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BatchDoc Word文檔批量處理工具 行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷概述 摘要 行星齒輪箱與定軸齒輪箱截然不同，具有獨一無二的特性，因此，在定軸齒輪箱上應用良好的故障診斷方法并不適用于行星齒輪箱。對定軸齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究已經(jīng)很多，但是對行星齒輪箱在這方面的研究還不足，然而，我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的文獻已經(jīng)出現(xiàn)在學術(shù)期刊、會議紀要和技術(shù)報告中。這篇論文的目的就是回顧和總結(jié)這些文獻，并為對這個方向感興趣的研究人員提供綜合的參考。本文對行星齒輪箱和定軸齒輪箱的結(jié)構(gòu)作了簡單介紹和對比，闡述和分析了行星齒輪箱獨有的特征和故障特點，基于目前可采用的方法對行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究進展進行了總結(jié)。最后，討論了目前存在的問題，指出了潛在的研究方向。 1.引言 由于行星齒輪箱具有大傳動比和重載特征，其被廣泛應用在航空航天、汽車和重工行業(yè)，例如直升飛機、風力渦輪機和重型卡車[1,2]。行星齒輪箱通常工作在惡劣的工況下，例如，其關(guān)鍵組件齒輪和軸承的損傷模式一般為疲勞裂紋和點蝕[3]，行星齒輪箱的任一失效都有可能引起整輛列車的停車，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷目的是避免事故的發(fā)生，并降低用戶使用成本。 齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注[4-6]。然而大多數(shù)的研究集中在定軸齒輪箱上，定軸齒輪箱所有的齒輪都繞某一根固定軸轉(zhuǎn)動[7-10]（見圖1）。行星齒輪箱與定軸齒輪箱最根本的不同就在于其具有一組行星 圖1 齒輪傳動機構(gòu)，圖2所示的行星齒輪箱是一組負責的齒輪系統(tǒng)。他包括一個內(nèi)齒圈，一個繞著固定軸轉(zhuǎn)動的太陽輪和幾個繞著自身中心轉(zhuǎn)動的同時又繞著太陽輪中心轉(zhuǎn)動的行星輪。由于具有如此復雜的傳動結(jié)構(gòu)，行星齒輪箱表現(xiàn)出獨有的特性，因此，在定軸齒輪箱上應用很好的故障診斷方法不適用于行星齒輪箱。 與定軸齒輪箱相比，行星齒輪箱在狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究沒有那么多，但是，近幾年這方面的研究增長迅速，每年都有這方面的文章發(fā)表在學術(shù)期刊，會議紀要和技術(shù)報告中。在2005年，Samuel和Pines[11]全面闡述了直升飛機傳動機構(gòu)的基于振動的診斷技術(shù)，這種直升飛機的傳動機構(gòu)包含一個行星齒輪箱，然而，作者通過文獻檢索，沒有發(fā)現(xiàn)專注于行星齒輪箱故障診斷方法的論述文章。 本篇論文的寫作目的是總結(jié)和概括行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究進展，并試圖綜合這個研究方面有關(guān)的各種分散的文章，為研究人員提供一個綜合參考，幫助他們在本領(lǐng)域中作進一步研究。這篇文章根據(jù)多種不同的方法進行了闡述，也就是建模、信號處理和智能診斷。 這篇論文其余部分的架構(gòu)如下，第二章將行星齒輪箱與定軸齒輪箱進行了簡要對比，并闡述了行星齒輪箱的獨有特性和故障特點。第三章根據(jù)已有的方法對發(fā)表過的關(guān)于行星齒輪箱的故障診斷方面的文章進行了闡述，第四章以表格的形式對這些文章進行了總結(jié)，并指出了目前研究工作中存在的問題。第五章闡述了該研究領(lǐng)域的研究前景和研究方向。結(jié)語放在了第六章。 2.行星齒輪箱的簡要介紹 2.1傳動結(jié)構(gòu)和運行特性 這一節(jié)中，在介紹行星齒輪箱之前，首先介紹兩級傳動的定軸齒輪箱的傳動機構(gòu)圖，如圖1所示，從圖1中明顯看出，所有的齒輪只繞各自的固定中心轉(zhuǎn)動。只包含這種類型的齒輪傳動機構(gòu)的齒輪箱被定義成定軸齒輪箱。 與此相反的是，行星齒輪箱具有幾個繞著非固定中心轉(zhuǎn)動的行星齒輪，圖2展示了一個基本的行星齒輪箱，它包含有一個內(nèi)齒圈，一個繞著自身固定的中心轉(zhuǎn)動的太陽輪，四個既繞自身非固定中心轉(zhuǎn)動的行星輪，行星輪處于太陽輪的內(nèi)齒圈之間，與兩者同時嚙合。通常來說，在現(xiàn)在工業(yè)中，有三種基本類型的行星齒輪箱。 三種行星齒輪箱如圖2b至d所示。