雙環(huán)減速器運動(dòng)特征及其故障診斷研究

概述

1.1課題來(lái)源及研究的意義
本文研究?jì)热輥?lái)源于國家自然科學(xué)基金***項目《機械／流體傳動(dòng)的節能及新型傳動(dòng)方式的基礎性研究》（項目編號：59835040）中的子課題《***多流傳動(dòng)系統的設計理論和方法的研究》以及國家十五高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目(網(wǎng)絡(luò )化、智能化大型旋轉機械在線(xiàn)診斷系統》（項目編號：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(xiàn)運動(dòng)，而是通過(guò)雙曲柄齒輪機構引導作圓周平動(dòng)，已出現了單環(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)標準。該傳動(dòng)形式與現有各種主要齒輪傳動(dòng)形式相比，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)效率高、承載能力大、過(guò)載能力強等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在機械、冶金、石油、建筑、水力及水泥、交通等工業(yè)領(lǐng)域得到了大量的應用。同時(shí)因具有裝配靈活和結構本身的獨特特征，在有些領(lǐng)域具有其它傳動(dòng)無(wú)法代替的優(yōu)勢，近年來(lái)年產(chǎn)值已達數億元，具有廣闊的應用前景。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(wèn)題，在連續運轉、重載、高速、大傳動(dòng)比工況下問(wèn)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。目前國內外開(kāi)展該傳動(dòng)研究主要集中在其傳動(dòng)機理、運動(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)系統耦合非線(xiàn)性振動(dòng)噪聲分析和發(fā)熱機理及設計階段對產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲預估等方面研究很少。對于雙環(huán)減速器，由于行星輪不是作擺線(xiàn)運動(dòng)，而是通過(guò)雙曲柄齒輪機構引導作圓周平動(dòng)，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(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(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)生內部激勵，而外載波動(dòng)又使傳動(dòng)系統受到外部的激勵。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 世紀六十年代末以來(lái)，美國、英國和日本等發(fā)達工業(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)濟效益和社會(huì )效益，并日益受到企業(yè)和政府主管部門(mén)的重視。目前故障診斷技術(shù)已從原來(lái)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)的預測性維修策略，對于系統在線(xiàn)監視的要求越來(lái)越高。隨著(zhù)計算機技術(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 )化的遠程故障診斷也成為當今故障診斷領(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)域的廣泛應用，因此，對雙環(huán)減速器進(jìn)行故障智能診斷預報并迅速處理，并逐步實(shí)現遠程診斷，此研究課題具有重要的實(shí)用意義。

