[发明专利]基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法，该装置包括信号探测单元和信号处理单元；信号探测单元包括设置在齿轮侧面的测量光栅和传输光纤，传输光纤紧密粘贴在齿轮的侧面靠近齿顶的位置，测量光栅设置在两个相邻的轮齿间的传输光纤上；信号处理单元包括光纤滑环、光纤光栅解调仪和计算机，传输光纤通过光纤滑环后与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪通过传输网线与计算机相连。测量光栅实时采集齿轮的信号，通过光纤光栅解调仪处理之后转换为齿根弯曲应力，并将处理结果传输到计算机进行实时显示。本发明能够实现各种工况下的齿轮传动弯曲应力监测，具有结构简单，操作方便，测量准确，易于实现的优点。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感和机械工况监测交叉领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法。

背景技术

齿轮的设计一般都是按照预先给定的额定载荷来进行，但是由于在加工中产生的加工误差和使用过程中产生的安装误差等，会导致齿轮在实际传动过程中发生震动和变形，这不仅会带来噪音和震动，还会降低齿轮传动的准确性和工作效率。同时还让轮齿承受一定的额外动应力，导致齿根弯曲应力增大，如果齿根处的弯曲应力超过了其疲劳极限，就容易发生断齿，断齿是齿轮传动中常见的失效形式之一，可能导致的后果是损坏机械设备甚至会威胁到人身安全。

近些年来，为了对齿轮的强度进行分析，国内外许多学者提出了多种方法，归纳起来主要有：理论推导型，三维仿真型，应变片测量型三种方法。理论推导和三维仿真主要是建立在一些假设和简化的基础上，不能把实际工况代入计算中去，尽管能够起到指导实践的作用，但是也必定带来很大的误差；应变片测量的方法虽然能够代入工况进行实际测量，但是由于应变片的组桥方式较为复杂，且齿根处的粘贴空间较为狭小，长时间的运载还会导致应变片的破损甚至脱落，故应变片测量一般只用来进行其他方法的校核，且仅为静态校核，在高速连续的工况下不能使用应变片进行测量。那么如何能够在齿轮传动过程中对其进行实时的动态监测，而又不影响齿轮的正常工况，就成为摆在众多学者面前的一道难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中测量齿轮应变力度的方法误差大，且容易影响齿轮工作的缺陷，提供一种结构简单、易于实现的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，包括信号探测单元和信号处理单元；

所述信号探测单元包括设置在齿轮侧面的测量光栅和传输光纤，传输光纤紧密粘贴在齿轮的侧面靠近齿顶的位置，测量光栅设置在两个相邻的轮齿间的传输光纤上；

所述信号处理单元包括光纤滑环、光纤光栅解调仪和计算机，传输光纤通过光纤滑环后与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪通过传输网线与计算机相连；

测量光栅实时采集齿轮的信号，通过光纤光栅解调仪处理之后转换为齿根弯曲应力，并将处理结果传输到计算机进行实时显示。

进一步地，本发明的所述齿轮还包括设置有光纤槽的输出轴，传输光纤通过光纤槽输出到轴端。

进一步地，本发明的所述光纤光栅解调仪为高速光纤光栅解调仪。

进一步地，本发明的所述测量光栅的长度小于齿间距，水平设置在两个相邻轮齿的中间位置。

进一步地，本发明的所述传输光纤通过胶水粘贴在齿轮上，且粘贴位置处的传输光纤的涂覆层被剥除掉。

本发明提供一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测方法，包括以下步骤：

S1、在齿轮侧面的齿顶处粘贴传输光纤，在两个相邻轮齿的中间位置设置测量光栅，传输光纤通过光纤滑环后与光纤光栅解调仪连接；