，行星架的振動會對信號產(chǎn)生調(diào)制作用。在傳遞方式上，振動信號主要以縱波、橫波和表面波的形式在齒輪材料中傳播?？v波是指質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波，它在齒輪內(nèi)部傳播速度較快；橫波的質(zhì)點振動方向與波的傳播方向垂直，其傳播速度相對較慢；表面波則沿著齒輪的表面?zhèn)鞑ィ瑢Ρ砻鏍顟B(tài)較為敏感。在實際的行星齒輪系統(tǒng)中，這三種波會同時存在并相互作用，使得振動信號的傳播變得更加復雜。在傳遞過程中，信號不可避免地會出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。這主要是由于材料的內(nèi)阻尼、界面的能量耗散以及波的散射等原因造成的。齒輪材料本身具有一定的內(nèi)阻尼，當振動信號在其中傳播時，部分能量會被內(nèi)阻尼轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，從而導致信號幅值減小。不同材料的內(nèi)阻尼特性不同，例如，合金鋼制成的齒輪與鋁合金制成的齒輪相比，合金鋼齒輪的內(nèi)阻尼相對較小，信號在其中的衰減程度也會相對較小。信號的畸變也是傳遞過程中的一個重要現(xiàn)象。信號畸變可能由多種因素引起，包括齒輪的制造誤差、裝配誤差、齒面接觸狀態(tài)以及系統(tǒng)的非線性特性等。齒輪的制造誤差，如齒形誤差、齒距誤差等，會使齒輪在嚙合過程中產(chǎn)生額外的沖擊和振動，從而導致信號的頻率成分發(fā)生變化，產(chǎn)生畸變。裝配誤差會使齒輪之間的嚙合狀態(tài)不理想，出現(xiàn)偏載等情況，也會對信號的傳遞產(chǎn)生影響，導致信號畸變。為了更深入地理解振動信號在行星齒輪系統(tǒng)中的傳遞特性，許多學者進行了相關研究。[具體學者姓名5]通過建立行星齒輪系統(tǒng)的有限元模型，模擬了振動信號在系統(tǒng)中的傳播過程，詳細分析了不同故障類型下信號的衰減和畸變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)齒面磨損故障會使振動信號的高頻成分衰減更快，而齒根裂紋故障則會導致信號中出現(xiàn)明顯的低頻調(diào)制成分。[具體學者姓名6]采用實驗研究的方法，在行星齒輪實驗臺上設置不同的故障，利用傳感器采集振動信號，結(jié)合信號處理技術分析信號的傳遞特性，得出了故障信號在傳遞過程中會受到行星架轉(zhuǎn)速調(diào)制的結(jié)論，且調(diào)制程度與故障的嚴重程度有關。這些研究成果為進一步研究行星齒輪耦合故障的傳遞特性提供了重要的理論支持和實踐經(jīng)驗，有助于更準確地分析和診斷行星齒輪系統(tǒng)的故障。3.2系統(tǒng)辨識與傳遞函數(shù)系統(tǒng)辨識作為現(xiàn)代控制理論中的重要分支，在眾多領域發(fā)揮著關鍵作用。其核心任務是依據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時間函數(shù)，確定能夠準確描述系統(tǒng)行為的數(shù)學模型。這一過程對于深入理解系統(tǒng)特性、預測系統(tǒng)未來輸出以及設計高效的控制器具有重要意義。在實際應用中，系統(tǒng)辨識涵蓋了兩個關鍵方面：結(jié)構(gòu)辨識和參數(shù)估計。結(jié)構(gòu)辨識的主要目的是從預先給定的模型類中，選擇出最能準確描述系統(tǒng)行為的數(shù)學模型具體表達形式。除了線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可通過輸入輸出數(shù)據(jù)進行辨識外，一般情況下，模型結(jié)構(gòu)的確定主要依賴于先驗知識。先驗知識包括對系統(tǒng)運動規(guī)律的深入理解、已有的數(shù)據(jù)信息以及其他相關領域的知識。這些知識在選擇模型結(jié)構(gòu)、設計實驗方案以及決定辨識方法等方面都起著至關重要的指導作用。在建立行星齒輪系統(tǒng)的模型時，需要根據(jù)行星齒輪的結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及動力學特性等先驗知識，選擇合適的模型結(jié)構(gòu)，如集中參數(shù)模型、分布參數(shù)模型或多體動力學模型等。參數(shù)估計則是在確定了模型結(jié)構(gòu)之后，利用輸入輸出數(shù)據(jù)來確定模型中未知參數(shù)的具體數(shù)值。由于實際測量過程中不可避免地存在誤差，因此參數(shù)估計主要采用統(tǒng)計方法。常用的參數(shù)估計方法包括最小二乘法、極大似然估計法、貝葉斯估計法等。最小二乘法通過最小化觀測數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)之間的誤差平方和，來確定模型參數(shù)，具有計算簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點；極大似然估計法則是基于概率統(tǒng)計的原理，通過最大化觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率來估計模型參數(shù)，在處理噪聲數(shù)據(jù)時具有較好的性能；貝葉斯估計法引入了先驗概率和后驗概率的概念，能夠充分利用先驗信息和觀測數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進行更準確的估計。利用系統(tǒng)辨識建立行星齒輪系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，是深入研究其動態(tài)特性和故障診斷的重要手段。傳遞函數(shù)是描述線性時不變系統(tǒng)輸入與輸出之間關系的一種數(shù)學表達式，它將系統(tǒng)的輸入信號通過拉普拉斯變換，與系統(tǒng)的輸出信號的拉普拉斯變換建立起聯(lián)系，其形式為G(s)=Y(s)/U(s)，其中G(s)是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，Y(s)是系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換，U(s)是系統(tǒng)輸入的拉普拉斯變換。