本發(fā)明涉及光纖光柵傳感和機械工況監(jiān)測交叉領(lǐng)域，具體涉及一種螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
齒輪是一種傳遞運動和動力的機械零件，是機械中很重要和應用很廣泛的傳動形式之一。相比于其它類型的齒輪，螺旋傘齒具有傳遞效率高、摩擦阻力小、瞬時傳動比精確、傳遞扭力大等優(yōu)點，特別適合高速傳遞。大量的實踐證明，輪齒的彎曲疲勞折斷是造成齒輪失效的主要破壞形式之一，因為齒輪輪齒在受載時，齒輪齒根處的彎曲應力是最大的，再加上由于齒根過渡部分的截面突變和加工刀痕等引起的應力集中效應，當輪齒反復受載后，就會在齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴展，最終導致輪齒疲勞折斷，為了防止齒輪零件在運行過程中發(fā)生輪齒疲勞折斷等故障，進而減少安全事故的發(fā)生，提高機械零件的使用壽命和效率，準確地監(jiān)測齒輪在運行過程中狀態(tài)以及輪齒的彎曲疲勞強度就顯得十分必要，而齒輪齒根彎曲應力是齒輪彎曲疲勞強度計算的主要內(nèi)容，也就自然得到人們的廣泛重視。
光纖光柵因其具有耐腐蝕、抗干擾能力強等諸多優(yōu)良特性已廣泛應用于諸多領(lǐng)域，很早就有人提出采用光纖光柵來進行齒輪齒根彎曲應力的測量，但普通光纖光柵柵區(qū)長度約為1cm，其測出的彎曲應力是齒根在這1cm范圍內(nèi)齒寬方向上應力的積分，然而實際上，螺旋傘齒齒根受力是非均勻的，所以這樣檢測出的彎曲應力也是不準確的，且無法實現(xiàn)彎曲應力的全分布式測量。
如今針對普通直齒輪齒根彎曲應力的檢測方法已有很多，最常見的比如在齒輪根部粘貼應變片，通過測量齒輪齒根彎曲時應變片特性變化的方法獲得其彎曲應力，但此法只能單點測量，并不能分布式測量，且測量結(jié)果容易受到很多外界因素干擾；有限元分析法也是計算齒輪彎曲應力常用的方法，但該法數(shù)據(jù)量太大，且求解精度較低；武漢理工大學李晗等人提出了基于光纖光柵的直齒圓柱齒輪應力修正系數(shù)優(yōu)化方法，根據(jù)光纖光柵測量結(jié)果優(yōu)化直齒圓柱齒輪彎曲應力解析計算的應力修正系數(shù)，提高了應力計算精度，但還是無法實現(xiàn)全分布式齒根應力的測量；另外用軟件仿真的方法也可以估算齒輪齒根彎曲應力，但實現(xiàn)起來比較復雜，結(jié)果也不理想。在眾多齒輪齒根彎曲應力檢測的方法中，可以運用在螺旋傘齒等彎曲齒齒根應力檢測的很少，且大部分都只能實現(xiàn)齒根整體平均彎曲應力的測量或?qū)崿F(xiàn)齒根上有限的幾個點彎曲應力的測量，不能實現(xiàn)全分布式測量。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中測量螺旋傘齒齒根彎曲應力的方法誤差大，不能分布式測量，且容易影響齒輪工作的缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的基于光纖光柵的螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測裝置及方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開的一種螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測裝置，其特征在于：它包括光耦合器、光纖滑環(huán)、掃頻光源、光環(huán)形器、光頻域解調(diào)系統(tǒng)、計算機、對稱貼在螺旋傘齒中單個齒兩側(cè)的齒根上的第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵，其中，所述光耦合器固定在螺旋傘齒上，光纖滑環(huán)、掃頻光源、光環(huán)形器、光頻域解調(diào)系統(tǒng)和計算機設(shè)置在螺旋傘齒外，掃頻光源的掃頻光信號輸出端連接光環(huán)形器的第一光信號接口，所述第一測量光纖光柵的光通信端連接光耦合器的前端第一光接口，所述第二測量光纖光柵的光通信端連接光耦合器的前端第二光接口，光耦合器的后端光接口連接光纖滑環(huán)的旋轉(zhuǎn)接線端，光纖滑環(huán)的固定接線端連接光環(huán)形器的第二光信號接口，光頻域解調(diào)系統(tǒng)的信號輸入端連接光環(huán)形器的第三光信號接口，光頻域解調(diào)系統(tǒng)的信號輸出端連接計算機的信號輸入端。
