行星齿轮箱状态监测和故障诊断概述
摘要
行星齿轮箱与定轴齿轮箱截然不同，具有独一无二的特性，因此，在定轴齿轮箱上应用良好的故障诊断方法并不适用于行星齿轮箱。对定轴齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究已经很多，但是对行星齿轮箱在这方面的研究还不足，然而，我们发现关于行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的文献已经出现在学术期刊、会议纪要和技术报告中。这篇论文的目的就是回顾和总结这些文献，并为对这个方向感兴趣的研究人员提供综合的参考。本文对行星齿轮箱和定轴齿轮箱的结构作了简单介绍和对比，阐述和分析了行星齿轮箱独有的特征和故障特点，基于目前可采用的方法对行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究进展进行了总结。最后，讨论了目前存在的问题，指出了潜在的研究方向。
1.引言
由于行星齿轮箱具有大传动比和重载特征，其被广泛应用在航空航天、汽车和重工行业，例如直升飞机、风力涡轮机和重型卡车[1,2]。行星齿轮箱通常工作在恶劣的工况下，例如，其关键组件齿轮和轴承的损伤模式一般为疲劳裂纹和点蚀[3]，行星齿轮箱的任一失效都有可能引起整辆列车的停车，造成巨大的经济损失和人员伤亡，行星齿轮箱的状态监测和故障诊断目的是避免事故的发生，并降低用户使用成本。
齿轮箱的状态监测和故障诊断已经引起了越来越多的关注[4-6]。然而大多数的研究集中在定轴齿轮箱上，定轴齿轮箱所有的齿轮都绕某一根固定轴转动[7-10]（见图1）。行星齿轮箱与定轴齿轮箱最根本的不同就在于其具有一组行星
图1 齿轮传动机构，图2所示的行星齿轮箱是一组负责的齿轮系统。他包括一个内齿圈，一个绕着固定轴转动的太阳轮和几个绕着自身中心转动的同时又绕着太阳轮中心转动的行星轮。由于具有如此复杂的传动结构，行星齿轮箱表现出独有的特性，因此，在定轴齿轮箱上应用很好的故障诊断方法不适用于行星齿轮箱。
与定轴齿轮箱相比，行星齿轮箱在状态监测和故障诊断方面的研究没有那么
多，但是，近几年这方面的研究增长迅速，每年都有这方面的文章发表在学术期刊，会议纪要和技术报告中。在2005年，Samuel和Pines[11]全面阐述了直升飞机传动机构的基于振动的诊断技术，这种直升飞机的传动机构包含一个行星齿轮箱，然而，作者通过文献检索，没有发现专注于行星齿轮箱故障诊断方法的论述文章。
本篇论文的写作目的是总结和概括行星齿轮箱的状态监测和故障诊断方面的研究进展，并试图综合这个研究方面有关的各种分散的文章，为研究人员提供一个综合参考，帮助他们在本领域中作进一步研究。这篇文章根据多种不同的方法进行了阐述，也就是建模、信号处理和智能诊断。
这篇论文其余部分的架构如下，第二章将行星齿轮箱与定轴齿轮箱进行了简要对比，并阐述了行星齿轮箱的独有特性和故障特点。第三章根据已有的方法对发表过的关于行星齿轮箱的故障诊断方面的文章进行了阐述，第四章以表格的形式对这些文章进行了总结，并指出了目前研究工作中存在的问题。第五章阐述了该研究领域的研究前景和研究方向。结语放在了第六章。
2.行星齿轮箱的简要介绍
2.1传动结构和运行特性
这一节中，在介绍行星齿轮箱之前，首先介绍两级传动的定轴齿轮箱的传动机构图，如图1所示，从图1中明显看出，所有的齿轮只绕各自的固定中心转动。只包含这种类型的齿轮传动机构的齿轮箱被定义成定轴齿轮箱。
与此相反的是，行星齿轮箱具有几个绕着非固定中心转动的行星齿轮，图2展示了一个基本的行星齿轮箱，它包含有一个内齿圈，一个绕着自身固定的中心转动的太阳轮，四个既绕自身非固定中心转动的行星轮，行星轮处于太阳轮的内齿圈之间，与两者同时啮合。通常来说，在现在工业中，有三种基本类型的行星齿轮箱。 三种行星齿轮箱如图2b至d所示。图2b所示的齿轮箱具有固定的内齿圈，图2C所示的齿轮箱具有固定的太阳轮，图2d所示的齿轮均可转动。
由于行星齿轮箱所具有的独特结构，其具有定轴齿轮箱所不具有的下列特性。 （1） 与太阳轮和内齿圈啮合的多个行星齿轮和很多同时运动的邻近的组件（齿轮或轴承）将在行星齿轮箱中产生相似的振动。这些具有不同啮合相位的振动相互耦合，导致一些振动被中和掉或是掩盖掉[12]。 （2）从齿轮啮合点到固定在齿轮箱外壳上的传感器有多条时变的振动传递路径。由于耗散和干扰效应，传递路径可能会加强或减弱故障组件的振动信号[13]。而且，加载到齿轮箱上的扭矩或是载荷可能增大非线性传递路径的影响[12]。所有这些影响可能减弱隐藏在复杂振动信号中的故障信号的特性。
（3）与定轴齿轮箱相比，行星齿轮箱具有不同的振动信号频谱分布，对于一对
图2
已经有损伤的定轴齿轮箱啮合齿轮来说，故障频率特性例如边频带出现在频谱中 啮合频率和其共振频率附近，并呈对称分布[14]。对于行星齿轮箱，无论其是否有损伤，边频带都会出现在频谱上。而且，边频带通常不关于啮合频率和共振频率对称。这可能是因为，多个行星齿轮产生相似的振动但具有不同的啮合相位，这导致多个齿轮啮合的激励被中和掉[15-17]。
（4）由于大传动比，行星齿轮中的一些组件通常运转速度较低。事实上低频特性容易被强噪音所掩盖，因此，找出行星齿轮箱低速部件的故障特性是非常困难的。
基于以上特性，测得的行星齿轮箱的振动信号比定轴齿轮箱更加复杂，因此增大了行星齿轮箱故障监测的难度，降低了定轴齿轮箱检测方法对行星齿轮箱的适应性。
2.2特征频率的估算
特征频率，包括齿轮转动频率、啮合频率等，对于齿轮的故障检测是至关重要的。故障的辨识与给定故障的特征频率的出现有关。因此，这一节将提出行星齿轮箱和定轴齿轮箱的特征频率。特征频率的推导是基于图1所示的定轴齿轮箱
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