本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术的所述光纤光栅解调仪为高速光纤光栅解调仪。进一步地，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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；S2、获取传输光纤传输来的齿轮数据，并对其进行解调和处理，得到齿根弯曲应力；进一步地，本专利技术的步骤S2中进行数据处理的方法具体为：通过解调得到光栅发射波长发生的漂移与光栅受到拉伸和压缩的周期性关系，处理得到检测齿轮的挠度，将轮齿视为悬臂梁，根据轮齿上确定位置的挠度与轮齿所受切向力呈现的线性关系，得到挠度与齿根弯曲应力的线性关系。进一步地，本专利技术的步骤S2中齿根弯曲应力计算公式为： σ F = KF t Y F a Y S a b m ]]>其中，K为计算载荷系数，YSa为应力校正系数，YFa齿形系数，Ft为圆周力，b为齿宽，m为齿轮模数。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，通过将齿根弯曲应力的测量转化为轮齿挠度的测量，不仅使得测量更加方便，同时采用光纤光栅进行测量还克服了应变片不能测量挠度的技术难题；光纤光栅均位于轮齿侧面，不影响齿轮的正常传动，能够有效地将实际工况代入测量中，保证结果的准确性和可靠性，由于信号的输出采用了光纤滑环和高速光纤光栅解调仪，所以该专利技术适用于高速工况下的齿轮传动；该方法去除温度因素带来的干扰，因而无需进行温度补偿装置，大大简化了信号探测部分的结构；通过调节光栅粘贴位置距离齿根的高度，可以得到不同灵敏度的监测，通过串联多个光栅可以实现对齿轮周上每个齿的测量。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置的测量光栅探测部分的局部放大图；图3是本专利技术实施例的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测方法的流程图；图4是本专利技术实施例的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测方法的悬臂梁受力分析图；图5是本专利技术实施例的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测方法的轮齿变形示意图；图中，1-齿轮，2-测量光栅，3-传输光纤，4-光纤槽，5-输出轴，6-光纤滑环，7-高速光纤光栅解调仪，8-传输网线，9-计算机，10-粘贴胶水，11-第一轮齿，12-第二轮齿。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的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；信号探测单元包括设置在齿轮1侧面的测量光栅2和传输光纤3，传输光纤3紧密粘贴在齿轮1的侧面靠近齿顶的位置，测量光栅2设置在两个相邻的轮齿间的传输光纤3上；信号处理单元包括光纤滑环6、光纤光栅解调仪7和计算机9，传输光纤3通过光纤滑环6后与光纤光栅解调仪7相连，光纤光栅解调仪7通过传输网线8与计算机9相连；测量光栅2实时采集本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，其特征在于，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(1)侧面的测量光栅(2)和传输光纤(3)，传输光纤(3)紧密粘贴在齿轮(1)的侧面靠近齿顶的位置，测量光栅(2)设置在两个相邻的轮齿间的传输光纤(3)上；所述信号处理单元包括光纤滑环(6)、光纤光栅解调仪(7)和计算机(9)，传输光纤(3)通过光纤滑环(6)后与光纤光栅解调仪(7)相连，光纤光栅解调仪(7)通过传输网线(8)与计算机(9)相连；测量光栅(2)实时采集齿轮(1)的信号，通过光纤光栅解调仪(7)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(9)进行实时显示。
【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，其特征在于，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(1)侧面的测量光栅(2)和传输光纤(3)，传输光纤(3)紧密粘贴在齿轮(1)的侧面靠近齿顶的位置，测量光栅(2)设置在两个相邻的轮齿间的传输光纤(3)上；
所述信号处理单元包括光纤滑环(6)、光纤光栅解调仪(7)和计算机(9)，传输光纤(3)通过光纤滑环(6)后与光纤光栅解调仪(7)相连，光纤光栅解调仪(7)通过传输网线(8)与计算机(9)相连；
测量光栅(2)实时采集齿轮(1)的信号，通过光纤光栅解调仪(7)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(9)进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，其特征在于，所述齿轮(1)还包括设置有光纤槽(4)的输出轴(5)，传输光纤(3)通过光纤槽(4)输出到轴端。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，其特征在于，所述光纤光栅解调仪(7)为高速光纤光栅解调仪。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的新型齿根弯曲应力在线监测装置，其特征在于，所述测量光栅(2)的长度小于齿间距，水平设...
【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，王洪海，李洋洋，徐刚，汪金铭，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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