雙環減速器運動特征及其故障診斷研究

概述

1.1課題來源及研究的意義
本文研究內容來源于國家自然科學基金重點項目《機械／流體傳動的節能及新型傳動方式的基礎性研究》（項目編號：59835040）中的子課題《高效多流傳動系統的設計理論和方法的研究》以及國家十五高技術研究發展計劃（863計劃）項目(網絡化、智能化大型旋轉機械在線診斷系統》（項目編號：2001 AA423200）。

平行動軸少齒差傳動是我國***的一種新型傳動，其傳動原理為行星輪不是作擺線運動，而是通過雙曲柄齒輪機構引導作圓周平動，已出現了單環、雙環、三環、四環及平衡式減速（增速）等裝置，分別獲國家發明專利和實用新型專利，部分產品已列入行業標準。該傳動形式與現有各種主要齒輪傳動形式相比，具有結構簡單、體積小、重量輕、傳動比大、傳動效率高、承載能力大、過載能力強等一系列優點，因而在機械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業領域得到了大量的應用。同時因具有裝配靈活和結構本身的獨特特征，在有些領域具有其它傳動無法代替的優勢，近年來年產值已達數億元，具有廣闊的應用前景。但該傳動在高速重載情況下振動和噪聲大、溫升高及軸承早期破壞等問題，在連續運轉、重載、高速、大傳動比工況下問題更為突出，大大影響了其推廣進程，成為亟待解決的關鍵技術難題。目前國內外開展該傳動研究主要集中在其傳動機理、運動學和動力學分析及振動噪聲測試方面，對其整個傳動系統耦合非線性振動噪聲分析和發熱機理及設計階段對產品的振動噪聲預估等方面研究很少。對于雙環減速器，由于行星輪不是作擺線運動，而是通過雙曲柄齒輪機構引導作圓周平動，在不同位置行星輪嚙合齒對數不同，導致載荷分配不均。同時由于輪齒剛度的時變特性、齒輪嚙合時的嚙入和嚙出沖擊、齒輪間側隙的存在、摩擦阻力、并列齒輪機構相位及制造安裝誤差和環作圓周平動引起的不平衡擺動力和擺動力矩的影響，使齒輪在工作中將產生內部激勵，而外載波動又使傳動系統受到外部的激勵。在這種相互的沖擊作用下，使得雙環減速器可能產生故障。

20 世紀六十年代末以來，美國、英國和日本等發達工業國家掀起了故障診斷技術研究的熱潮，并在實踐中發揮了重要的作用，取得了巨大的經濟效益和社會效益，并日益受到企業和政府主管部門的重視。目前故障診斷技術已從原來的基于時間的維修策略發展到近十幾年的基于狀態的預測性維修策略，對于系統在線監視的要求越來越高。隨著計算機技術以及Internet技術及其相關技術的迅速發展，基于網絡化的遠程故障診斷也成為當今故障診斷領域的新方向。同時，由于環式減速器的進一步深入研究及在各領域的廣泛應用，因此，對雙環減速器進行故障智能診斷預報并迅速處理，并逐步實現遠程診斷，此研究課題具有重要的實用意義。

1.2 國內外發展現狀
1.2.1 少齒差行星傳動發展簡介
隨著現代化工業技術的高速發展，機械化水平的不斷提高，對齒輪傳動裝置的技術及經濟性能也提出了越來越高的要求。在常見的齒輪傳動裝置中，普通的定軸圓柱齒輪傳動傳動比小、體積大、結構笨重；普通圓柱蝸桿傳動效率較低；而行星齒輪傳動由于具有傳動比大、重量輕、結構緊湊等優點，而得到廣泛的應用。少齒差行星齒輪傳動是行星齒輪傳動中的一種，它由一個外齒輪與一個內齒輪組成一對內嚙合齒輪副，內外齒輪的齒數相差較少，故簡稱少齒差傳動。少齒差傳動的類型很多，***早出現的是德國人提出的以外擺線為齒廓曲線的少齒差傳動，由于其中的一個齒輪采用針輪的形式，故亦稱擺線針輪行星齒輪傳動；30 年代后期日本人開始研制并試生產該行星齒輪傳動裝置，但由于當時工藝條件落后，齒形加工精度很低，因而產量不高；直到60年代擺線磨床的出現，從工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進了這種傳動的發展。近幾十年來，擺線少齒差傳動已發展成為少齒差傳動中應用***廣泛、***基本的一種類型，此外，還發展了二齒差、復合齒型、行星軸承與偏心套合并等新的傳動結構。擺線針輪行星齒輪傳動由于其主要傳動零件采用軸承鋼并經過磨削加工，傳動時又是多齒嚙合，故其承載能力高、運轉平穩、效率高、壽命長，但其加工精度要求高，結構復雜。漸開線少齒差傳動的原理與擺線少齒差傳動基本相同，區別在于內外齒輪的齒廓曲線采用漸開線。其輪齒結構簡單、嚙合接觸應力小、承載能力高、可采用軟齒面、加工容易。但由于內嚙合齒輪齒數差很少，極易產生各種干涉，在設計過程中選擇齒輪幾何參數十分復雜。1949年蘇聯學者從理論上解決了實現一齒差傳動的幾何計算問題；到60年代隨著電子計算機的出現，漸開線少齒差傳動才得到了較迅速的發展。目前已出現了柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動盤式等多種傳動形式。漸開線少齒差齒輪采用普通的漸開線齒輪刀具和齒輪機床加工，不需要特殊刀具和專用設備，材料也可采用普遇齒輪材料，加工方便、制造成本低，但其傳動效率不如擺線少齒差傳動高。60 年代國外開始探討圓弧少齒差傳動，到70 年代中期，日本開始進行圓弧少齒差行星減速機的系列化生產。這種傳動的特點是行星輪的齒廓曲線采用四圓弧代替了擺線，輪齒與針齒在嚙合點的曲率方向相同，形成兩凹凸圓弧的內嚙合，從而提高了輪齒的接觸強度和嚙合效率，其針齒不帶齒套，并采用半埋齒結構，既提高了彎曲強度又簡化了針齒結構。此外，圓弧形輪齒的加工無需專用機床，精度也易保證，且修配方便。

