[发明专利]一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设备早期故障诊断技术领域，具体涉及一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法。

背景技术

周转轮系一直是齿轮传动系统中的“股肱栋梁”，之所以能被如此广泛地应用于风力发电、航空、船舶、冶金、石化、矿山、起重运输等许多行业的机械传动中，其本身独特的优点有着不可或缺的重要作用，如结构紧凑、传动比大、承载效率高等。然而，这些设备恶劣的工作环境导致周转轮系通常工作在低速重载或载荷、转速瞬时大幅度变动的工况下，因此周转轮系的关键零部件首当其冲，故障时有发生。

周转轮系一般由中心轮(即太阳轮)、行星轮、内齿圈和行星架等组成。不同于定轴轮系，其内部的结构相对复杂。通常情况下，内齿圈固定不动，太阳轮或行星架作为输入，相应的，行星架或太阳轮作为输出。太阳轮绕自身的中心轴旋转，而几个行星轮不仅绕各自的中心轴自转，同时绕太阳轮的中心轴公转，并与太阳轮和内齿圈同时啮合，藉此造成太阳轮与行星轮、行星轮与内齿圈等多对齿轮同时啮合。多对啮合引起的振动存在相位差，且会相互叠加，使得周转轮系的振动响应比定轴轮系更为复杂。

振动信号时域和频域分析方法构成了周转轮系故障诊断的主要理论基础。理想状况下，周转轮系中各个行星轮是完全相同的，因此每个行星轮与内齿圈和太阳轮啮合产生的振动频率是相同的，即振动频率为啮合频率f_m，f_m＝N_rf_c，N_r为齿圈齿数，f_c为行星架转频，只是各个啮合振动之间存在一定的相位差。此外，传感器通常安装在与固定的内齿圈相连的箱体上。由于行星轮的公转，各啮合点与传感器之间的传递路径周期性变化，而周期性变化的传递路径会对啮合振动信号进行幅值调制。因此，即便在正常情况下，周转轮系振动信号的频谱中也会呈现多条边频带。以上诸多因素导致周转轮系的故障诊断相比定轴轮系难度更大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法，突破仅仅考虑轮系内部某一个啮合振动影响的局限，能够综合考虑周转轮系内部多对啮合之间的相位关系，以及行星轮公转引起的时变传递路径。根据该唯象模型，得到了正常单级周转轮系的振动响应信号。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法，包括以下步骤：

1)分别计算周转轮系内部多个行星轮与中心轮即太阳轮啮合、多个行星轮与齿圈啮合、同一个行星轮与太阳轮和齿圈啮合之间的相位差；

2)在步骤1)的基础上，分析多个啮合过程不同传递路径对信号的影响；

3)将步骤1)、2)的计算结果综合起来，建立周转轮系正常状态时的振动信号仿真模型，给出振动响应表达式。

所述的步骤1)的计算过程为：

1.1)根据行星轮的初始安装位置，分别计算第i个行星轮与内齿圈啮合时的初相位

其中，Z_r代表内齿圈的齿数；ψ_i代表第i个行星轮的初始安装位置，即距离固定参考位置的逆时针圆心角；

1.2)同样的，计算得到第i个行星轮与太阳轮啮合时的初相位

其中，Z_s代表太阳轮的齿数；ψ_i代表第i个行星轮的初始安装位置，即距离固定参考位置的逆时针圆心角；

1.3)同一个行星轮分别与太阳轮、内齿圈啮合产生的两组振动之间也存在着相位差γ_rs，计算得到：

其中，代表第i个行星轮分别与内齿圈和太阳轮啮合时的相位。

所述的步骤2)的分析过程为：

2.1)分析振动的所有传递路径，除此之外，振动还会通过油液、箱体等传递给传感器，但其他路径的振动明显衰减，在振动信号中不占主导地位，因此不考虑，

2.2)忽略时不变传递路径，只考虑时变的传递路径的影响，

2.3)给出传递路径的函数表达式。

所述的步骤3)的具体过程为：

先对每个振动逐个分析，再将它们叠加，便得到正常情况下周转轮系的振动信号仿真模型，