光纤光栅动态检测齿根多维参数的行星齿轮箱轮齿裂纹监测诊断方法

Planetary gearboxes are key transmission devices of mechanical systems，but severe work conditions result in the high failure rate. Traditional diagnosis methods have difficulty in identifying tooth crack faults. Tooth root multidimensional parameters (width direction strain, surface direction strain and temperature) of the ring gear can reflect the running state of gears accurately and completely, so these parameters have the advantage of diagnosing weak faults. Aiming at tooth crack faults, this project intends to study a planetary gearbox fault diagnosis approach based on the fiber grating dynamic measurement on tooth root multidimensional parameters. First, the dynamic mechanism model of tooth root multidimensional parameters of the ring gear is built under time-varying work conditions and typical tooth crack faults. Then, the method to measure multidimensional parameters with one single fiber grating is proposed and the fiber grating distributed measurement system used to monitor the state of planetary gearboxes is designed. Finally, the self-adapted feature extraction method for tooth crack is studied and the qualitative and quantitative identification methods for tooth crack are proposed. The in-depth study on this project will not only expand and develop the technical and theoretical system of fault diagnosis technology towards planetary gearboxes, but also provide guidance for the design and manufacture process of planetary gearboxes, which offers a much more valuable scientific significance and engineering application prospects.

行星齿轮箱是机械系统的关键传动装置，但恶劣的工作环境导致其故障频发，传统的监测诊断方法很难有效识别轮齿裂纹故障。由于内齿圈齿根多维参数（齿面方向应变、齿宽方向应变和温度）能够准确、全面反映齿轮的运行状态，因而在诊断行星齿轮箱微弱故障方面具有优势。本项目拟研究一种基于光纤光栅动态检测齿根多维参数的行星齿轮箱轮齿裂纹监测诊断方法，其主要研究内容包括：建立行星齿轮箱在时变工况和典型轮齿裂纹故障下，内齿圈齿根多维参数的动态变化机理模型；提出利用单光纤光栅同时检测齿根多维参数信息的方法，并设计用于行星齿轮箱状态监测的光纤光栅分布式传感检测系统；研究基于内齿圈齿根多维参数形态特征的自适应轮齿裂纹故障特征提取方法和轮齿裂纹定性与定量识别方法。该项目的深入研究，不仅能够丰富和发展行星齿轮箱的监测诊断技术理论体系，同时还能为行星齿轮箱的设计制造过程提供指导，具有重要的科学研究价值和工程应用前景。

本项目针对基于振动信号的行星齿轮箱监测诊断方法遇到的挑战，突破以“信号处理技术”为核心的传统研究思路，从“故障信息载体信号”的角度入手，提出了一种光纤光栅动态检测内齿圈齿根多维参数（轴向应变、周向应变）的行星齿轮箱轮齿故障诊断方法。首先，研究了内齿圈齿根多维参数的动态变化机理。建立了融合行星齿轮箱集中参数动力学模型和内齿圈有限元模型的内齿圈齿根多维参数变化机理模型；按照“故障→啮合刚度→啮合力→内齿圈齿根应变”的研究路线揭示了太阳轮、行星轮、内齿圈故障下内齿圈齿根应变中的特征；建立了行星齿轮箱全尺寸有限元模型对机理模型所揭示的故障特征进行了验证。然后，开展了内齿圈齿根应变光纤光栅动态检测技术的研究。根据光纤光栅的结构和传感特点以及内齿圈应变场的分布形式，确定了光纤光栅在内齿圈齿根的安装位置和安装角度；分析了内齿圈非均匀应变场下光纤光栅的应变传感特性；研究了基于波长扫描、边缘滤波、可调谐边缘滤波的多种光纤光栅波长解调方法，并设计开发了相应的波长解调系统。最后，进行了行星齿轮箱监测诊断方法的研究。制定了基于内齿圈齿根应变信号的行星齿轮箱轮齿监测策略，分析了轮齿监测的完备性和效率；搭建了行星齿轮箱监测诊断实验平台，开展了故障诊断实验，实验结果证实了本项目提出的内齿圈齿根应变光纤光栅检测方法以及基于内齿圈齿根应变信号的行星齿轮箱轮齿故障诊断方法的正确性和有效性。在完成上述项目内容的同时，还开展了与基于振动信号的行星齿轮箱故障诊断方法的比较研究，通过构建行星齿轮箱刚柔耦合动力学模型分析了振动信号的频谱结构，提出了基于阶次跟踪、参数寻优和扭振信号的故障诊断策略，并开展了相应的实验研究，突出了本项目所提出方法的特色。本项目共发表了SCI论文3篇，EI论文9篇，硕士学位论文5篇，授权发明专利3项。