一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法技术

一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法，先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，分析多个啮合过程不同传递路径对信号的影响，建立行星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，该模型突破仅仅考虑齿轮系统内部某一对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，经过实验验证，可以为单级周转轮系的故障诊断提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法
本专利技术属于机械设备早期故障诊断
，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。
技术介绍
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fm，fm＝Nrfc，Nr为齿圈齿数，fc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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术采取的技术方案为：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，Zr代表内齿圈的齿数；ψi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，Zs代表太阳轮的齿数；ψi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γrs，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，式中N为行星轮个数；和分别代表第i个行星轮与内齿圈、第i个行星轮与太阳轮啮合引起的振动，f代表啮合频率，代表第i个行星轮与内齿圈啮合的初相位，代表第i个行星轮与太阳轮啮合的初相位；Ar(t)、As(t)代表行星轮分别与内齿圈和太阳轮啮合振动的传递路径函数。本专利技术的核心是建立了周转轮系正常状态时的振动信号仿真模型，给出了振动信号的响应表达式。该方法从周转轮系内部啮合传动机理入手，综合考虑各啮合成分之间的相位差，并分析每个啮合成分的传递路径，建立了周转轮系正常状态下的振动信号仿真模型。该模型的优势在于突破仅仅考虑齿轮箱内部某一对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，经过实验验证，可以为单级周转轮系的故障诊断提供依据。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为具有三个行星轮的行星轮系结构示意图。图3为图2行星齿轮啮合示意图。图4为图2行星轮系振动传递路径示意图。图5为正常齿轮的仿真信号波形及其阶次谱。图6为正常齿轮的实验信号波形及其阶次谱。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述。其中该实施例的试验台上的行星齿轮箱中，内齿圈固定不动，太阳轮为输入端，行星架为输出端；具体参数如表1所示。表1行星齿轮箱参数参照图1，一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，计算相位差的过程具体如下：1.1)根据行星轮的初始安装位置，如图2所示，分别计算第i个行星轮与内齿圈啮合时的初相位其中，Zr代表内齿圈的齿数；ψi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，Zs代表太阳轮的齿数；ψi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γrs，由图3可得：式中p为基节，图3中，Rso、Rsb分别代表太阳轮的齿顶圆半径、基圆半径；Rpo、Rpb分别代表行星轮的齿顶圆半径、基圆半径；Rro、Rrb分别代表内齿圈的齿顶圆半径、基圆半径；P1代表太阳轮与行星轮啮合的节点，Q1为P1对应在行星轮基圆上的点，Q2与Q1相差一个齿宽。Q3为当太阳轮—行星轮啮合副在P1点啮合时，内齿圈—行星轮的啮合点所在的位置。P2为行星轮与内齿圈啮合的节点，B2为行星轮与内齿圈入啮点，E2为行星轮与内齿圈脱啮点。由于行星轮与太阳轮、内齿圈分别在不同的齿面啮合，因此，计算太阳轮—行星轮啮合副与内齿圈—行星轮啮合副之间的相位差时，需要减掉一个齿宽。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，具体过程如下：啮合振动通过多条路径传递到传感器，此外，由于行星轮的公转，使得啮合点与传感器之间的传递路径周期性变化，图4给出了六条可能的传递路径。2.1)分析振动的所有传递路径以单个行星轮为对象，它与太阳轮的啮合振动到传感器的传递路径：太阳轮→太阳轮中心轴→箱体→传感器，太阳轮→行星轮→内齿圈→箱体→传感器，太阳轮→行星轮→行星轮中心轴→行星架→箱体→传感器，如图4中1、2、3路线所示；与内齿圈的啮合振动到传感器的传递路径：行星轮→太阳轮→太阳轮中心轴→箱体→传感器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种考虑啮合相位差的正常单级周转轮系唯象建模方法，其特征在于，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；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；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；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，式中N为行星轮个数；和分别代表第i个行星轮与内齿圈、第i个行星轮与太阳轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷亚国，刘宗尧，林京，卢帆勃，罗希，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61