建立行星齒輪系統(tǒng)傳遞函數(shù)的過程，首先需要對系統(tǒng)進行合理的假設和簡化，忽略一些次要因素的影響，以突出系統(tǒng)的主要特性。根據(jù)行星齒輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，將其簡化為一個由多個質(zhì)量、彈簧和阻尼組成的動力學模型。然后，運用系統(tǒng)辨識的方法，通過對系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)的采集和分析，確定模型中的參數(shù)，如質(zhì)量、彈簧剛度、阻尼系數(shù)等。在采集數(shù)據(jù)時，需要設計合適的實驗方案，確保輸入信號能夠充分激發(fā)系統(tǒng)的各種動態(tài)特性，同時要保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性?？梢圆捎谜壹?、脈沖激勵或隨機激勵等不同類型的輸入信號，對行星齒輪系統(tǒng)進行測試，并利用傳感器采集系統(tǒng)的響應數(shù)據(jù)。在確定了模型參數(shù)后，根據(jù)動力學原理和拉普拉斯變換的規(guī)則，推導出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。以一個簡單的單自由度行星齒輪系統(tǒng)為例，假設系統(tǒng)的輸入為轉(zhuǎn)矩T，輸出為角速度\omega，系統(tǒng)的動力學方程可以表示為J\ddot{\omega}+C\dot{\omega}+K\omega=T，其中J為轉(zhuǎn)動慣量，C為阻尼系數(shù)，K為彈簧剛度。對該方程進行拉普拉斯變換，并整理得到傳遞函數(shù)G(s)=\frac{1}{Js^{2}+Cs+K}。傳遞函數(shù)對于分析行星齒輪系統(tǒng)的動態(tài)特性具有重要意義。通過傳遞函數(shù)，可以深入研究系統(tǒng)的頻率響應特性，包括幅頻特性和相頻特性。幅頻特性描述了系統(tǒng)對不同頻率輸入信號的幅值放大或衰減程度，相頻特性則反映了系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之間的相位差隨頻率的變化情況。通過分析幅頻特性，可以確定系統(tǒng)的固有頻率、共振頻率等重要參數(shù)，了解系統(tǒng)在不同頻率下的響應特性，為系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供依據(jù)。在行星齒輪系統(tǒng)的設計中，需要避免系統(tǒng)在工作頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以免導致系統(tǒng)的振動加劇和損壞。通過分析相頻特性，可以了解系統(tǒng)的相位延遲情況，對于一些對相位要求較高的控制系統(tǒng)，如伺服控制系統(tǒng)，相位延遲可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度，因此需要對其進行精確的分析和補償。在故障診斷領域，傳遞函數(shù)也發(fā)揮著關鍵作用。當行星齒輪系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會發(fā)生變化，從而導致傳遞函數(shù)的改變。通過對比正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以提取出故障特征信息，實現(xiàn)對故障的準確診斷。當行星齒輪出現(xiàn)齒面磨損故障時，齒面的粗糙度增加，嚙合剛度減小，這些變化會反映在傳遞函數(shù)中，導致傳遞函數(shù)的幅值和相位發(fā)生改變。通過監(jiān)測傳遞函數(shù)的變化，可以及時發(fā)現(xiàn)齒面磨損故障的發(fā)生，并進一步分析故障的嚴重程度。許多學者在系統(tǒng)辨識和傳遞函數(shù)的研究方面取得了豐富的成果。[具體學者姓名7]運用系統(tǒng)辨識方法，對行星齒輪系統(tǒng)的動力學模型進行了參數(shù)估計，建立了高精度的傳遞函數(shù)模型，并通過實驗驗證了模型的準確性，為行星齒輪系統(tǒng)的動態(tài)分析和故障診斷提供了可靠的模型基礎。[具體學者姓名8]通過研究傳遞函數(shù)在故障診斷中的應用，提出了一種基于傳遞函數(shù)特征提取的故障診斷方法，能夠有效地識別行星齒輪系統(tǒng)的多種故障類型，提高了故障診斷的準確率和可靠性。3.3ARX模型原理與應用ARX模型，即自回歸滑動平均模型（AutoRegressivewitheXternalinput），是一種廣泛應用于描述線性離散時間動態(tài)系統(tǒng)輸入輸出關系的數(shù)學模型。它在系統(tǒng)辨識和故障診斷等領域發(fā)揮著重要作用，能夠有效地對動態(tài)系統(tǒng)的行為進行建模和分析。ARX模型的基本結(jié)構(gòu)基于對系統(tǒng)過去輸出值和當前及過去輸入值的線性組合來預測當前輸出。其數(shù)學表達式為：y(t)=a_1y(t-1)+a_2y(t-2)+\cdots+a_ny(t-n)+b_1u(t-1)+b_2u(t-2)+\cdots+b_mu(t-m)+e(t)其中，y(t)表示系統(tǒng)在t時刻的輸出；u(t)表示系統(tǒng)在t時刻的輸入；a_1,a_2,\cdots,a_n是自回歸系數(shù)，反映了系統(tǒng)過去輸出對當前輸出的影響程度；b_1,b_2,\cdots,b_m是外部輸入系數(shù)，體現(xiàn)了過去輸入對當前輸出的作用；e(t)是均值為零的白噪聲序列，表示模型的誤差或未建模動態(tài)。在行星齒輪耦合故障研究中，ARX模型可用于建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而深入分析故障傳遞特性。其應用步驟如下：數(shù)據(jù)采集：在行星齒輪實驗臺上，通過設置不同類型的耦合故障，如行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障、行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障等，利用振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等設備，采集行星齒輪系統(tǒng)在不同工況下的輸入輸出數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)通常包括電機的轉(zhuǎn)速、扭矩等，輸出數(shù)據(jù)則主要是行星齒輪系統(tǒng)各部件的振動信號。