1.2 國內外發(fā)展現狀
1.2.1 少齒差行星傳動(dòng)發(fā)展簡(jiǎn)介
隨著(zhù)現代化工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，機械化水平的不斷提高，對齒輪傳動(dòng)裝置的技術(shù)及經(jīng)濟性能也提出了越來(lái)越高的要求。在常見(jiàn)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、結構笨重；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、結構緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應用。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(jiǎn)稱(chēng)少齒差傳動(dòng)。少齒差傳動(dòng)的類(lèi)型很多，***早出現的是德國人提出的以外擺線(xiàn)為齒廓曲線(xiàn)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(chēng)擺線(xiàn)針輪行星齒輪傳動(dòng)；30 年代后期日本人開(kāi)始研制并試生產(chǎn)該行星齒輪傳動(dòng)裝置，但由于當時(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(xiàn)磨床的出現，從工藝上保證了擺線(xiàn)齒形的精度，才促進(jìn)了這種傳動(dòng)的發(fā)展。近幾十年來(lái)，擺線(xiàn)少齒差傳動(dòng)已發(fā)展成為少齒差傳動(dòng)中應用***廣泛、***基本的一種類(lèi)型，此外，還發(fā)展了二齒差、復合齒型、行星軸承與偏心套合并等新的傳動(dòng)結構。擺線(xiàn)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(guò)磨削加工，傳動(dòng)時(shí)又是多齒嚙合，故其承載能力高、運轉平穩、效率高、壽命長(cháng)，但其加工精度要求高，結構復雜。漸開(kāi)線(xiàn)少齒差傳動(dòng)的原理與擺線(xiàn)少齒差傳動(dòng)基本相同，區別在于內外齒輪的齒廓曲線(xiàn)采用漸開(kāi)線(xiàn)。其輪齒結構簡(jiǎn)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(chǎn)生各種干涉，在設計過(guò)程中選擇齒輪幾何參數十分復雜。1949年蘇聯(lián)學(xué)者從理論上解決了實(shí)現一齒差傳動(dòng)的幾何計算問(wèn)題；到60年代隨著(zhù)電子計算機的出現，漸開(kāi)線(xiàn)少齒差傳動(dòng)才得到了較迅速的發(fā)展。目前已出現了柱銷(xiāo)式、零齒差、十字滑塊、浮動(dòng)盤(pán)式等多種傳動(dòng)形式。漸開(kāi)線(xiàn)少齒差齒輪采用普通的漸開(kāi)線(xiàn)齒輪刀具和齒輪機床加工，不需要特殊刀具和專(zhuān)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(dòng)效率不如擺線(xiàn)少齒差傳動(dòng)高。60 年代國外開(kāi)始探討圓弧少齒差傳動(dòng)，到70 年代中期，日本開(kāi)始進(jìn)行圓弧少齒差行星減速機的系列化生產(chǎn)。這種傳動(dòng)的特點(diǎn)是行星輪的齒廓曲線(xiàn)采用四圓弧代替了擺線(xiàn)，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(jiǎn)化了針齒結構。此外，圓弧形輪齒的加工無(wú)需專(zhuān)用機床，精度也易保證，且修配方便。

近十幾年來(lái)又相繼出現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(lái)傳遞運動(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械傳動(dòng)形式相比，具有許多顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：如體積小、重量輕、結構緊湊、傳動(dòng)比范圍大和傳動(dòng)效率高等。
我國從50 年代就開(kāi)始從事少齒差傳動(dòng)的研究。1958年開(kāi)始研制擺線(xiàn)針輪減速機，60年代投人工業(yè)化生產(chǎn)，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(lèi)機械設備中。1960年我國研制成***臺二齒差漸開(kāi)線(xiàn)行星齒輪減速機，用于橋式起重機的提升機構中。1956 年我國***機械學(xué)專(zhuān)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(dòng)機構，其特點(diǎn)是當輸人軸旋轉時(shí)，行星輪不是作擺線(xiàn)運動(dòng)（即高速公轉與低速自轉的合成），而是通過(guò)一雙曲柄機構引導作圓周平動(dòng)。這種獨特的“雙曲柄輸人式少齒差傳動(dòng)機構”得到當時(shí)國內外同行的高度評價(jià)。1963年朱景梓教授在太原工學(xué)院學(xué)報上發(fā)表了“齒數差Zd=1的漸開(kāi)線(xiàn)K-H-v型行星齒輪減速器及設計”一文，詳細闡述了漸開(kāi)線(xiàn)少齒差傳動(dòng)的原理和設計方法。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(dòng)使行星軸承的載荷下降，而且當內齒板為行星輪時(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(zhuān)門(mén)的輸出機構，可實(shí)現平行軸傳動(dòng)，結構簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、適用性強。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(yè)、紡織、焊接、水利、機床、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。1985年冶金工業(yè)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(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(lèi)似的少齒基傳動(dòng)裝置，但是按其原理設計的減速器，在一根曲柄上安裝三個(gè)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(guò)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，導致發(fā)熱；此外，三套互成120°相位差的雙曲柄機構之間存在多次過(guò)約束，加工及裝配誤差容易導致附加沖擊，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)曲柄軸的內齒行星傳動(dòng)裝置，并申請了***。這種結構特點(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，結構復雜，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)均載的兩級三環(huán)減速機，并對其進(jìn)行了理論分析及樣機實(shí)驗, 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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