雙環(huán)減速器運(yùn)動(dòng)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(nèi)容來源于國家自然科學(xué)基金***項(xiàng)目《機(jī)械／流體傳動(dòng)的節(jié)能及新型傳動(dòng)方式的基礎(chǔ)性研究》（項(xiàng)目編號(hào)：59835040）中的子課題《***多流傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法的研究》以及國家十五高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目(網(wǎng)絡(luò)化、智能化大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線診斷系統(tǒng)》（項(xiàng)目編號(hào)：2001 AA423200）。

平行動(dòng)軸少齒差傳動(dòng)是我國***的一種新型傳動(dòng)，其傳動(dòng)原理為行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)，而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)，已出現(xiàn)了單環(huán)、雙環(huán)、三環(huán)、四環(huán)及平衡式減速（增速）等裝置，分別獲國家發(fā)明***和實(shí)用新型***，部分產(chǎn)品已列入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該傳動(dòng)形式與現(xiàn)有各種主要齒輪傳動(dòng)形式相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、承載能力大、過載能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。同時(shí)因具有裝配靈活和結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特特征，在有些領(lǐng)域具有其它傳動(dòng)無法代替的優(yōu)勢，近年來年產(chǎn)值已達(dá)數(shù)億元，具有廣闊的應(yīng)用前景。但該傳動(dòng)在高速重載情況下振動(dòng)和噪聲大、溫升高及軸承早期破壞等問題，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、重載、高速、大傳動(dòng)比工況下問題更為突出，大大影響了其推廣進(jìn)程，成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前國內(nèi)外開展該傳動(dòng)研究主要集中在其傳動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及振動(dòng)噪聲測試方面，對其整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)耦合非線性振動(dòng)噪聲分析和發(fā)熱機(jī)理及設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲預(yù)估等方面研究很少。對于雙環(huán)減速器，由于行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)，而是通過雙曲柄齒輪機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)，在不同位置行星輪嚙合齒對數(shù)不同，導(dǎo)致載荷分配不均。同時(shí)由于輪齒剛度的時(shí)變特性、齒輪嚙合時(shí)的嚙入和嚙出沖擊、齒輪間側(cè)隙的存在、摩擦阻力、并列齒輪機(jī)構(gòu)相位及制造安裝誤差和環(huán)作圓周平動(dòng)引起的不平衡擺動(dòng)力和擺動(dòng)力矩的影響，使齒輪在工作中將產(chǎn)生內(nèi)部激勵(lì)，而外載波動(dòng)又使傳動(dòng)系統(tǒng)受到外部的激勵(lì)。在這種相互的沖擊作用下，使得雙環(huán)減速器可能產(chǎn)生故障。

20 世紀(jì)六十年代末以來，美國、英國和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國家掀起了故障診斷技術(shù)研究的熱潮，并在實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并日益受到企業(yè)和政府主管部門的重視。目前故障診斷技術(shù)已從原來的基于時(shí)間的維修策略發(fā)展到近十幾年的基于狀態(tài)的預(yù)測性維修策略，對于系統(tǒng)在線監(jiān)視的要求越來越高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及Internet技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程故障診斷也成為當(dāng)今故障診斷領(lǐng)域的新方向。同時(shí)，由于環(huán)式減速器的進(jìn)一步深入研究及在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此，對雙環(huán)減速器進(jìn)行故障智能診斷預(yù)報(bào)并迅速處理，并逐步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，此研究課題具有重要的實(shí)用意義。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 少齒差行星傳動(dòng)發(fā)展簡介
隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械化水平的不斷提高，對齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性能也提出了越來越高的要求。在常見的齒輪傳動(dòng)裝置中，普通的定軸圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比小、體積大、結(jié)構(gòu)笨重；普通圓柱蝸桿傳動(dòng)效率較低；而行星齒輪傳動(dòng)由于具有傳動(dòng)比大、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。少齒差行星齒輪傳動(dòng)是行星齒輪傳動(dòng)中的一種，它由一個(gè)外齒輪與一個(gè)內(nèi)齒輪組成一對內(nèi)嚙合齒輪副，內(nèi)外齒輪的齒數(shù)相差較少，故簡稱少齒差傳動(dòng)。少齒差傳動(dòng)的類型很多，***早出現(xiàn)的是德國人提出的以外擺線為齒廓曲線的少齒差傳動(dòng)，由于其中的一個(gè)齒輪采用針輪的形式，故亦稱擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)；30 年代后期日本人開始研制并試生產(chǎn)該行星齒輪傳動(dòng)裝置，但由于當(dāng)時(shí)工藝條件落后，齒形加工精度很低，因而產(chǎn)量不高；直到60年代擺線磨床的出現(xiàn)，從工藝上保證了擺線齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展。近幾十年來，擺線少齒差傳動(dòng)已發(fā)展成為少齒差傳動(dòng)中應(yīng)用***廣泛、***基本的一種類型，此外，還發(fā)展了二齒差、復(fù)合齒型、行星軸承與偏心套合并等新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)由于其主要傳動(dòng)零件采用軸承鋼并經(jīng)過磨削加工，傳動(dòng)時(shí)又是多齒嚙合，故其承載能力高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、壽命長，但其加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。漸開線少齒差傳動(dòng)的原理與擺線少齒差傳動(dòng)基本相同，區(qū)別在于內(nèi)外齒輪的齒廓曲線采用漸開線。其輪齒結(jié)構(gòu)簡單、嚙合接觸應(yīng)力小、承載能力高、可采用軟齒面、加工容易。但由于內(nèi)嚙合齒輪齒數(shù)差很少，極易產(chǎn)生各種干涉，在設(shè)計(jì)過程中選擇齒輪幾何參數(shù)十分復(fù)雜。1949年蘇聯(lián)學(xué)者從理論上解決了實(shí)現(xiàn)一齒差傳動(dòng)的幾何計(jì)算問題；到60年代隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，漸開線少齒差傳動(dòng)才得到了較迅速的發(fā)展。目前已出現(xiàn)了柱銷式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)盤式等多種傳動(dòng)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(jī)床加工，不需要特殊刀具和專用設(shè)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(dòng)效率不如擺線少齒差傳動(dòng)高。60 年代國外開始探討圓弧少齒差傳動(dòng)，到70 年代中期，日本開始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速機(jī)的系列化生產(chǎn)。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)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(diǎn)的曲率方向相同，形成兩凹凸圓弧的內(nèi)嚙合，從而提高了輪齒的接觸強(qiáng)度和嚙合效率，其針齒不帶齒套，并采用半埋齒結(jié)構(gòu)，既提高了彎曲強(qiáng)度又簡化了針齒結(jié)構(gòu)。此外，圓弧形輪齒的加工無需專用機(jī)床，精度也易保證，且修配方便。