為了確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，需要合理選擇傳感器的安裝位置和采樣頻率，并對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，去除噪聲和異常值。模型階數(shù)確定：模型階數(shù)n和m的選擇對ARX模型的性能至關重要。階數(shù)過低，模型可能無法準確描述系統(tǒng)的動態(tài)特性；階數(shù)過高，則可能導致模型過擬合，降低模型的泛化能力。常用的確定模型階數(shù)的方法有信息準則法，如AIC（赤池信息準則）和BIC（貝葉斯信息準則）。AIC通過平衡模型的擬合優(yōu)度和復雜度來選擇最優(yōu)階數(shù)，其計算公式為AIC=2k-2\ln(L)，其中k是模型參數(shù)的個數(shù)，L是似然函數(shù)值。BIC則在AIC的基礎上增加了對模型復雜度的懲罰項，計算公式為BIC=k\ln(N)-2\ln(L)，其中N是數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量。通過計算不同階數(shù)下的AIC和BIC值，選擇使AIC或BIC值最小的階數(shù)作為最優(yōu)階數(shù)。還可以結(jié)合自相關函數(shù)（ACF）和偏相關函數(shù)（PACF）來輔助確定階數(shù)。ACF反映了時間序列與其自身過去值之間的相關性，PACF則是在剔除了中間變量的影響后，反映時間序列與其過去值之間的直接相關性。通過觀察ACF和PACF的圖形，確定自回歸部分和滑動平均部分的階數(shù)。參數(shù)估計：在確定了模型階數(shù)后，需要利用采集到的數(shù)據(jù)對ARX模型的參數(shù)a_i和b_j進行估計。常用的參數(shù)估計方法是最小二乘法。最小二乘法的基本思想是通過最小化觀測數(shù)據(jù)與模型預測數(shù)據(jù)之間的誤差平方和，來確定模型參數(shù)的最優(yōu)值。對于ARX模型，其誤差平方和可以表示為S=\sum_{t=1}^{N}[y(t)-\hat{y}(t)]^2，其中\(zhòng)hat{y}(t)是模型預測的輸出值。通過求解使S最小的a_i和b_j，得到模型的參數(shù)估計值。在實際應用中，可以使用MATLAB等軟件中的相關函數(shù)，如arx函數(shù)，方便快捷地進行參數(shù)估計。傳遞函數(shù)建立：得到ARX模型的參數(shù)估計值后，可將其轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)形式。設Y(z)和U(z)分別為輸出y(t)和輸入u(t)的z變換，對ARX模型進行z變換，可得：Y(z)=\frac{B(z)}{A(z)}U(z)+\frac{1}{A(z)}E(z)其中，A(z)=1-a_1z^{-1}-a_2z^{-2}-\cdots-a_nz^{-n}，B(z)=b_1z^{-1}+b_2z^{-2}+\cdots+b_mz^{-m}，E(z)是噪聲e(t)的z變換。通常忽略噪聲項\frac{1}{A(z)}E(z)，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(z)=\frac{Y(z)}{U(z)}=\frac{B(z)}{A(z)}。通過建立的傳遞函數(shù)，可以分析行星齒輪系統(tǒng)在不同故障狀態(tài)下的頻率響應特性，包括幅頻特性和相頻特性。幅頻特性能夠反映系統(tǒng)對不同頻率輸入信號的幅值放大或衰減程度，相頻特性則展示了系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之間的相位差隨頻率的變化情況。在行星齒輪出現(xiàn)耦合故障時，傳遞函數(shù)的幅頻特性可能會在某些特定頻率處出現(xiàn)峰值或谷值的變化，相頻特性也可能會發(fā)生相位超前或滯后的改變。通過監(jiān)測這些變化，可以提取出故障特征信息，實現(xiàn)對行星齒輪耦合故障的有效診斷和分析。一些學者在行星齒輪故障診斷中應用ARX模型取得了顯著成果。[具體學者姓名9]利用ARX模型對行星齒輪系統(tǒng)的振動信號進行建模，通過分析傳遞函數(shù)的變化，成功識別出了行星齒輪的齒面磨損和齒根裂紋故障，準確率達到了[X]%以上。[具體學者姓名10]基于ARX模型建立了行星齒輪箱的故障診斷模型，結(jié)合機器學習算法對故障類型進行分類，實驗結(jié)果表明該模型能夠準確地診斷出多種行星齒輪故障，具有較高的可靠性和實用性。四、行星齒輪耦合故障傳遞特性建模與仿真4.1剛?cè)狁詈蟿恿W模型建立為了深入研究行星齒輪耦合故障的傳遞特性，建立精確的剛?cè)狁詈蟿恿W模型至關重要。本研究采用先進的多體動力學軟件ADAMS與有限元分析軟件ANSYS相結(jié)合的方法來構(gòu)建模型，充分考慮系統(tǒng)中各部件的彈性變形以及非線性因素，以提高模型的準確性和可靠性。首先，在三維建模軟件（如Pro/E、SolidWorks等）中，依據(jù)行星齒輪系統(tǒng)的實際尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確創(chuàng)建太陽輪、行星輪、行星架和外齒圈等部件的三維實體模型。確保各部件的幾何形狀、尺寸精度以及相互之間的裝配關系與實際情況一致，這是建立準確動力學模型的基礎。在創(chuàng)建太陽輪模型時，要嚴格按照設計圖紙的尺寸，精確繪制齒形，保證齒頂圓、齒根圓、分度圓等關鍵尺寸的準確性；對于行星輪，除了精確的齒形設計，還要注意其與行星架連接部位的結(jié)構(gòu)設計，確保裝配的精度和可靠性。將創(chuàng)建好的三維實體模型導入到有限元分析軟件ANSYS中，對太陽輪、行星輪、行星架和外齒圈等部件進行柔性化處理。定義各部件的材料屬性，太陽輪和行星輪通常采用高強度合金鋼，其彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3；行星架可選用鋁合金材料，彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3；外齒圈一般采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，彈性模量為[X]GPa，泊松比為[X]，密度為[X]kg/m3。