近十幾年來又相繼出現了一些新的少齒差傳動形式，其中發展較快的有活齒少齒差傳動錐齒少齒差傳動、雙曲柄輸入式少齒差傳動及用彈性變形來傳遞運動的諧波傳動。實踐證明，少齒差傳動與適用于相同工況的其它機械傳動形式相比，具有許多顯著的優點：如體積小、重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大和傳動效率高等。
我國從50 年代就開始從事少齒差傳動的研究。1958年開始研制擺線針輪減速機，60年代投人工業化生產，目前已形成系列，制定了相應的標準，該減速機己廣泛用于各類機械設備中。1960年我國研制成***臺二齒差漸開線行星齒輪減速機，用于橋式起重機的提升機構中。1956 年我國著名機械學專家朱景梓教授根據雙曲柄機構的原理提出了一種新型少齒差傳動機構，其特點是當輸人軸旋轉時，行星輪不是作擺線運動（即高速公轉與低速自轉的合成），而是通過一雙曲柄機構引導作圓周平動。這種獨特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動機構”得到當時國內外同行的高度評價。1963年朱景梓教授在太原工學院學報上發表了“齒數差Zd=1的漸開線K-H-v型行星齒輪減速器及設計”一文，詳細闡述了漸開線少齒差傳動的原理和設計方法。朱景梓教授所從事的這些創造性工作，為少齒差行星齒輪傳動在我國的推廣應用起了重要的指導作用。雙曲柄輸入式少齒差行星齒輪傳動使行星軸承的載荷下降，而且當內齒板為行星輪時，行星軸承的徑向尺寸可不受***，從而提高了行星軸承的壽命。另外，這種傳動不需專門的輸出機構，可實現平行軸傳動，結構簡單、傳動效率高、適用性強。但由于歷史原因，這種傳動直到70年代末才得到了較多單位的研制和使用。目前應用范圍相當廣泛，已用在小型起重設備、畜牧機械、食品、輕工、化工機械、漁業、紡織、焊接、水利、機床、自動控制等領域。1985年冶金工業部重慶鋼鐵設計研究院陳宗源高工提出了平行軸式少齒差內齒行星齒輪傳動裝置一三環減速器，并于同年以“三環式減速（或增速）傳動裝置”申請了國家發明專利。1992年重慶鋼鐵集團公司研制出了單齒環雙曲柄輸入少齒差減速器，并于同年申請了實用新型專利。英國人在1989年也提出了類似的少齒基傳動裝置，但是按其原理設計的減速器，在一根曲柄上安裝三個內齒板，不得不做成偏心套結構，其結構復雜、加工分度精度要求高，而且在工作過程中，偏心套受交變扭矩作用，在與曲軸連接的表面產生微動磨損，導致發熱；此外，三套互成120°相位差的雙曲柄機構之間存在多次過約束，加工及裝配誤差容易導致附加沖擊，引起振動和噪聲。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一塊齒板上布置三個曲柄軸的內齒行星傳動裝置，并申請了專利。這種結構特點是單齒板傳動不存在死點，但由于有三個曲柄軸，加工精度要求高，結構復雜，安裝不便。1998年朱才朝對三環減速器進行了振動控制的研究。1999年哈爾濱工業大學博士研究生梁永生提出了一種新型的金屬彈性環均載的兩級三環減速機，并對其進行了理論分析及樣機實驗, 2001年天津大學博士研究生楊建明用彈性力學方法對三環傳動進行了理論分析。

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