圖2b所示的齒輪箱具有固定的內(nèi)齒圈，圖2C所示的齒輪箱具有固定的太陽輪，圖2d所示的齒輪均可轉(zhuǎn)動。 由于行星齒輪箱所具有的獨特結(jié)構(gòu)，其具有定軸齒輪箱所不具有的下列特性。 （1） 與太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合的多個行星齒輪和很多同時運動的鄰近的組件（齒輪或軸承）將在行星齒輪箱中產(chǎn)生相似的振動。這些具有不同嚙合相位的振動相互耦合，導致一些振動被中和掉或是掩蓋掉[12]。 （2）從齒輪嚙合點到固定在齒輪箱外殼上的傳感器有多條時變的振動傳遞路徑。由于耗散和干擾效應，傳遞路徑可能會加強或減弱故障組件的振動信號[13]。而且，加載到齒輪箱上的扭矩或是載荷可能增大非線性傳遞路徑的影響[12]。所有這些影響可能減弱隱藏在復雜振動信號中的故障信號的特性。 （3）與定軸齒輪箱相比，行星齒輪箱具有不同的振動信號頻譜分布，對于一對 圖2 已經(jīng)有損傷的定軸齒輪箱嚙合齒輪來說，故障頻率特性例如邊頻帶出現(xiàn)在頻譜中 嚙合頻率和其共振頻率附近，并呈對稱分布[14]。對于行星齒輪箱，無論其是否有損傷，邊頻帶都會出現(xiàn)在頻譜上。而且，邊頻帶通常不關(guān)于嚙合頻率和共振頻率對稱。這可能是因為，多個行星齒輪產(chǎn)生相似的振動但具有不同的嚙合相位，這導致多個齒輪嚙合的激勵被中和掉[15-17]。 （4）由于大傳動比，行星齒輪中的一些組件通常運轉(zhuǎn)速度較低。事實上低頻特性容易被強噪音所掩蓋，因此，找出行星齒輪箱低速部件的故障特性是非常困難的。 基于以上特性，測得的行星齒輪箱的振動信號比定軸齒輪箱更加復雜，因此增大了行星齒輪箱故障監(jiān)測的難度，降低了定軸齒輪箱檢測方法對行星齒輪箱的適應性。 2.2特征頻率的估算 特征頻率，包括齒輪轉(zhuǎn)動頻率、嚙合頻率等，對于齒輪的故障檢測是至關(guān)重要的。故障的辨識與給定故障的特征頻率的出現(xiàn)有關(guān)。因此，這一節(jié)將提出行星齒輪箱和定軸齒輪箱的特征頻率。特征頻率的推導是基于圖1所示的定軸齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)和圖2b所示的行星齒輪箱的傳動結(jié)構(gòu)。 2.2.1 定軸齒輪箱 參數(shù)定義如下： Nj——齒輪；（j=1,2,3,4）的齒數(shù) f j ——齒輪 j(j=1,2,3,4)的轉(zhuǎn)動頻率 f 1 ——齒輪1的轉(zhuǎn)動頻率，也是整個齒輪傳動的輸入頻率，通常是事先知道的 ik ——嚙合齒輪副k (k=1,2)的傳動比，指的是一對嚙合齒輪副中主動輪與被動輪之間的轉(zhuǎn)速比，事實上，它也等于被動輪和主動輪的齒數(shù)之比。例如，圖1中 和 Fmk ——嚙合齒輪副K（k=1,2）的嚙合頻率。 而后，特征頻率，也就是每個齒輪的轉(zhuǎn)動頻率和每個嚙合齒輪副的嚙合頻率，能夠表達成輸入頻率f1和各個齒輪齒數(shù)的函數(shù)式，如下所示，這些特征頻率的等式也在表格1中列出。 (1) (2) 表1定軸齒輪箱的特征頻率 2.2.2 行星齒輪箱 根據(jù)定軸齒輪箱特征頻率的估算方法，我們可獲得圖2b所示的行星齒輪箱的特征頻率。先作如下定義。 NS,NP和NR——太陽輪、行星輪和內(nèi)齒圈的齒數(shù) NP——行星齒輪的個數(shù) Fs,fp,fr和fc——太陽輪、某一行星輪、內(nèi)齒圈和行星支架的轉(zhuǎn)動頻率、 i——行星齒輪箱的傳動比，它等于輸入軸（太陽輪）和輸出軸（行星支架）的轉(zhuǎn)速之比。 Fp-p——行星齒輪的通過頻率。 Fm-p——行星齒輪箱的嚙合頻率。 由于傳動比是行星齒輪箱特征頻率估算的關(guān)鍵，因此將其計算過程列出[18]，與定軸齒輪箱相比，行星齒輪箱的傳動比的計算時相對復雜的。 圖2b所示的行星齒輪箱的內(nèi)齒圈是固定的，所以我們得出fr=O. 通過將行星齒輪傳動轉(zhuǎn)換成定軸齒輪傳動并利用定軸齒輪傳動的計算公式，我們可得出如下等式。 表2 行星齒輪箱的特征頻率 圖3（a）行星齒輪箱測試臺架（b）臺架的三維模型 將等式(6)代入等式（7）中，我們求得傳動比 根據(jù)計算出的傳動比，行星齒輪箱的特征頻率可表示成太陽輪轉(zhuǎn)動頻率（fs）和各齒數(shù)的函數(shù)，如以下等式所示。表2中已將其列出。 對于圖2c和2d所示的另兩種行星齒輪箱，特征頻率可以同樣的方法被計算，參考文獻[19,20]提供了推導全部三種行星齒輪箱的特征頻率的基本原理，這將對理解與行星齒輪箱有關(guān)的問題產(chǎn)生影響。 2.3使用行星齒輪箱測試臺架進行分析 介紹行星齒輪箱的特征以及估算行星齒輪箱的特征頻率之后，我們接下來使用測試臺架獲得的振動信號分析行星齒輪箱故障診斷方面具有挑戰(zhàn)性的問題[21]，圖3所示為測試臺架以及其三維模型。