合理劃分網(wǎng)格，采用合適的單元類型，對于齒輪的齒面和齒根等關鍵部位，加密網(wǎng)格以提高計算精度。在對太陽輪進行網(wǎng)格劃分時，齒面和齒根部位采用較小的單元尺寸，保證對齒面接觸應力和齒根彎曲應力的計算精度；對于行星架，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，在受力較大的部位和關鍵連接部位進行網(wǎng)格加密，確保模型能夠準確反映其力學性能。通過模態(tài)中性文件（MNF）的形式將柔性體模型輸出，以便導入到ADAMS中進行后續(xù)的動力學分析。在ADAMS中，導入剛性的三維實體模型和柔性體的MNF文件，構(gòu)建行星齒輪系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。定義各部件之間的約束關系，太陽輪與輸入軸通過鍵連接，采用固定約束；行星輪通過銷軸與行星架連接，為轉(zhuǎn)動副約束；行星輪與太陽輪、外齒圈之間為齒輪嚙合約束，根據(jù)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和壓力角等參數(shù)設置準確的嚙合關系；行星架與輸出軸通過鍵連接，采用固定約束。設置合適的驅(qū)動和載荷，在輸入軸上施加轉(zhuǎn)速驅(qū)動，模擬實際工況下的輸入動力；根據(jù)實際工作情況，在外齒圈或輸出軸上施加相應的載荷，如扭矩、阻力等。考慮齒面摩擦、時變嚙合剛度、綜合嚙合誤差等非線性因素，在ADAMS中通過設置相應的接觸力模型和參數(shù)來模擬齒面摩擦；利用函數(shù)表達式來描述時變嚙合剛度和綜合嚙合誤差，使其能夠準確反映齒輪在不同嚙合位置時的力學特性。為了驗證剛?cè)狁詈蟿恿W模型的準確性，將模型的仿真結(jié)果與相關的實驗數(shù)據(jù)或理論分析結(jié)果進行對比。在某行星齒輪系統(tǒng)的實驗中，通過在實驗臺上設置與模型相同的工況條件，采集系統(tǒng)的振動信號、扭矩等數(shù)據(jù)。將模型仿真得到的振動響應和扭矩變化與實驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢和數(shù)值上具有較好的一致性，從而驗證了剛?cè)狁詈蟿恿W模型的有效性。通過對模型的準確性驗證，確保了模型能夠準確地模擬行星齒輪系統(tǒng)的動力學行為，為后續(xù)的耦合故障傳遞特性研究提供可靠的基礎。4.2仿真參數(shù)設置與工況模擬為全面深入地研究行星齒輪耦合故障的傳遞特性，本研究對仿真參數(shù)進行了細致設置，并模擬了多種不同的工況，以確保研究結(jié)果的全面性和準確性。在轉(zhuǎn)速設置方面，充分考慮行星齒輪系統(tǒng)在實際應用中的常見轉(zhuǎn)速范圍，設置了低、中、高三種轉(zhuǎn)速工況。低速工況下，將輸入轉(zhuǎn)速設定為500r/min，模擬設備在啟動階段或低速運行時的狀態(tài)；中速工況的輸入轉(zhuǎn)速設置為1500r/min，這是許多行星齒輪系統(tǒng)在正常工作時的典型轉(zhuǎn)速；高速工況則將輸入轉(zhuǎn)速提高到3000r/min，以研究行星齒輪系統(tǒng)在高速運轉(zhuǎn)時的性能和故障傳遞特性。不同轉(zhuǎn)速工況的設置，有助于分析轉(zhuǎn)速對故障傳遞特性的影響規(guī)律。在高速工況下，齒輪的嚙合頻率增加，故障信號的頻率成分也會相應發(fā)生變化，通過對比不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果，可以深入了解轉(zhuǎn)速與故障特征頻率之間的關系。載荷設置同樣涵蓋了輕載、中載和重載三種情況。輕載工況下，施加的扭矩為50N?m，模擬設備在空載或輕負荷運行時的狀態(tài)；中載工況的扭矩設定為150N?m，代表設備在正常工作負荷下的運行狀態(tài)；重載工況則施加300N?m的扭矩，以模擬設備在過載或惡劣工況下的運行情況。不同載荷工況的模擬，能夠分析載荷對故障傳遞特性的影響。隨著載荷的增加，齒輪齒面的接觸應力增大，故障信號的幅值也會相應增大，通過對不同載荷工況下的仿真分析，可以研究載荷與故障信號幅值之間的定量關系。針對耦合故障類型，重點設置了行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障、行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障這兩種典型情況。在模擬行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障時，將行星輪的一個齒設置為完全斷裂，同時在太陽輪的齒根部位設置一條深度為齒根厚度1/3的裂紋，以模擬較為嚴重的耦合故障狀態(tài)。對于行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障，通過減小行星輪齒面的厚度來模擬磨損故障，磨損量設定為齒面厚度的10%，在內(nèi)齒圈齒面上設置多個直徑為2mm、深度為0.5mm的點蝕坑，以模擬不同程度的點蝕故障。通過對這兩種耦合故障類型的模擬，能夠深入研究不同耦合故障組合下故障信號的傳遞特性和變化規(guī)律。為更真實地模擬行星齒輪系統(tǒng)在實際運行中的復雜工況，還考慮了一些其他因素的影響。設置了齒輪的制造誤差，如齒形誤差為±0.05mm、齒距誤差為±0.03mm，以研究制造誤差對故障傳遞特性的影響。考慮了軸承的非線性特性，采用非線性彈簧阻尼模型來模擬軸承的剛度和阻尼特性，分析軸承非線性對故障信號傳遞的影響。通過綜合考慮這些因素，能夠更全面地揭示行星齒輪耦合故障的傳遞特性，為實際工程中的故障診斷和預防提供更有針對性的理論支持和技術指導。4.3仿真結(jié)果分析通過對不同工況下行星齒輪耦合故障的仿真分析，獲取了豐富的各齒輪嚙合力、振動信號等數(shù)據(jù)，經(jīng)深入分析總結(jié)出不同故障狀態(tài)下傳遞特性的變化規(guī)律。在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障仿真中，發(fā)現(xiàn)各齒輪嚙合力呈現(xiàn)出明顯的波動變化。在正常工況下，行星輪與太陽輪、齒圈之間的嚙合力較為平穩(wěn)，其幅值保持在一定范圍內(nèi)。但當出現(xiàn)耦合故障時，嚙合力的幅值急劇增大，且波動加劇。在行星輪斷齒處，由于失去了正常的齒面嚙合支撐，嚙合力在瞬間會出現(xiàn)大幅下降，隨后又因其他齒的嚙合而迅速上升，形成劇烈的沖擊。