所述第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵的長度與螺旋傘齒單個齒兩側(cè)的齒根的長度一致。
普通光纖光柵柵區(qū)長約1cm，傳統(tǒng)的光纖光柵測量齒輪齒根彎曲應力的方法只能測量出齒輪齒根在所貼光柵處(即1cm處)的彎曲應力的積分，螺旋傘齒齒根所受應變一般是非均勻的，所以這樣并不能準確獲得其彎曲應力，且不能實現(xiàn)分布式測量。本發(fā)明中采用柵區(qū)長度與螺旋傘齒齒寬軸向長度一致的光纖光柵，且采用空間分辨率為1mm的光頻域解調(diào)系統(tǒng)，在1mm區(qū)域內(nèi)，可認為應變是均勻的，因此可以準確獲得螺旋傘齒齒根每1mm處齒寬方向所受應力，具有高空間分辨率，通過彈性力學相關(guān)知識，可以將齒寬方向所受應力映射為齒高方向上的彎曲應力，從而實現(xiàn)了全分布式測量螺旋傘齒齒根彎曲應力。
一種上述裝置的螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測方法，其特征在于，它包括如下步驟：
步驟1：將被測螺旋傘齒置于靜止狀態(tài)；
步驟2：掃頻光源輸出端的掃頻光信號，掃頻光信號經(jīng)過光環(huán)形器、光纖滑環(huán)和光耦合器進入第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵；
步驟3：掃頻光信號在第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵內(nèi)均進行布拉格反射，第一測量光纖光柵反饋的第一反射譜信號輸入到光耦合器的前端第一光接口，第二測量光纖光柵反饋的第二反射譜信號輸入到光耦合器的前端第二光接口；
步驟4：光耦合器將第一反射譜信號和第二反射譜信號按時域進行疊加，輸出兩反射譜的疊加信號，兩反射譜的疊加信號依此通過光纖滑環(huán)和光環(huán)形器進入光頻域解調(diào)系統(tǒng)，光頻域解調(diào)系統(tǒng)將兩反射譜的疊加信號轉(zhuǎn)換為光纖光柵波長漂移信號；
步驟5：光頻域解調(diào)系統(tǒng)將光纖光柵波長漂移信號輸送給計算機，計算機根據(jù)光纖光柵波長漂移信號進行分段(每1mm柵區(qū)為一段)解調(diào)處理，得到第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵上各解調(diào)分段的波長；計算機對得到的各解調(diào)分段的波長進行解耦，消除溫度對檢測結(jié)果的影響，得到上述第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵上各分段解調(diào)段的初始波長λi；該初始波長λi為被測螺旋傘齒靜止時各分段解調(diào)段的波長；
步驟6：在被測螺旋傘齒轉(zhuǎn)動時，依據(jù)步驟2～5的方法得到被測螺旋傘齒運動時第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵上各分段解調(diào)段的波長，并求出被測螺旋傘齒靜止與運動狀態(tài)的各分段解調(diào)段波長差Δλ，該分段解調(diào)段波長差Δλ只受到應變影響；
步驟7：計算機根據(jù)如下公式1計算第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵各分段解調(diào)段所受應變εi；
Δλ＝(1-P)λiεi (1)
其中，P是測量光纖光柵的有效光彈系數(shù)，εi為第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵各分段解調(diào)段所受應變，即被測螺旋傘齒單個齒的齒根上沿齒寬方向所受應變；
然后根據(jù)如下公式2計算被測螺旋傘齒齒根齒高方向的分布式實時彎曲應力σx，以準確實現(xiàn)每段分段齒根軸向長度方向應力向齒高彎曲應力的轉(zhuǎn)換，即完成螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測；