這個測試臺架包括兩個齒輪箱，一個驅(qū)動齒輪箱的萬馬力電機和一個用于加載荷的電磁制動器，電機的轉(zhuǎn)速可被速度控制器控制。載荷由電磁主動權(quán)提供，并可由制動控制器調(diào)節(jié)。如圖3b所示，測試臺架有兩個齒輪箱，一個二級行星齒輪箱和一個二級定軸齒輪箱。二級行星齒輪箱是我們分析的重點，對于行星齒輪箱的任一級，都有一個太陽輪，并且在太陽輪周圍有三、四個行星齒輪繞其轉(zhuǎn)動，以及一個固定的內(nèi)齒圈。轉(zhuǎn)矩從太陽輪傳遞到行星輪，再傳遞到行星架，并由行星架傳遞到輸出軸。 圖4a所示振動信號是通過一個采樣頻率為5120HZ的傳感器在測試臺架的無故障條件下測得的。圖4b所示為無故障振動信號的頻譜。圖5a將無故障狀態(tài)信號與一個一級太陽輪具有裂紋故障的振動信號進行對比，圖5b所示為其頻譜兩組信號收集時太陽輪振動頻率為40HZ，制動負載為13.5Nm。 圖4無故障狀態(tài)（a）時域振動信號（b）頻譜 圖5有故障狀態(tài)（a）時域振動信號（b）頻譜 將太陽輪的轉(zhuǎn)動頻率和齒數(shù)代入等式（12）中，可計算出第一級行星齒輪箱的嚙合頻譜為666.67HZ。從圖4b和圖5b觀察可知，嚙合頻率和它的共振頻率處的幅值在整個頻率中占有主要的地位。而且，在嚙合頻率和共振頻率附近富含邊頻帶，這證明了2.1節(jié)中第3條所陳述的特性是正確的。 根據(jù)以上的介紹、對比和分析，我們可以得出結(jié)論，行星齒輪箱具有幾個獨特的特性，因此，行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷充滿挑戰(zhàn)。 3、行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷綜述 為了處理行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面具有挑戰(zhàn)性的問題，研究人員已經(jīng)做了大量的研究工作，并在學術(shù)期刊，會議紀要和技術(shù)報告上發(fā)表了多篇文章。尤其是在最近幾年，此研究課題方面發(fā)表的論文數(shù)目增長得非?？欤菊聦⒏鶕?jù)已有的方法如建模、信號處理和智能診斷對發(fā)表的論文進行綜合評述。 3.1建模方法 文獻中已經(jīng)提出和建立了許多行星齒輪箱的模型。這些模型研究了輸出響應和模型系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，這些研究成果有助于理解行星齒輪箱的特性，因此，對行星齒輪箱的故障診斷也帶來了有價值的幫助。這一章按研究的問題如故障模擬，振動響應模擬和行星齒輪間的載荷分配對行星齒輪箱的建模方面的文章進行總結(jié)。 3.1.1故障模擬 通過使用建好的模型，可以模擬一些故障模式，如齒輪或軸承上出現(xiàn)裂紋、點蝕和磨損，這一節(jié)將闡述這些研究內(nèi)容。Chaaari等人[22]，對太陽輪上的齒面點蝕和輪齒裂紋進行了建模，并分析了對齒輪嚙合剛度的影響。而且，他們通過建模對比了無故障齒輪箱和出現(xiàn)偏心和齒形誤差的齒輪箱的動態(tài)響應[23]。于[24]將有輪齒故障和無輪齒故障的模型動力學特性進行了對比，加強了人們對行星齒輪箱故障診斷的理解。Rark等人[25]使用有限元模型從應力分布的角度研究了行星支架出現(xiàn)故障時的影響。Yuksel和Kahraman[26]為了研究表面磨損對行星齒輪箱動態(tài)特性的影響建立了一個計算模型。Hegadekatte等人[27]在一個微型行星齒輪傳動機構(gòu)上使用有限元模型去檢測表面磨損。Patrick-Aldaco[28]建立了物理振動模型并為行星齒輪箱的故障診斷提出了一些指標。Cheng和Hu[29]基于物理模型提出了一種檢測行星齒輪箱損傷的方法，并應用于直升機傳動系統(tǒng)。而且，他們綜合運用物理模型，三步統(tǒng)計算法和在度關(guān)聯(lián)分析來估算太陽輪上的齒面點蝕和裂紋的損傷等級[30-32]。 在上一段論述中，我們回顧了行星齒輪箱故障模擬建模方面的工作。然而，模型建立時作了很多假設(shè)和簡化，因此，這些模型在模擬行星齒輪箱故障時所具有的準確性還有待提高和進一步改進。 3.1.2 振動響應模擬 正如2.1節(jié)所提到的，行星齒輪箱的振動響應以定軸齒輪箱復雜。因此，使用模型模擬振動響應和找出振動特性是一個饒有興趣的研究課題，并且已經(jīng)引起了許多研究人員的興趣。例如，Vicuria[33]提出了一種現(xiàn)象模型用于模擬安裝在內(nèi)嚙圈外部的“假設(shè)傳感器”測量得到的振動。Jain 和Hunt[34]提出了一種分析模型用來模擬行星齒輪的故障特性。Feng和Zuo[35,36]研究了行星齒輪箱振動信號的頻譜結(jié)構(gòu)，提出了齒輪損傷的信號模型，使用實驗信號和工程實際信號論證了信號模型，Wu等人[37]使用多體動力學模型研究行星齒輪箱時發(fā)現(xiàn)模型的動態(tài)響應與齒輪箱內(nèi)部多個組件間的相互干涉有關(guān)。