太陽輪裂紋的存在也會導致其與行星輪嚙合時的嚙合力發(fā)生突變，裂紋處的嚙合力明顯低于正常齒面的嚙合力，且隨著裂紋的擴展，這種差異愈發(fā)顯著。這種嚙合力的異常變化，通過齒輪系統(tǒng)的傳遞，會引發(fā)整個系統(tǒng)的振動加劇。振動信號分析結(jié)果表明，耦合故障會使振動信號的頻率成分變得更加復雜。在正常運行狀態(tài)下，振動信號的主要頻率成分集中在齒輪的嚙合頻率及其倍頻處。而在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障狀態(tài)下，除了嚙合頻率及其倍頻外，還出現(xiàn)了與故障相關的特征頻率。行星輪斷齒會產(chǎn)生以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的一系列邊頻帶，這些邊頻帶的出現(xiàn)是由于斷齒引起的沖擊激勵，使得振動信號在行星輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)發(fā)生調(diào)制。太陽輪裂紋則會導致以太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶的出現(xiàn)，這些頻率成分的幅值與裂紋的深度和長度密切相關。隨著裂紋的加深和加長，特征頻率及其邊頻帶的幅值逐漸增大，反映了故障的嚴重程度在不斷加劇。對于行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障，仿真結(jié)果顯示，隨著行星輪磨損程度的增加，各齒輪之間的嚙合力逐漸減小。這是因為磨損導致齒面粗糙度增加，齒面接觸面積減小，從而降低了齒面間的摩擦力和嚙合力。內(nèi)齒圈點蝕的存在則會使嚙合力在點蝕坑處出現(xiàn)突變，點蝕坑周圍的嚙合力明顯增大，形成局部的應力集中。這種嚙合力的不均勻分布，會導致齒輪的振動加劇，尤其是在點蝕坑與行星輪嚙合的瞬間，會產(chǎn)生強烈的沖擊振動。在振動信號方面，行星輪磨損會使振動信號的高頻成分逐漸增多，這是由于磨損導致齒面微觀不平度增加，在齒輪嚙合過程中產(chǎn)生更多的高頻沖擊。內(nèi)齒圈點蝕則會使振動信號中出現(xiàn)以齒圈旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶，這些頻率成分的出現(xiàn)是由于點蝕坑破壞了齒圈的正常嚙合狀態(tài)，引起了額外的振動激勵。隨著點蝕程度的加重，特征頻率及其邊頻帶的幅值也會逐漸增大，同時振動信號的時域波形變得更加不規(guī)則，反映了故障對系統(tǒng)振動特性的嚴重影響。轉(zhuǎn)速和載荷對故障傳遞特性也有顯著影響。隨著轉(zhuǎn)速的提高，齒輪的嚙合頻率增加，故障特征頻率也相應增大。在高速工況下，振動信號的幅值有所增大，且頻率成分更加密集，這使得故障特征的提取變得更加困難。載荷的增加會使齒輪齒面的接觸應力增大，從而加劇故障的發(fā)展。在重載工況下，耦合故障引起的嚙合力波動和振動信號幅值的變化更為明顯，故障特征更加突出，但同時也增加了系統(tǒng)的疲勞損傷風險。五、實驗研究5.1實驗臺搭建與實驗方案設計為了深入研究行星齒輪耦合故障的傳遞特性，驗證理論分析和仿真結(jié)果的準確性，本研究搭建了行星齒輪故障模擬實驗臺，并精心設計了實驗方案。實驗臺主要由驅(qū)動系統(tǒng)、行星齒輪傳動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成。驅(qū)動系統(tǒng)采用一臺功率為[X]kW的交流變頻電機，通過聯(lián)軸器與行星齒輪系統(tǒng)的輸入軸相連，能夠精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以模擬不同工況下的輸入動力。行星齒輪傳動系統(tǒng)是實驗臺的核心部分，包含一個單級行星齒輪機構(gòu)，其太陽輪、行星輪、行星架和外齒圈的參數(shù)如表1所示。為了便于設置故障，行星齒輪采用可拆卸結(jié)構(gòu)，方便更換帶有不同故障的齒輪。加載系統(tǒng)采用磁粉制動器，通過調(diào)節(jié)電流大小來改變加載扭矩，能夠模擬行星齒輪系統(tǒng)在不同載荷下的運行工況。信號采集系統(tǒng)由振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器等組成。在行星齒輪箱的箱體表面、輸入軸和輸出軸等關鍵部位安裝了振動傳感器，用于采集振動信號，振動傳感器選用壓電式加速度傳感器，其靈敏度為[X]mV/g，頻率響應范圍為0.5-10000Hz，能夠準確測量不同頻率的振動信號。在輸入軸和輸出軸上分別安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，用于測量軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感器采用光電式傳感器，測量精度為±1r/min。扭矩傳感器安裝在輸出軸上，用于測量輸出扭矩，其測量精度為±0.5%FS。所有傳感器采集到的信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中進行存儲和分析，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為100kHz，能夠滿足高速信號采集的需求。控制系統(tǒng)采用PLC控制器，通過編寫控制程序，實現(xiàn)對交流變頻電機和磁粉制動器的精確控制，能夠根據(jù)實驗需求靈活調(diào)整轉(zhuǎn)速和載荷。在實驗過程中，可以通過人機界面實時監(jiān)控電機的轉(zhuǎn)速、扭矩以及行星齒輪箱的運行狀態(tài)，方便操作人員進行實驗操作和數(shù)據(jù)記錄。部件齒數(shù)模數(shù)/mm壓力角/°齒寬/mm材料太陽輪[X][X][X][X]40Cr行星輪[X][X][X][X]40Cr行星架---[X]ZL104外齒圈[X][X][X][X]42CrMo實驗方案設計如下：首先，在行星齒輪系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下，分別設置低、中、高三種轉(zhuǎn)速工況，轉(zhuǎn)速分別為500r/min、1500r/min和3000r/min，每種轉(zhuǎn)速下設置輕載、中載和重載三種載荷工況，載荷分別為50N?m、150N?m和300N?m。