其中，E為被測螺旋傘齒的材料彈性模量，α為與被測螺旋傘齒材料有關(guān)的常量，其值介于0和1之間，b為被測螺旋傘齒的齒寬，εi為被測螺旋傘齒單個齒兩側(cè)的齒根上沿齒寬方向所受應變。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明通過采用與螺旋傘齒齒寬軸向長度一致的光纖光柵并結(jié)合高空間分辨率(空間分辨率為1mm)的光頻域解調(diào)系統(tǒng)進行測量，將齒高彎曲應力測量轉(zhuǎn)化為每1mm段光纖光柵齒寬方向應力的測量，不僅實現(xiàn)了分布式彎曲應力測量，具有高空間分辨率，且使得測量更加方便，測量結(jié)果更加準確；光纖光柵均位于螺旋傘齒齒根兩側(cè)，不影響螺旋傘齒的正常傳動，能夠有效地將實際工況代入測量中，保證結(jié)果的準確性和可靠性，由于信號的輸出采用了2X1耦合器、光纖滑環(huán)和光頻域解調(diào)系統(tǒng)，所以該發(fā)明適用于分布式地監(jiān)測螺旋傘齒齒根應力；該方法去除溫度因素帶來的干擾，因此無需設(shè)置溫度補償裝置，大大簡化了信號探測部分的結(jié)構(gòu)，且還能增加一倍的靈敏度；通過并聯(lián)多個探測單元可以實現(xiàn)對齒輪周上每個齒的測量。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)各種工況下的螺旋傘齒傳動齒根彎曲應力分布式監(jiān)測，具有可實現(xiàn)分布式測量、結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量準確，測量靈敏度高，可自動實現(xiàn)溫補，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，1—螺旋傘齒、1.1—齒根、2—第一測量光纖光柵、3—第二測量光纖光柵、4—第一傳輸光纖、5—第二傳輸光纖、6—光耦合器、7—齒輪軸、8—光纖滑環(huán)、9—掃頻光源、10—光環(huán)形器、11—光頻域解調(diào)系統(tǒng)、12—計算機。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：
本發(fā)明的一種螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測裝置，它包括光耦合器6(2X1耦合器)、光纖滑環(huán)8、掃頻光源9、光環(huán)形器10、光頻域解調(diào)系統(tǒng)11、計算機12、對稱貼在螺旋傘齒1中單個齒兩側(cè)的齒根1.1上的第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3，其中，所述光耦合器6固定在螺旋傘齒1上，光纖滑環(huán)8、掃頻光源9、光環(huán)形器10、光頻域解調(diào)系統(tǒng)11和計算機12設(shè)置在螺旋傘齒1外，掃頻光源9的掃頻光信號輸出端連接光環(huán)形器10的第一光信號接口，所述第一測量光纖光柵2的光通信端連接光耦合器6的前端第一光接口，所述第二測量光纖光柵3的光通信端連接光耦合器6的前端第二光接口，光耦合器6的后端光接口連接光纖滑環(huán)8的旋轉(zhuǎn)接線端，光纖滑環(huán)8的固定接線端連接光環(huán)形器10的第二光信號接口，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11的信號輸入端連接光環(huán)形器10的第三光信號接口，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11的信號輸出端連接計算機12的信號輸入端。
上述技術(shù)方案中，所述掃頻光源9輸出的掃頻激光的頻率為40～60kHZ，優(yōu)選為50kHZ。頻率為40～60kHZ的高速掃頻激光器保證了檢測的實時性，高速掃頻激光器掃描發(fā)出一定波段內(nèi)波長呈周期性線性變化的光。