Mosher[38]使用運動學模型探索了行星齒輪箱的振動頻譜，并與一架直升機的行星齒輪傳動機構(gòu)的頻譜進行了對比。Mark和Hines[39]建立了一類行星齒輪箱的數(shù)學模型，并推導出固定傳感器響應的頻譜貢獻的傅里葉方程。 在前面的章節(jié)中，已經(jīng)全面概括了用于行星齒輪箱振動響應模擬的模型。從中我們發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)有一些令人感興趣的研究被執(zhí)行，不同的故障形式的振動信號已經(jīng)通過建模的形式進行模擬。模擬信號改善了人們對于振動響應的模擬，并豐富了行星齒輪箱故障診斷的數(shù)據(jù)庫，但是模擬信號與實際信號相差較遠。 3.1.3行星齒輪的載荷分布 在行星齒輪箱中，不只有一個行星齒輪，它們的載荷分布理想狀態(tài)下是一致的，但是實際上，由于制造和裝配差，行星齒輪通常承受不同的載荷。因此，研究行星齒輪間的載荷分布是行星齒輪箱建模中非常重要的一件事情，關(guān)于這方面，研究人員已經(jīng)進行了下列研究。Ligata等人[40]建立了一個簡單模型用于估計含有制造誤差的行星齒輪間的載荷分布。Gu和Velex[41]建立了一個集中參數(shù)模型用于模擬行星齒輪位置誤差對動態(tài)載荷分布的影響。Kahraman[42]建立了一個時變模型用于研究制造誤差和裝配變化對載荷分布的影響。而后，Bodas和Kalraman[43]沿著這個方向繼續(xù)研究，并應用一個接觸機構(gòu)模型來推進這方面的研究，Singh等人[44]將基于多體接觸分析的理論研究與行星齒輪箱實驗結(jié)果進行了對比，并對載荷的不平均分布原因提供了一個物理學方面的解釋[45]。 前面的章節(jié)總結(jié)了用于研究行星齒輪間載荷分布的模型。盡管這些研究與行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究課題不是很相關(guān)，但是這些研究成果會對這個研究課題帶來潛在的幫助。 3.1.4其他問題 不僅如此，研究人員為了解釋行星齒輪箱故障診斷中的其他問題已經(jīng)建立了多種模型。這一節(jié)將這些模型概括如下。nalpolat和kahraman提出了一個簡單數(shù)學模型來描述行星齒輪箱產(chǎn)生調(diào)制邊帶的機理。接著，他們[47]建立了一個非線性時變動力學模型來推斷行星齒輪箱的調(diào)制邊帶,并解釋模型的能力。Bartelmus等人[48]建立了一個行星齒輪箱的一個模型來探尋變載荷和診斷特征之間的關(guān)系。Parker和Lin[49]提升了行星齒輪箱的建模，并檢查分析了影響行星齒輪箱噪聲和振動的關(guān)鍵因素。并且他們進一步改善了太陽輪和內(nèi)齒圈間時變嚙合剛度的模型，闡述了導致參數(shù)不穩(wěn)定的操作條件。GUO和Parker[51]建立了含有軸承間隙，輪齒分離和嚙合剛度變化等問題的行星齒輪箱的集中參數(shù)和有限元模型。SUN和Hu[52]建立了帶有多重反向沖擊，時變嚙合剛度和誤差激勵的行星齒輪系統(tǒng)的變扭耦合模型，Bahgat等人[53]利用基于動力學和運動學相互依賴的分析模型，研究了軸承間隔對行星齒輪動力學特征的影響。 3.2信號處理方法 大多數(shù)行星齒輪故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測方面發(fā)表的文章都要用到信號處理方法，這一節(jié)主要按照下面的分類方法回顧這些文章。時域方法，頻域方法，時頻域方法和其他信號處理方法。 3.2.1時域方法 時域信號處理方法，例如統(tǒng)計指標法和時域同步平均法，與頻域法和時頻法相比要相對簡單和直接些，因此，這兩種方法在行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面應用較廣。例如，McFadden[15]提出了一種計算單個行星齒輪和太陽輪的輪齒嚙合振動的時域平均值的方法。這種方法通過帶有點狀損傷的行星齒輪箱測試臺架測得的數(shù)據(jù)進行了說明[54]。Wu等人[55.56]使用平方差和標準差等指數(shù)來區(qū)分直升機行星齒輪箱行星架是否含有裂紋。Bartelmus和Zimroz[57]系統(tǒng)研究了外部變載荷對行星齒輪箱振動信號的影響。這兩個人進一步提出了一種診斷特征來監(jiān)控時變操作條件下的行星齒輪箱。Smidt[59]試圖將傳感器裝在行星架內(nèi)部來收集振動數(shù)據(jù)并研究用于行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的共時平均技術(shù)。Yip[60]使用共時平均技術(shù)預處理振動數(shù)據(jù)，然后從預處理信號中提取出健康指數(shù)來診斷用在油沙工作環(huán)境下的行星齒輪箱。