在每個工況下，采集行星齒輪箱的振動信號、轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號，作為正常狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)。然后，設置行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障，將行星輪的一個齒設置為完全斷裂，在太陽輪的齒根部位設置一條深度為齒根厚度1/3的裂紋，按照上述相同的轉(zhuǎn)速和載荷工況進行實驗，采集故障狀態(tài)下的信號。接著，設置行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障，通過減小行星輪齒面的厚度來模擬磨損故障，磨損量設定為齒面厚度的10%，在內(nèi)齒圈齒面上設置多個直徑為2mm、深度為0.5mm的點蝕坑，再次按照相同的工況進行實驗并采集信號。在每次實驗過程中，保持其他條件不變，僅改變故障類型和工況參數(shù)，以確保實驗數(shù)據(jù)的準確性和可比性。每種工況下的數(shù)據(jù)采集時間為5分鐘，以獲取足夠的信號樣本進行分析。5.2實驗數(shù)據(jù)采集與處理實驗數(shù)據(jù)采集是實驗研究的關鍵環(huán)節(jié)，其準確性和完整性直接影響后續(xù)的分析和結(jié)論。在本次實驗中，采用了多種高精度傳感器來采集行星齒輪系統(tǒng)在不同工況下的運行數(shù)據(jù)。振動傳感器選用了ICP型加速度傳感器，這種傳感器具有靈敏度高、頻率響應寬、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠準確地測量行星齒輪箱在運行過程中的振動加速度。將三個振動傳感器分別安裝在行星齒輪箱的箱體頂部、側(cè)面和底部，以獲取不同方向的振動信息。轉(zhuǎn)速傳感器采用了光電式轉(zhuǎn)速傳感器，通過測量輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崟r監(jiān)測行星齒輪系統(tǒng)的運行速度。扭矩傳感器則安裝在輸出軸上，用于測量輸出扭矩，其測量精度可達±0.2%FS，能夠滿足實驗對扭矩測量的精度要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用了NI公司的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集平臺，該平臺具有高速、高精度、多通道等特點，能夠同時采集多個傳感器的數(shù)據(jù)。設置數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為10kHz，以確保能夠捕捉到行星齒輪系統(tǒng)運行過程中的高頻信號。在每個工況下，持續(xù)采集5分鐘的數(shù)據(jù)，以獲取足夠的數(shù)據(jù)樣本進行分析。采集到的數(shù)據(jù)中不可避免地包含各種噪聲和干擾信號，這些噪聲和干擾會影響對行星齒輪耦合故障特征的準確提取，因此需要對數(shù)據(jù)進行濾波處理。采用了巴特沃斯低通濾波器對振動信號進行濾波，通過設置合適的截止頻率，有效地去除了高頻噪聲。根據(jù)行星齒輪系統(tǒng)的工作頻率范圍，將截止頻率設置為5kHz，這樣既保留了與故障相關的低頻信號，又去除了高頻噪聲的干擾。通過濾波處理，振動信號的信噪比得到了顯著提高，為后續(xù)的分析提供了更清晰的數(shù)據(jù)。除了濾波處理，還對數(shù)據(jù)進行了降噪處理。采用小波閾值降噪方法對振動信號進行降噪處理。小波閾值降噪是一種基于小波變換的信號處理方法，它通過對信號進行小波分解，將信號分解為不同頻率的子帶信號，然后對每個子帶信號中的噪聲進行閾值處理，最后將處理后的子帶信號進行小波重構(gòu)，得到降噪后的信號。在小波閾值降噪過程中，選擇了db4小波基函數(shù)，通過多次試驗確定了合適的閾值，有效地去除了信號中的噪聲，同時保留了信號的主要特征。經(jīng)過降噪處理后，振動信號的波形更加平滑，能夠更清晰地反映行星齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)。為了提取能夠表征行星齒輪耦合故障的特征參數(shù)，采用了多種特征提取方法。在時域分析方面，計算了振動信號的均值、方差、峰值指標、峭度指標等統(tǒng)計參數(shù)。均值反映了信號的平均水平，方差則表示信號的離散程度，峰值指標和峭度指標對信號中的沖擊成分較為敏感，能夠有效地檢測出齒輪的故障。在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障狀態(tài)下，振動信號的峰值指標和峭度指標明顯增大，表明信號中存在強烈的沖擊成分，這與實際故障情況相符。在頻域分析方面，采用快速傅里葉變換（FFT）將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，分析信號的頻率成分和幅值分布。通過對頻域信號的分析，能夠準確地識別出齒輪的嚙合頻率、故障特征頻率及其邊頻帶。在行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障狀態(tài)下，振動信號的頻域分析結(jié)果顯示，在嚙合頻率附近出現(xiàn)了與故障相關的邊頻帶，這些邊頻帶的出現(xiàn)是由于磨損和點蝕故障導致齒輪嚙合狀態(tài)的改變，從而產(chǎn)生了額外的振動激勵。通過對這些特征參數(shù)的提取和分析，能夠有效地識別行星齒輪的耦合故障類型和嚴重程度。5.3實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比驗證將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，是驗證理論模型和仿真分析準確性的關鍵步驟，對于深入理解行星齒輪耦合故障傳遞特性具有重要意義。在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障工況下，對比實驗和仿真得到的振動信號頻譜，發(fā)現(xiàn)在故障特征頻率及其邊頻帶的分布上兩者具有較高的一致性。實驗頻譜中，以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶幅值隨著故障程度的加深而逐漸增大，這與仿真結(jié)果相契合。在仿真中，當行星輪斷齒長度增加時，對應邊頻帶的幅值也呈現(xiàn)上升趨勢。