行星齿轮齿根裂纹渐进故障分析
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摘 要：针对未来直升机使用完好性监测需求，本文开展了直升机行星齿轮结构的渐进式故障状态特征分析。通过试验研究，达到如下目的：（1）通过对ZJ主减速器的拆解，了解主减速器行星传动结构组成;（2）研究行星结构故障传播机理;（3）通过拆解和再组装，研究拆解过程对主减速器结构功能的影响;（4）开展行星传动结构故障试验，并与正常状态实验数据进行分析。为未来直升机完好性与使用监测系统的功能完善提供一定的技术支撑。
关键词：行星齿轮结构;渐进式故障状态;技术支撑
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.028
1 引言
通常直升机传动系统构成为“三器两轴”，即：主减速器、为减速器、中间减速器、动力传动轴和为传动轴，其中传动系统的主要性能是由其主减速器所决定的[1]。主减速器由多级齿轮传动组成，普遍采用了螺旋锥齿轮、行星齿轮以及常用的直齿和斜齿轮[2-3]。螺旋锥齿轮主要用于将直升机上发动机水平方向输入运动改变成主旋翼轴垂直方向的输出运动，减速比一般不大，而对于主减速器减速比大且传递功率大的要求，是通过行星结构来实现的，作为直升机传动系统主减速器的核心，行星传动结构一般放置在主减速器最后一级[4-6]，将高转速小扭矩发动机功率转变变成低转速大扭矩的传动功率，对于大功率直升机来说，其行星结构为多级结构，齿轮转速比更高，对齿轮传动不见刚度、强度提出极高的要求，使用工况更恶劣，更易造成各种形式的损伤，因此对行星传动结构的故障监测与诊断尤为重要[7-8]。
本文通过某型直升机主减速器渐进式故障模拟运行试验的研究，开展了在不同故障程度和不同运行工况下行星传动结构时频域特征分布的对比分析，探究其故障分布与多工况操作的规律，为实现行星传动结构的故障诊断与预测提供一定的技术支撑。
2 试验条件
本次试验以现有的直升机主减速器为试验平台，该试验平台由电动机驱动。主减速器包含一级锥齿轮、二级减速锥齿轮、太阳齿轮轴、固定齿圈、行星齿轮、尾桨传动主动锥齿轮、尾桨传动从动锥齿轮等构成。动力由电动机提供，并经一级、二级减速锥齿轮传递给太阳轮轴，继而传输给尾桨传动锥齿轮和行星齿轮。
2.1 试验对象
本次试验对象为直升机主减行星齿轮。直升机主减行星齿轮共有5个星星轮，每个行星轮通过承压轴承与旋翼轴轮盘相连，并将太阳轮轴动力传递给旋翼，同时起到减速的作用。对其中一个行星轮进行破坏，形成一定程度的切槽，模拟行星齿轮齿根裂纹故障。
2.2 试验项目
根据试验对象的类型以及本实验的条件限制，仅加工其中一种类型的故障件为主减行星齿轮，故障类型为齿根裂纹，分为三种状态，一种是正常状态，一种是深度0.5mm的齿根裂纹，还有一种是1mm齿根裂纹。
2.3 传感器采样及布局
本次试验仅针对行星齿轮，行星齿轮与太阳轮和内齿圈均处在统一水平面内，而仅内齿圈周围存在固定点，因此需根据需要在内齿圈周围寻找合适的固定点安装传感器。拟根据需要沿齿圈三个方向安装传感器（X方向，Y方向，Z方向）共计6个传感器。
3 数据对比分析
3.1 时域特征指标
时域指标主要反映在RMS值与峭度值上，各传感器在不同转速状态及故障状态下的RMS。
综上，除5号传感器出现故障数据RMS值比正常数据RMS值偏大，且与故障程度越高，RMS值越大之外，其他传感器监测的数值基本为正常数据的RMS值均大于故障数据的RMS值;但RMS值的大小与故障程度也基本呈现一种线性关系，即为正相关或者负相关。同时也表明，ZSJ主减速器行星齿轮箱的拆解安装对传感信号也存在一定的影响。
3.2 频域特征指标
通过不同转速状态下时频域信号对比可知，随着转速信号的逐渐增大，时域信号的振动幅值也逐步增大，其频域成分主要集中在0-5000Hz范围内，且其低频与幅值随转速增大而逐步增加。
不同转速状态下，各传感器监测信号倍频对比分析：
（1）3000rpm转速状态下，各传感器倍频对比分析。通过分析输入转速3000rpm状态下，不同传感器各个行星轮局部故障倍频数据的对比可以看出，其4倍故障频率出现了一定的相关性，即故障越大，其4倍特征频率越小的规律。
（2）2500rpm转速状态下，各传感器倍频对比分析。通过分析2500rpm转速下各传感器倍频特征频率频谱可以看出，其并未出现某一个倍频特征频率出现基于特征的线性规律，但其三号传感器监测数据的行星轮局部故障特征频率的5倍、4倍、3倍、2倍以及1倍频均出现一定程度的负线性相关性。
（3）2000rpm转速状态下，各传感器倍频对比分析。通过分析输入转速2000rpm状态下，不同传感器各个行星轮局部故障倍频数据的对比可以看出，其4倍故障频率出现了一定的相关性，即故障越大，其4倍特征频率越小的规律。
综上，直升机主减速器在500rpm及1000rpm轉速下的故障特征频率并不明显，且故障特征不固定且出现变化;而在其他转速状态下出现了较为固定的特征变化情况。
参考文献：
[1]王卫刚，陈仁良，蔡贺新.齿轮减速器在直升机动力传动系统中的应用[J].机械研究与应用，2010：48-52.
[2]饶振刚.行星传动机构设计[M].北京：国防工业出版社，2003.
[3]刘鑫，贾云献，周杰.基于振动模型的直升机行星齿轮故障分析与仿真研究[J].计算机与数字工程，2015，43（02）：183-186.
[4]徐英帅，王细洋等.直升机动力传动系统故障诊断方法[J].失效分析与预防，2012，7（02）：77-81.
[5]王正峰，夏富春，万隆.直升机主减速器行星齿轮系热分析[J].直升机技术，2018（01）：20-24.
[6]ROMANO P A.A model based framework for fault diagnosis and prognosis of dynamical systems with an application to helicopter transmissions[D].Atlabta，G-A：Georgia Institute of Technology，2007：33-196.
[7]刘立生，杨宇航.基于小波神经网络的直升机主减速器故障诊断系统[J].航空动力学报，2012（06）.
[8]朱定金.直升机减速器齿轮疲劳寿命评定方法[J].直升机技术，2007（02）.
作者简介：闫明松（1973-），男，辽宁瓦房店人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：机器学习、航空电子、装备质量监督。
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