Sparis和Vachtsevanos[61]根據(jù)共時平均信號選擇兩個特征來分辨出行星齒輪箱行星架的故障。Keller和Grabill[62]改進了幾個傳統(tǒng)診斷參數(shù)，例如FMO和FM4，目標是應用在行星齒輪箱中。他們兩個發(fā)現(xiàn)在實驗室條件下只有兩個參數(shù)是相對有效的，但是在航空條件下，這兩個參數(shù)也是無效的。 上一段介紹了使用時域方法來監(jiān)控和診斷行星齒輪箱的文章，時域中通常使用的方法是時域同步平均法和指標法。由于行星齒輪箱中有很多同步組件和復雜的傳動結(jié)構(gòu)，所以傳統(tǒng)技術(shù)和指標已經(jīng)不再重要，并且遇到了新的問題。 3.2.2 頻域方法 除了上面提到的時域方法，頻域方法也已被研究人員應用于行星齒輪箱的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測，這一節(jié)將主要介紹使用頻域方法的文章。作為對參考文獻[42]的早期研究所做的擴展，Mark[63]推斷出由行星架扭矩幅值產(chǎn)生的頻譜所具有的附加邊帶，這可能掩蓋掉由行星齒輪箱損傷所產(chǎn)生的邊帶。為了實現(xiàn)行星內(nèi)齒圈的早期故障診斷，Mark等人[64]也提出了一種簡單的頻域方法，這種方法能夠減小傳感器和傳遞路徑引起的幅值改變所帶來的影響。Singleton[65]通過檢驗地下煤礦使用的行星齒輪箱的每個組件的故障特性頻率來診斷內(nèi)齒圈的損傷。Sparis和Vachtsevanos[66]使用快速付立葉變換設(shè)計指標向量，目的是分辨直升機行星齒輪箱行星架的故障。Hines等人[13]基于前處理信號使用時域同步平均技術(shù)建立了一種頻域特征，稱之為能量比率，用其進行行星架裂紋的診斷。McNames[1]使用了傅里葉分析來處理來直升機行星齒輪箱的振動數(shù)據(jù)，并試圖闡明頻譜中觀察到的對稱現(xiàn)象的根源。 由于付立葉變換是診斷轉(zhuǎn)動部件最簡單也是最基礎(chǔ)的工具，所以它被廣泛應用于行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。然而，大多數(shù)論文中，付立葉變換是與其他信號處理方法聯(lián)合分析信號而不是單獨使用。這是因為實際行星齒輪箱產(chǎn)生的信號是非常復雜而且非靜態(tài)的。 3.2.3 時頻方法 時頻法通常比時頻聯(lián)合法更有效。研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種時頻法，例如Wigner-Ville分布和小波，這些都可用于診斷行星齒輪箱。 Chaari等人[3]模擬了兩個經(jīng)常遇到的行星齒輪箱的故障模式，如齒面點蝕和齒面裂紋，然后使用Wigner-Ville分布來分析模擬信號。Zimroz等人[67,68]建立一個流程來估算非平穩(wěn)工作狀態(tài)下的行星齒輪箱的瞬時速度并分析其振動。Meltzer和Ivanor[67,70]用時域分析方法對汽車上的行星齒輪箱進行故障診斷。Schon[71]結(jié)合時域方法提出了一種自適應濾波技術(shù)，用來判斷行星齒輪箱是否處于健康狀態(tài)。Liu等人[72]使用局部均值分解來診斷風力渦輪機的裂紋故障。Feng等人[73]基于集合經(jīng)驗模式分解和能量分離算法提出了一種幅頻聯(lián)合解調(diào)方法，用于診斷行星齒輪箱的測試臺架的太陽輪損傷。Saxena等人[74]使用復數(shù)域Morlet小波提取出某些特征，用于區(qū)分直升機行星齒輪箱的行星架是否有故障。Yu[75]提出了最大能量小波系數(shù)的自協(xié)發(fā)差，用于估算處于油砂工作條件下的行星齒輪箱的故障程度。He等人[76]使用小波變換來處理聲發(fā)信號，并用于定位行星齒輪箱的齒輪故障。Jiang等人[77]基于自適應Morlet小波和奇異值分解技術(shù)提出了一種降噪方法，并應用這種方法來提取風力渦輪機行星齒輪箱的脈沖特征。Samuel和Pines[78]使用多傳感器方法將行星齒輪有關(guān)的振動信號分離出來，并進一步使用連續(xù)小波變換分析分離出的信號，進而檢測行星齒輪故障。他們兩人也對振動信號進行了協(xié)小波變換，并獲得了均方小波譜，并用其進行齒輪的故障分類[79]。而且，他們使用約束自適應提升格式建立了用于處理行星齒輪箱傳動系統(tǒng)振動信號的小波[80-82]。 上一段對使用時頻法進行行星齒輪箱故障診斷的文獻進行了概述。通過回顧這些文獻，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)文章在行星齒輪箱故障診斷中采用小波變換。實際上，最近幾年出現(xiàn)了許多新提出的或改進過的時域方法，并且使用這些方法，行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的研究也取得了進步。 