上述技術(shù)方案中，光耦合器6的后端光接口通過光纖滑環(huán)8實現(xiàn)由動態(tài)旋轉(zhuǎn)至靜態(tài)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變。后端光接口的軸端中心與光纖滑環(huán)8中心保持在同一高度，同時二者之間通過軟皮管相連，以保證光纖滑環(huán)8在高速轉(zhuǎn)動時能夠不受外力。
上述技術(shù)方案中，在螺旋傘齒1中單個齒兩側(cè)的齒根1.1上對稱粘貼第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3可以使靈敏度增加一倍，同時還可以自動實現(xiàn)溫度補償。
上述技術(shù)方案中，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11的波長分辨率為1pm，空間分辨率為1mm，第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3的柵區(qū)長度為20mm，把柵區(qū)平均分為20等份，每一份1mm，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11可得到每一份的波長漂移，進而通過計算機12得到每一份的應變值，實現(xiàn)分布式測量。
上述技術(shù)方案中，所述光耦合器6固定在螺旋傘齒1的齒輪軸7上。
上述技術(shù)方案中，所述第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3的長度與螺旋傘齒1單個齒兩側(cè)的齒根1.1的軸向長度一致。第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3中柵區(qū)長度在20mm以上。
上述技術(shù)方案中，所述第一測量光纖光柵2的光通信端通過第一傳輸光纖4連接光耦合器6的前端第一光接口，所述第二測量光纖光柵3的光通信端通過第二傳輸光纖5連接光耦合器6的前端第二光接口。
上述技術(shù)方案中，所述第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3用于輸出與螺旋傘齒齒根的應力信息相關(guān)的帶有光柵波長信息的調(diào)制信號。
上述技術(shù)方案中，所述光頻域解調(diào)系統(tǒng)11用于將帶有光柵波長信息的調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為光纖光柵波長漂移信號。
上述技術(shù)方案中，所述計算機12用于根據(jù)光纖光柵波長漂移信號處理得到具有高空間分辨率的分布式齒根齒寬方向應力，由齒寬方向應力映射到齒高方向得到螺旋傘齒齒根的分布式應力數(shù)據(jù)。
一種上述裝置的螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測方法，它包括如下步驟：
步驟1：將被測螺旋傘齒1置于靜止狀態(tài)；
步驟2：掃頻光源9輸出端的掃頻光信號，掃頻光信號經(jīng)過光環(huán)形器10、光纖滑環(huán)8和光耦合器6進入第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3；
步驟3：掃頻光信號在第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3內(nèi)均進行布拉格反射，第一測量光纖光柵2反饋的第一反射譜信號輸入到光耦合器6的前端第一光接口，第二測量光纖光柵3反饋的第二反射譜信號輸入到光耦合器6的前端第二光接口；
步驟4：光耦合器6將第一反射譜信號和第二反射譜信號按時域進行疊加，輸出兩反射譜的疊加信號，兩反射譜的疊加信號依此通過光纖滑環(huán)8和光環(huán)形器10進入光頻域解調(diào)系統(tǒng)11，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11將兩反射譜的疊加信號轉(zhuǎn)換為光纖光柵波長漂移信號；