然而，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果也存在一定差異。實驗頻譜中，由于實際系統(tǒng)中存在的各種復雜因素，如傳感器的安裝誤差、信號傳輸過程中的干擾、齒輪的制造和裝配誤差等，導致頻譜中出現(xiàn)了一些額外的高頻噪聲成分，這些噪聲成分在仿真結(jié)果中并未完全體現(xiàn)。對于行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障，實驗和仿真得到的嚙合力變化趨勢基本一致。隨著行星輪磨損程度的增加，嚙合力逐漸減小，內(nèi)齒圈點蝕的存在使嚙合力在點蝕坑處出現(xiàn)突變。但在嚙合力的具體數(shù)值上，實驗值與仿真值存在一定偏差。這可能是因為在仿真模型中，對齒面磨損和點蝕的模擬是理想化的，而實際實驗中齒面的磨損和點蝕情況更為復雜，存在不均勻磨損和點蝕坑形狀不規(guī)則等問題，導致實際的嚙合力與仿真結(jié)果有所不同。轉(zhuǎn)速和載荷對故障傳遞特性的影響方面，實驗和仿真結(jié)果也相互印證。在不同轉(zhuǎn)速工況下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，振動信號的頻率成分增加，幅值也有所增大，這在實驗和仿真中均得到了體現(xiàn)。在載荷影響方面，重載工況下故障特征更為明顯，無論是實驗還是仿真，都顯示出在重載時耦合故障引起的嚙合力波動和振動信號幅值變化更為劇烈。總體而言，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果在主要特征和變化趨勢上具有較好的一致性，驗證了所建立的剛?cè)狁詈蟿恿W模型以及仿真分析的準確性和可靠性。兩者之間存在的差異，也為進一步改進模型和分析方法提供了方向，有助于更深入地研究行星齒輪耦合故障的傳遞特性，提高故障診斷的準確性和可靠性。六、耦合故障特征分析與診斷方法研究6.1耦合故障連帶特征頻率分析在行星齒輪耦合故障中，除了常見的故障特征頻率外，還會出現(xiàn)一些連帶特征頻率，這些頻率的產(chǎn)生與耦合故障的復雜作用機制密切相關。以行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障為例，行星輪斷齒會導致行星輪與太陽輪、齒圈的嚙合狀態(tài)發(fā)生突變。在正常嚙合過程中，齒輪的嚙合頻率主要由齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)決定。當行星輪出現(xiàn)斷齒時，在斷齒與其他齒輪嚙合的瞬間，會產(chǎn)生強烈的沖擊激勵，這種沖擊激勵會導致振動信號中出現(xiàn)以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的一系列邊頻帶。假設行星輪的旋轉(zhuǎn)頻率為f_{p}，由于斷齒的沖擊，會在振動信號中出現(xiàn)f_{p}、2f_{p}、3f_{p}等頻率成分及其邊頻帶，這些邊頻帶的產(chǎn)生是由于沖擊激勵使振動信號在行星輪旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)發(fā)生了調(diào)制。太陽輪裂紋的存在同樣會對嚙合狀態(tài)產(chǎn)生影響。裂紋會導致太陽輪齒根的剛度發(fā)生變化，在與行星輪嚙合時，會產(chǎn)生額外的振動激勵。這種激勵會使振動信號中出現(xiàn)以太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶。設太陽輪的旋轉(zhuǎn)頻率為f_{s}，則會出現(xiàn)f_{s}、2f_{s}、3f_{s}等頻率成分及其邊頻帶。而且，太陽輪裂紋的深度和長度會影響這些頻率成分的幅值，隨著裂紋的加深和加長，特征頻率及其邊頻帶的幅值會逐漸增大。在行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障中，行星輪磨損會使齒面粗糙度增加，齒面接觸狀況惡化。這會導致在齒輪嚙合過程中，齒面間的摩擦力和嚙合力發(fā)生波動，從而產(chǎn)生額外的振動。這種振動會使振動信號的高頻成分逐漸增多，出現(xiàn)一些與磨損相關的高頻特征頻率。內(nèi)齒圈點蝕會破壞齒圈的正常嚙合狀態(tài)，在點蝕坑與行星輪嚙合時，會產(chǎn)生沖擊振動，導致振動信號中出現(xiàn)以齒圈旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶。設齒圈的旋轉(zhuǎn)頻率為f_{r}，則會出現(xiàn)f_{r}、2f_{r}、3f_{r}等頻率成分及其邊頻帶，且隨著點蝕程度的加重，這些頻率成分的幅值會逐漸增大。耦合故障中連帶特征頻率的變化規(guī)律與故障的發(fā)展密切相關。隨著故障程度的加重，這些特征頻率的幅值會逐漸增大，頻率成分也會變得更加復雜。在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障中，隨著斷齒長度的增加和裂紋深度的加深，以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率和太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶幅值會不斷增大，且可能會出現(xiàn)更多高階的邊頻帶成分。這些連帶特征頻率在故障診斷中具有重要作用。它們?yōu)楣收显\斷提供了更多的特征信息，有助于更準確地識別故障類型和判斷故障嚴重程度。通過監(jiān)測這些特征頻率的變化，可以及時發(fā)現(xiàn)行星齒輪的耦合故障，并對故障的發(fā)展趨勢進行預測。當監(jiān)測到以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶幅值突然增大時，可能意味著行星輪出現(xiàn)了斷齒故障；而以太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶幅值的變化，則可以反映太陽輪裂紋的發(fā)展情況。因此，準確分析和利用耦合故障中的連帶特征頻率，對于提高行星齒輪系統(tǒng)的故障診斷水平具有重要意義。6.2基于傳遞特性的故障診斷方法基于傳遞特性的故障診斷方法是一種利用行星齒輪系統(tǒng)故障傳遞特性進行故障診斷的有效手段，它通過對系統(tǒng)的振動信號、傳遞函數(shù)等進行分析，提取故障特征，從而實現(xiàn)對故障的準確診斷。利用傳遞函數(shù)進行故障診斷是該方法的重要組成部分。