3.2.4 其他信號處理方法 在行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中還有一些其他的信號處理方法在使用。這些方法不屬于時域、頻域和時頻域方法。我們將這些信號處理方法總結(jié)一下。Zhang等人[83-86]介紹一種盲式反卷積去噪方法，并以行星齒輪箱行星架上的裂紋為例子闡述了這種方法。Barszcz和Randall[87]闡述了使用譜峭度檢測風力渦輪機的行星齒輪箱內(nèi)齒圈的齒裂紋的潛在可能性。Bondardot等人[88]采用無看管式訂單跟蹤算法進行角域中的噪聲消除，并用來診斷直升機行星齒輪箱的故障。Orchard和Vachtsevanos[89]建立了一種在線微粒過濾方法，用于直升機行星齒輪箱傳動系統(tǒng)的行星架的故障診斷。Bartelmus[90]總結(jié)了他的研究團隊在振動診斷方法方面的工作，尤其是將循環(huán)平穩(wěn)分析應用于行星齒輪箱的故障特征的提前。Zimroz和Bartelmus[91]研究了信號循環(huán)平穩(wěn)特性的使用，而后基于監(jiān)測礦業(yè)用的行星齒輪箱的診斷特征建立了一種光譜相干圖。Zimroz和Bartkowiak[92]通過主成分分析研究了行星齒輪箱的譜結(jié)構(gòu)，他們也提出使用典型判別分析來處理行星齒輪箱的基于矢量的15維能量測量，并用在低維空間將其可視化[93]。Tumer和Huff[94]通過監(jiān)控一個直升機一級行星齒輪箱得到了三軸數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行了主要成分分析。Lei等人[95]提出了一種稱作自適應隨機共振的噪聲利用方法，并用這種方法診斷含有裂紋和斷齒的太陽輪故障。Villa等人[96]提出了一種角重采樣方法用于診斷風力渦輪機的傳動機構(gòu)的不平衡和未對準問題，而這個傳動機構(gòu)中含有一個行星齒輪傳動系統(tǒng)。Randall[97]使用軸承和齒輪的信號分離技術(shù)來實現(xiàn)直升機齒輪箱行星齒輪軸承的故障診斷。Mosher[98]引進了一種算法，用來將行星齒輪系統(tǒng)中每個齒輪產(chǎn)生的振動信號分離開來。根據(jù)這些分離出的信號，可以估計齒輪的狀態(tài)。Blunt和Beller[12]提出了兩種方法：行星架方法和行星分離法，用于監(jiān)測直升機行星傳動系統(tǒng)齒輪架上的疲勞裂紋。 看到其他的高級信號處理技術(shù)已經(jīng)應用于行星齒輪箱的監(jiān)控和診斷，我們是感到備受鼓舞的。這些高級的技術(shù)包括反卷積、譜峭度、循環(huán)平衡分析，隨機共振等。在行星齒輪箱故障診斷領(lǐng)域，這些技術(shù)已經(jīng)顯出他們的優(yōu)勢（如高準確率）和缺點（如魯棒性差）。 3.3 智能診斷方法 盡管信號處理技術(shù)在行星齒輪箱監(jiān)測和診斷領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成功，但是，從輸出信號中分析出具體的故障依然需要高超的技術(shù)水平。智能故障診斷方法具有克服這些缺點的潛力。因此，在行星齒輪箱的故障診斷中已經(jīng)引進和報道了多種智能方法。例如，Khazaee等人[99]基于智能方法提出了一種支持向量機用于區(qū)分三種行星齒輪箱的健康狀況，即無故障、帶有一個磨損齒的內(nèi)齒圈和帶有一個磨損齒的行星齒輪。Khawaja等人[100]基于最小平方支持矢量機提出了一種方法，用于監(jiān)測行星齒輪箱行星架上不斷擴展的裂紋。劉等人[101]綜合使用支持矢量機和線性鑒別法來辨別行星齒輪箱測量臺架上的行星齒輪的破壞等級。他們也提出了三種方法用于特征簡化和選擇，并應用這些方法進行故障等級診斷[102-104]。使用以上同樣的數(shù)據(jù)，Qu等人[105]根據(jù)支持矢量機對特征選擇方法進行了研究，并用于故障分類。Patrick等人[106]使用貝葉斯算法設(shè)計了一個集成框架，用于監(jiān)測故障和預測直升機行星齒輪箱的剩余使用壽命。Lei等人[107,108]使用自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)提出了一種多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，用于行星齒輪箱的故障模型和損傷等級，Samuel和Pines[109]采用標準能量矩陣作為一個特征向量，采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡作為直升機行星齒輪傳動的自動故障診斷的分類器。Dong等人[110]使用隱式半馬爾科夫模型來區(qū)分直升機傳動系統(tǒng)的行星架的健康狀態(tài)。Li等人[111]從振動信號和聲發(fā)射系統(tǒng)中提取出故障特征，并將這些特征輸入到K最近鄰域算法來檢測行星齒輪箱的故障。 