步驟5：光頻域解調(diào)系統(tǒng)11將光纖光柵波長漂移信號輸送給計算機12，計算機12根據(jù)光纖光柵波長漂移信號進行分段(每1mm柵區(qū)為一段)解調(diào)處理，得到第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3上各解調(diào)分段的波長；計算機12對得到的各解調(diào)分段的波長進行解耦，消除溫度對檢測結(jié)果的影響，得到上述第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3上各分段解調(diào)段的初始波長λi；該初始波長λi為被測螺旋傘齒1靜止時各分段解調(diào)段的波長；
步驟6：在被測螺旋傘齒1轉(zhuǎn)動時，依據(jù)步驟2～5的方法得到被測螺旋傘齒1運動時第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3上各分段解調(diào)段的波長，并求出被測螺旋傘齒1靜止與運動狀態(tài)的各分段解調(diào)段波長差Δλ，該分段解調(diào)段波長差Δλ只受到應變影響；
步驟7：計算機12根據(jù)如下公式1計算第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3各分段解調(diào)段所受應變εi；
Δλ＝(1-P)λiεi (1)
其中，P是測量光纖光柵的有效光彈系數(shù)，εi為第一測量光纖光柵2和第二測量光纖光柵3各分段解調(diào)段所受應變，即被測螺旋傘齒1單個齒的齒根1.1上每1mm段沿齒寬方向所受應變；
然后根據(jù)如下公式2將每1mm段齒根沿齒寬方向所受應變映射到對應段齒高方向彎曲應力，即計算被測螺旋傘齒1齒根齒高方向的分布式實時彎曲應力σx，以準確實現(xiàn)每段分段齒根軸向長度方向應力向齒高彎曲應力的轉(zhuǎn)換，即完成螺旋傘齒齒根彎曲應力分布式在線監(jiān)測；
其中，E為被測螺旋傘齒1的材料彈性模量，α為與被測螺旋傘齒1材料有關(guān)的常量，見參考文獻(李晗,譚躍剛,蔣熙馨,等.基于光纖光柵的直齒圓柱齒輪應力修正系數(shù)優(yōu)化[J].機械工程師,2015(10):142-146.)，其值介于0和1之間，b為被測螺旋傘齒1的齒寬，εi為被測螺旋傘齒1單個齒的齒根1.1上每1mm段沿齒寬方向所受應變。
上述技術(shù)方案中，每個分段解調(diào)段的長度相等，且每個分段解調(diào)段的長度均為1mm。該分段長度帶來了較好的空間分辨率。
上述技術(shù)方案中，由于螺旋傘齒齒根是彎曲的，其各處彎曲應力方向是不同的，普通光纖光柵柵區(qū)長約1cm，傳統(tǒng)的光纖光柵測量齒輪齒根彎曲應力的方法只能測量出齒輪齒根在所貼光柵處(即1cm處)的彎曲應力的積分，這樣并不能準確獲得其彎曲應力。本發(fā)明中將其分段等效成多段直齒，分段后可認為每段齒根上受力是均勻的。光纖光柵是沿著彎曲的齒根粘貼的，光頻域解調(diào)系統(tǒng)11對超長光纖光柵進行分段(每1mm為一段)處理，相當于將彎曲齒根分成了多段直齒根，每段齒根長度僅為1mm。然而沿齒寬粘貼光柵只能測各點齒寬方向上的應變，那么尋找螺旋傘齒彎曲齒根分成的多段齒根齒寬方向上的應變與對應的齒根彎曲應力之間的相互關(guān)系就成為檢測螺旋傘齒齒根彎曲應力的核心問題。因此本發(fā)明采用公式2的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，公式2的具體推導過程為：
假設(shè)彎曲齒根分段后的單段齒根齒寬方向的應力為σy，被測螺旋傘齒1齒根齒高方向的分布式實時彎曲應力為σx，則根據(jù)彈性力學相關(guān)知識，二者的比值σy/σx和螺旋傘齒的軸向長度是有關(guān)系的，當齒寬趨于0時，其比值也區(qū)域0，當齒寬趨于無窮時，其比值將趨于螺旋傘齒材料的泊松比，σy/σx服從指數(shù)分布：
式中：b為被測螺旋傘齒1的齒寬，α是與螺旋傘齒材料有關(guān)的常量，其值介于0和1之間。
根據(jù)彈性力學的物理方程：
式中：εi為被測螺旋傘齒1單個齒的齒根1.1上每1mm段沿齒寬方向所受應變，E為被測物材料的彈性模量，σx、σy、σz分別為1mm段齒根三個方向的正應力，μ為材料的泊松比。當螺旋傘齒承受彎矩時，沿著z方向的正應力為0，即σz＝0，可得
即通過上式可以準確實現(xiàn)每1mm段齒根齒寬方向應力向齒高彎曲應力的轉(zhuǎn)換。
本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。