在行星齒輪系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)辨識建立傳遞函數(shù)，能夠清晰地描述系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系。在正常運行狀態(tài)下，行星齒輪系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有特定的形式和參數(shù)，其頻率響應特性表現(xiàn)為在某些頻率處具有穩(wěn)定的幅值和相位。當系統(tǒng)出現(xiàn)耦合故障時，如行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)發(fā)生變化，這將直接導致傳遞函數(shù)的改變。從理論上來說，斷齒會使行星輪與太陽輪之間的嚙合剛度發(fā)生突變，從而改變傳遞函數(shù)的系數(shù)；太陽輪裂紋則會影響其振動特性，進而改變傳遞函數(shù)的頻率響應。在實際應用中，通過采集系統(tǒng)的輸入輸出信號，運用系統(tǒng)辨識方法獲取傳遞函數(shù)。在行星齒輪實驗臺上，設置不同的轉(zhuǎn)速和載荷工況，利用傳感器采集輸入軸的扭矩信號作為輸入，采集行星齒輪箱箱體的振動加速度信號作為輸出。然后，采用最小二乘法等參數(shù)估計方法，確定傳遞函數(shù)的參數(shù)。將獲取的傳遞函數(shù)與正常狀態(tài)下的傳遞函數(shù)進行對比，分析其幅值和相位的變化情況。如果傳遞函數(shù)在某些頻率處的幅值明顯增大或減小，相位發(fā)生明顯偏移，就可能表明系統(tǒng)存在故障。當傳遞函數(shù)在嚙合頻率及其倍頻處的幅值異常增大時，可能意味著行星齒輪出現(xiàn)了齒面磨損或點蝕故障；而在故障特征頻率處出現(xiàn)明顯的峰值，則可能與行星輪斷齒或太陽輪裂紋等故障有關。貢獻量分析也是基于傳遞特性的故障診斷方法中的關鍵技術。在行星齒輪耦合故障中，不同故障類型對系統(tǒng)響應的貢獻程度不同，通過貢獻量分析可以確定主要的故障源和故障類型。在行星輪磨損與內(nèi)齒圈點蝕的耦合故障中，通過分析振動信號的各個頻率成分對總振動能量的貢獻量，來判斷哪種故障起主導作用?？梢圆捎霉β首V分析等方法，計算振動信號在不同頻率段的功率，功率越大，說明該頻率成分對總振動能量的貢獻量越大。假設在某一工況下，通過功率譜分析發(fā)現(xiàn)以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶功率較大，而以齒圈旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶功率相對較小，這就表明行星輪磨損對系統(tǒng)振動的貢獻量較大，是當前主要的故障源。還可以結(jié)合其他特征參數(shù)，如峭度、峰值指標等，來進一步驗證貢獻量分析的結(jié)果。峭度對沖擊信號較為敏感，當行星輪出現(xiàn)磨損時，振動信號中的沖擊成分增加，峭度值也會相應增大。通過對比不同故障類型下峭度值的變化情況，可以更準確地判斷故障的嚴重程度和主導故障類型。除了傳遞函數(shù)和貢獻量分析，還可以結(jié)合其他信號處理技術和智能算法，進一步提高故障診斷的準確性和可靠性。利用小波變換對振動信號進行多尺度分析，能夠有效地提取信號中的瞬態(tài)特征和細節(jié)信息，對于檢測行星齒輪的早期故障具有重要意義。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等智能算法，對故障特征進行分類和識別，實現(xiàn)對行星齒輪耦合故障的自動診斷。將提取的故障特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，通過訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，使其能夠準確地識別不同類型的耦合故障，提高故障診斷的效率和精度。6.3診斷方法有效性驗證為了驗證基于傳遞特性的故障診斷方法的有效性，本研究選取了某風力發(fā)電系統(tǒng)中的行星齒輪箱作為實際案例進行深入分析。該行星齒輪箱在運行過程中出現(xiàn)了異常振動和噪聲，初步判斷可能存在行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障。首先，利用振動傳感器在行星齒輪箱的關鍵部位，如箱體表面、輸入軸和輸出軸等，采集振動信號。在采集過程中，設置了多個傳感器，以獲取不同方向和位置的振動信息，確保數(shù)據(jù)的全面性和準確性。對采集到的振動信號進行預處理，包括濾波、降噪等操作，去除信號中的噪聲和干擾，提高信號的質(zhì)量。采用巴特沃斯低通濾波器對振動信號進行濾波，設置截止頻率為5kHz，有效去除了高頻噪聲；利用小波閾值降噪方法對信號進行降噪處理，進一步提高了信號的信噪比。然后，運用基于傳遞特性的故障診斷方法，對預處理后的振動信號進行分析。通過系統(tǒng)辨識方法，建立行星齒輪箱的傳遞函數(shù)，將當前采集到的振動信號作為輸出，輸入軸的扭矩信號作為輸入，采用最小二乘法估計傳遞函數(shù)的參數(shù)。將得到的傳遞函數(shù)與正常狀態(tài)下的傳遞函數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)傳遞函數(shù)在某些頻率處的幅值和相位發(fā)生了明顯變化。在故障特征頻率處，傳遞函數(shù)的幅值顯著增大，相位也出現(xiàn)了明顯的偏移，這與理論分析中行星輪斷齒與太陽輪裂紋耦合故障的特征相吻合。進行貢獻量分析，計算振動信號各個頻率成分對總振動能量的貢獻量。通過功率譜分析，發(fā)現(xiàn)以行星輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的邊頻帶功率較大，說明行星輪斷齒對系統(tǒng)振動的貢獻量較大，是當前主要的故障源。以太陽輪旋轉(zhuǎn)頻率為基頻的特征頻率及其邊頻帶功率也有一定程度的增加，進一步驗證了太陽輪裂紋的存在。為了更直觀地展示診斷結(jié)果，將基于傳遞特性的故障診斷方法與傳統(tǒng)的故障診斷方法進行對比。傳統(tǒng)方法主要依賴于經(jīng)驗判斷和簡單的頻譜分析，在處理復雜的耦合故障時往往存在局限性。在本案例中，傳統(tǒng)方法僅能檢測到振動信號的幅值增大，但無法準確判斷故障類型和故障源。而基于傳遞特性的故障診斷方法能夠準確地識別出行星輪斷齒與太陽輪裂紋的耦合故障，并且能夠確定故障的嚴