Dybala[112]根據(jù)最近邊界矢量算法提出了一個模態(tài)識別方法，并應用于輪式鏟斗挖掘機上的行星齒輪箱的故障診斷。Zhao等人[113]使用順序分級方法來保存順序信息，并用來確認行星齒輪箱測試臺架的損傷等級。Chin等人[114]研究了一個故障模式分類系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括一個量子矩陣和一個多值影響矩陣。使用這個系統(tǒng)可以辨識直升機行星齒輪箱的故障模式。Bartkowiak和Zimroz[115]開發(fā)出局外分析法和一級分析法用于非靜態(tài)條件下使用的行星齒輪箱的故障診斷。 以上總結(jié)的內(nèi)容描繪出人工智能應用于行星齒輪箱故障診斷的情況。能夠看到在這個研究領(lǐng)域中，研究人員已經(jīng)作了很多研究。很明顯，有必要使用人工智能技術(shù)，但不能限于解決小課題，例如，靜態(tài)條件下使用的簡單齒輪箱的點蝕擴展問題。 3.4 其他方面的研究 除了基于模型、信號處理和智能診斷方面的方法，還有一些其他方法應用在行星齒輪箱的故障診斷方面。這一節(jié)主要是總結(jié)這些方法。Fair[116]將同步采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)應用到斜齒行星齒輪上，用來增進對所收集的信號的邊帶特性的理解。Lundvall和Klarbring[117]提出一種非平滑牛頓法來預測重型卡車傳動裝置的行星齒輪組的磨損。Cheon和Parker[118]綜合使用標準運動學分析和混合有限元法來描述制造誤差對行星齒輪箱的軸承力的影響所具有的特征。Hayashi等人[119]提出了一種行星齒輪組動態(tài)載荷的測量方法。Lu和Chu[120]在風渦輪的行星齒輪箱的故障診斷中討論了振動、噪聲和聲發(fā)射信號方面的方法。Bartelmus[121]總結(jié)了他的研究團隊在復雜齒輪箱（包括行星齒輪和固定軸齒輪）的故障診斷方面所發(fā)表的全部論文。 4 目前的研究存在的問題 在第3章中，我們總結(jié)了行星齒輪箱的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測方面的很多研究成果。然而，由于本領(lǐng)域的研究文獻的數(shù)量巨大，種類繁多，所以以上的總結(jié)不可能包括本領(lǐng)域的全部文獻，一些文獻沒有覆蓋到也再所難免。與此同時，由于本文作者語言能力有限，而與課題有關(guān)的一些文獻是用其他語言寫的，所以我們沒有將非英語文獻考慮進來。 為了給本領(lǐng)域的研究人員提供快速瀏覽第3章所參考過的文章，我們按照診斷方法（如模型、信號處理和智能診斷）進行分類，將第3章提到的參考文獻匯總到表3中?；诘?章對文獻的綜述以及表3中所提到的參考文獻，研究人員已經(jīng)意識到行星齒輪箱和固定軸齒輪箱在故障診斷方面的不同。據(jù)此，在最近幾年，研究人員已經(jīng)引進了新的方法用于行星齒輪箱的故障診斷，并取得了顯著的進展。然而，幾個基本問題依然沒有解決，如下所示。 (1) 已經(jīng)發(fā)表的論文中所建立的模型作了太多的假設(shè)。因此，這些模型不能準確反映真實行星齒輪箱的動態(tài)特性。而且，大多數(shù)模型專注于研究無故障行星齒輪箱，而很少專注與有故障的齒輪箱的研究。實際上，建立并研究帶有多種損傷形式的行星齒輪箱的模型將比行星齒輪箱的故障診斷更有用。 (2) 大多數(shù)文獻中的診斷對象是太陽輪、內(nèi)齒圈和行星架。這些組件與固定軸齒輪箱相似，都是繞著他們自己的固定軸轉(zhuǎn)動。實際上，行星齒輪運動最為復雜，它不但繞自身中心轉(zhuǎn)動，也繞太陽輪中心轉(zhuǎn)動，并同時與太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合。因此，行星輪以及其軸承的故障診斷更加困難。然而，在行星齒輪的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測方面的研究非常有限。 (3) 許多已經(jīng)建立起來的行星齒輪箱的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的方法適合于靜態(tài)工況。而且，在這些方法中，行星齒輪箱的元件如軸承、齒輪和軸是單獨進行研究的。正如在參考文獻[122,123]所指出的那樣，由于這些研究與實際的齒輪箱磨損過程沒有太多共同之處，所以，這是一種錯誤的研究齒輪箱磨損工程的方法。 (4) 盡管研究人員已經(jīng)引進了一些行星齒輪箱故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的新方法，但是他們中的許多方法都是從適用于固定軸的齒輪箱的方法調(diào)整后用于行星齒輪箱的。有什么基礎(chǔ)的理論能夠證明這些調(diào)整是合理的嗎？