[发明专利]螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置及方法

摘要

本发明涉及一种螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置，它包括对称贴在螺旋伞齿中单个齿两侧的齿根上的第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅，扫频光源的扫频光信号输出端连接光环形器的第一光信号接口，所述第一测量光纤光栅的光通信端连接光耦合器的前端第一光接口，所述第二测量光纤光栅的光通信端连接光耦合器的前端第二光接口，光耦合器的后端光接口连接光纤滑环的旋转接线端，光纤滑环的固定接线端连接光环形器的第二光信号接口，光频域解调系统的信号输入端连接光环形器的第三光信号接口，光频域解调系统的信号输出端连接计算机的信号输入端。本发明能够实现各种工况下的螺旋伞齿传动齿根弯曲应力分布监测。

主权项

1.一种利用螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置的螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测方法，螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置包括光耦合器(6)、光纤滑环(8)、扫频光源(9)、光环形器(10)、光频域解调系统(11)、计算机(12)、对称贴在螺旋伞齿(1)中单个齿两侧的齿根(1.1)上的第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)，其中，所述光耦合器(6)固定在螺旋伞齿(1)上，光纤滑环(8)、扫频光源(9)、光环形器(10)、光频域解调系统(11)和计算机(12)设置在螺旋伞齿(1)外，扫频光源(9)的扫频光信号输出端连接光环形器(10)的第一光信号接口，所述第一测量光纤光栅(2)的光通信端连接光耦合器(6)的前端第一光接口，所述第二测量光纤光栅(3)的光通信端连接光耦合器(6)的前端第二光接口，光耦合器(6)的后端光接口连接光纤滑环(8)的旋转接线端，光纤滑环(8)的固定接线端连接光环形器(10)的第二光信号接口，光频域解调系统(11)的信号输入端连接光环形器(10)的第三光信号接口，光频域解调系统(11)的信号输出端连接计算机(12)的信号输入端；其特征在于，螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测方法，包括如下步骤：步骤1：将被测螺旋伞齿(1)置于静止状态；步骤2：扫频光源(9)输出端的扫频光信号，扫频光信号经过光环形器(10)、光纤滑环(8)和光耦合器(6)进入第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)；步骤3：扫频光信号在第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)内均进行布拉格反射，第一测量光纤光栅(2)反馈的第一反射谱信号输入到光耦合器(6)的前端第一光接口，第二测量光纤光栅(3)反馈的第二反射谱信号输入到光耦合器(6)的前端第二光接口；步骤4：光耦合器(6)将第一反射谱信号和第二反射谱信号按时域进行叠加，输出两反射谱的叠加信号，两反射谱的叠加信号依此通过光纤滑环(8)和光环形器(10)进入光频域解调系统(11)，光频域解调系统(11)将两反射谱的叠加信号转换为光纤光栅波长漂移信号；步骤5：光频域解调系统(11)将光纤光栅波长漂移信号输送给计算机(12)，计算机(12)根据光纤光栅波长漂移信号进行分段解调处理，得到第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)上各解调分段的波长；计算机(12)对得到的各解调分段的波长进行解耦，消除温度对检测结果的影响，得到上述第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)上各分段解调段的初始波长λi；该初始波长λi为被测螺旋伞齿(1)静止时各分段解调段的波长；步骤6：在被测螺旋伞齿(1)转动时，依据步骤2～5的方法得到被测螺旋伞齿(1)运动时第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)上各分段解调段的波长，并求出被测螺旋伞齿(1)静止与运动状态的各分段解调段波长差Δλ，该分段解调段波长差Δλ只受到应变影响；步骤7：计算机(12)根据如下公式1计算第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)各分段解调段所受应变εi；Δλ＝(1‑P)λiεi                     (1)其中，P是测量光纤光栅的有效光弹系数，εi为第一测量光纤光栅(2)和第二测量光纤光栅(3)各分段解调段所受应变，即被测螺旋伞齿(1)单个齿的齿根(1.1)上沿齿宽方向所受应变；然后根据如下公式2计算被测螺旋伞齿(1)齿根齿高方向的分布式实时弯曲应力σx，以准确实现每段分段齿根轴向长度方向应力向齿高弯曲应力的转换，即完成螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测；其中，E为被测螺旋伞齿(1)的材料弹性模量，α为与被测螺旋伞齿(1)材料有关的常量，其值介于0和1之间，b为被测螺旋伞齿(1)的齿宽，εi为被测螺旋伞齿(1)单个齿的齿根(1.1)上沿齿宽方向所受应变。