近十幾年來又相繼出現(xiàn)了一些新的少齒差傳動(dòng)形式，其中發(fā)展較快的有活齒少齒差傳動(dòng)錐齒少齒差傳動(dòng)、雙曲柄輸入式少齒差傳動(dòng)及用彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)的諧波傳動(dòng)。實(shí)踐證明，少齒差傳動(dòng)與適用于相同工況的其它機(jī)械傳動(dòng)形式相比，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：如體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍大和傳動(dòng)效率高等。
我國從50 年代就開始從事少齒差傳動(dòng)的研究。1958年開始研制擺線針輪減速機(jī)，60年代投人工業(yè)化生產(chǎn)，目前已形成系列，制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，該減速機(jī)己廣泛用于各類機(jī)械設(shè)備中。1960年我國研制成***臺(tái)二齒差漸開線行星齒輪減速機(jī)，用于橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)中。1956 年我國***機(jī)械學(xué)專家朱景梓教授根據(jù)雙曲柄機(jī)構(gòu)的原理提出了一種新型少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是當(dāng)輸人軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星輪不是作擺線運(yùn)動(dòng)（即高速公轉(zhuǎn)與低速自轉(zhuǎn)的合成），而是通過一雙曲柄機(jī)構(gòu)引導(dǎo)作圓周平動(dòng)。這種獨(dú)特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”得到當(dāng)時(shí)國內(nèi)外同行的高度評價(jià)。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報(bào)上發(fā)表了“齒數(shù)差Zd=1的漸開線K-H-v型行星齒輪減速器及設(shè)計(jì)”一文，詳細(xì)闡述了漸開線少齒差傳動(dòng)的原理和設(shè)計(jì)方法。朱景梓教授所從事的這些創(chuàng)造性工作，為少齒差行星齒輪傳動(dòng)在我國的推廣應(yīng)用起了重要的指導(dǎo)作用。雙曲柄輸入式少齒差行星齒輪傳動(dòng)使行星軸承的載荷下降，而且當(dāng)內(nèi)齒板為行星輪時(shí)，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(dòng)不需專門的輸出機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、適用性強(qiáng)。但由于歷史原因，這種傳動(dòng)直到70年代末才得到了較多單位的研制和使用。目前應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，已用在小型起重設(shè)備、畜牧機(jī)械、食品、輕工、化工機(jī)械、漁業(yè)、紡織、焊接、水利、機(jī)床、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。1985年冶金工業(yè)部重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院陳宗源高工提出了平行軸式少齒差內(nèi)齒行星齒輪傳動(dòng)裝置一三環(huán)減速器，并于同年以“三環(huán)式減速（或增速）傳動(dòng)裝置”申請了國家發(fā)明***。1992年重慶鋼鐵集團(tuán)公司研制出了單齒環(huán)雙曲柄輸入少齒差減速器，并于同年申請了實(shí)用新型***。英國人在1989年也提出了類似的少齒基傳動(dòng)裝置，但是按其原理設(shè)計(jì)的減速器，在一根曲柄上安裝三個(gè)內(nèi)齒板，不得不做成偏心套結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎn)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致發(fā)熱；此外，三套互成120°相位差的雙曲柄機(jī)構(gòu)之間存在多次過約束，加工及裝配誤差容易導(dǎo)致附加沖擊，引起振動(dòng)和噪聲。1987年捷克人Soucek . Josef 提出在一塊齒板上布置三個(gè)曲柄軸的內(nèi)齒行星傳動(dòng)裝置，并申請了***。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是單齒板傳動(dòng)不存在死點(diǎn)，但由于有三個(gè)曲柄軸，加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。1998年朱才朝對三環(huán)減速器進(jìn)行了振動(dòng)控制的研究。1999年哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生梁永生提出了一種新型的金屬彈性環(huán)均載的兩級(jí)三環(huán)減速機(jī)，并對其進(jìn)行了理論分析及樣機(jī)實(shí)驗(yàn), 2001年天津大學(xué)博士研究生楊建明用彈性力學(xué)方法對三環(huán)傳動(dòng)進(jìn)行了理論分析。

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