如何使這些方法更好地應用于行星齒輪箱？也許，直到我們完全理解行星齒輪箱的具體行為和故障機理，我們才能回答這些問題和恰當?shù)厥褂眠@些方法。 5 前景 針對第4章中討論的研究問題，作者考慮在未來的行星齒輪箱的故障診斷研究中作出如下預測。 (1) 由于大多數(shù)已經(jīng)建立的模型是模擬行星齒輪箱的重載工況，所以我們需要建立更多的模型，而這些模型應當考慮不同的故障模式，不同的損傷等級，以及不同的工作情況。為了使用這些模型，研究人員需要探索模型響應和關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，如系統(tǒng)剛度、模型參數(shù)和故障嚴重程度。這些因素之間的關(guān)系找到以后，將為行星齒輪箱的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測提供重要參考和所需的知識。 (2) 正如2.1節(jié)所強調(diào)的那樣，在行星齒輪箱中，多個行星齒輪同時與太陽輪和內(nèi)齒圈嚙合，這些行星齒輪引起相似的振動，但具有不同的相位，這些來自行星齒輪箱的振動可能彼此耦合。這種耦合可能導致故障組件的振動被中和或削弱。因此，建立解耦技術(shù)，有助于從復合模式振動信號中提取出某種故障模式的明顯特征，并對其增強，這是行星齒輪箱故障診斷的最重要工作之一。 (3) 為了檢測齒輪箱的故障，傳感器通常用來測量振動，并固定在齒輪箱的外殼上。由于行星齒輪繞太陽輪中心轉(zhuǎn)動，所以，從齒輪嚙合點到固定位置的傳感器的振動傳遞路徑是時刻變化的。因此，在振動測量過程中，除了這些故障產(chǎn)生的信號，一些額外的信號調(diào)制成分也會在其中混雜。如何從時變的傳遞路徑引起的信號中提取和分離出故障信號的調(diào)制成分是一個富有挑戰(zhàn)性的難題。 (4) 很多研究人員使用他們自己檢測行星齒輪齒輪故障的典型數(shù)據(jù)來闡述他們的方法的有效性，但是，無法保證他們的方法能夠有效處理其他數(shù)據(jù)，實際上，文獻中公開的行星齒輪箱的測量數(shù)據(jù)是很少的，而固定齒輪箱卻有足夠的公開數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)或者是來自實驗室，或者是來自野外實際工況。因此，做更多的具有不同故障模式和嚴重程度的實驗，豐富數(shù)據(jù)庫和建立標桿數(shù)據(jù)對檢驗新診斷方法的魯棒性非常重要。 (5) 眾所周知，行星齒輪箱的故障機理和響應特性的研究是極其重要的。因此，作者建議更多地關(guān)注如下方面：行星齒輪箱動態(tài)響應和健康狀況的關(guān)系，故障的發(fā)展機理，故障的敏感特性等。若能加入這些方面的研究，我們將能建立行星齒輪箱有效的監(jiān)測和診斷方法。 (6) 考慮到快速變化的載荷和旋轉(zhuǎn)速度對振動信號的影響，有必要建立一種能夠解決動態(tài)工況下行星齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的難題。例如，輪式鏟斗挖掘機的行星齒輪箱。而且，考慮到組件之間的相互影響，建立的方法應當把整個機器作為一個整體來考慮，而不是一個分離的系統(tǒng)，也不是一個具體組件或故障的分離[122,123]。 (7) 由于振動信號易于測量而且含有豐富的信息，所以在行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中廣泛使用振動信號。為了概述行星齒輪箱診斷的準確性，多維診斷技術(shù)越來越受到青睞。而多維診斷技術(shù)使用各種不同類型的數(shù)據(jù)，像油特性、磨粒、振動、聲音、載荷、轉(zhuǎn)速和電流等。 6 結(jié)語 這篇文章對行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷進行了綜述。在這篇綜述中，作者首先闡述了行星齒輪箱獨有的特性和齒輪傳動復雜的結(jié)構(gòu)。然后，按照使用的方法，如建模、信號處理和智能診斷對已經(jīng)發(fā)表的行星齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面的文章進行了調(diào)研和總結(jié)。最后，對本研究領(lǐng)域內(nèi)目前可能存在的問題進行了概括，并討論了未來研究的可能課題。我們認為這篇綜述已經(jīng)綜合了行星齒輪箱故障診斷有關(guān)的孤立信息，并為對本研究領(lǐng)域感興趣的讀者提供一個綜合參考。 7 致謝 此項研究收到了如下組織的支持：中國國家自然科學基金（51005172和51222503），新世紀優(yōu)秀大學人才（NCET-11-0421），加拿大自然科學和工程研究委員會（NSERC），陜西省自然科學基金研究工程（2013JQ7011）和中央大學基礎(chǔ)研究基金（2012jdgz01）。 BatchDoc Word文檔批量處理工具