行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，其特征在于，包括下述步驟：首先將光纖光柵探頭安裝在行星輪系固定中心齒輪齒根圓角處，并使其處于安全區(qū)域，即兩齒輪嚙合的間隙處，光纖光柵探頭與齒輪軸線的夾角為θ，其一端位于齒根處，另一端不超過安全區(qū)域，O為測點；其次利用光纖光柵測量系統(tǒng)，測量齒輪未受載時，光柵的布拉格波長λB，測量齒輪變形后光纖光柵的布拉格波長λ′B，根據(jù)應力傳感模型可得測點的光纖光柵的軸向應變及沿齒輪徑向的應變：最后利用材料力學的基本公式σy＝Eεy計算測點沿齒輪徑向的應力σy。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機械轉動裝置的動態(tài)測試與故障診斷技術，具體涉及一種行星輪系固 定中心齒輪傳動性能的測量方法。 行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法
【背景技術】
[0002] 齒輪一般是按照額定載荷設計的，但實際上，由于制造誤差、輪齒和軸等零件的彈 性變形、振動等原因，使齒輪齒根產(chǎn)生很大附加動應力，這種動態(tài)彎曲應力峰值如果超過了 輪齒的疲勞極限，就會使齒根產(chǎn)生疲勞裂痕，隨著疲勞裂紋的不斷擴展，最終造成輪齒折 斷，這是齒輪損壞的主要形式之一。此外，這種動應力還會產(chǎn)生有害的振動和噪音，影響傳 動精度，降低工作效率。為了分析齒輪的強度特性，國內外學者提出了多種力學模型和理論 分析方法，但其分析模型都是在一些假設和簡化的基礎上建立的，雖有一定的指導作用，但 并不十分準確。為了彌補理論分析的缺陷，更有效地對齒輪傳動系統(tǒng)進行狀態(tài)診斷和預測， 在傳動過程中對齒輪齒根應力應變進行動態(tài)測量，具有重要意義。由于行星輪系使用材料 優(yōu)質、結構復雜、制造和安裝都比較困難，在傳動過程中對其受力和變形情況進行監(jiān)測顯得 尤為重要。
[0003] 行星輪系作為傳動系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，被廣泛應用于各類機械中，對行星輪系的 固定中心齒輪齒根應力應變進行在線測量，有利于盡早地準確捕捉、檢測、識別出傳動系統(tǒng) 中關鍵部件的異常運行狀態(tài)或潛在的早期故障行為（早期損傷），估計傳動系統(tǒng)的狀態(tài)演 化趨勢和剩余使用壽命。這實際上是對裝備進行故障預測，它是裝備健康管理的首要環(huán)節(jié) 和重要內涵，通過預測可有效降低裝備使用與保障費用、提高裝備系統(tǒng)安全性、戰(zhàn)備完好性 和任務成功性，實現(xiàn)基于狀態(tài)的維修和自主式保障，有利于行星齒輪集成診斷系統(tǒng)向測試、 監(jiān)控、診斷、預測和維修管理一體化方向發(fā)展。
[0004] 目前，行星輪系傳動應力的測量方法主要有兩類：光彈性法和電測法。光彈性法 利用的是光彈性材料在載荷作用下產(chǎn)生的瞬態(tài)雙折射效應，測量時，一般將光彈性材料在 結構件表面直接采用光貼片處理后，將被測對象置于偏振光場中，施加一定的載荷，模型上 便產(chǎn)生干涉條紋，稱為應力光圖，通過分析和計算應力光圖便能得到其應力的變化規(guī)律。電 測法一般在齒輪齒根粘貼應變片，組成橋路，然后將電橋接入動態(tài)應變儀，動態(tài)測試齒根應 力，彎曲疲勞等。相比于光彈性法復雜的制作、安裝工藝和光學系統(tǒng)，較長的測量周期，電測 法更加簡單，技術更加成熟，所以目前在齒輪齒根應力的測量領域應用更廣泛。但當利用電 測法進行多點測量時，采用的線束較多、安裝復雜，且需要采取特殊的措施增強系統(tǒng)的抗電 磁干擾能力，所以，現(xiàn)場應用并不十分方便。因此，找到一種結構簡單，抗電磁干擾，適于多 點測量和現(xiàn)場應用的行星輪系傳動應力測量方法具有重要意義。
【發(fā)明內容】
[0005] 針對現(xiàn)有測量方法的缺陷與不足，本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、抗電磁干 擾、適于多點測量的行星輪系固定中心齒輪傳動性能的動態(tài)測量方法。
[0006] 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0007] -種行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，其特征在于，包括下述步 驟：
[0008] (1)將光纖光柵探頭安裝在行星輪系固定中心齒輪齒根圓角處，并使其處于安全 區(qū)域，即兩齒輪嚙合的間隙處，光纖光柵探頭與齒輪軸線的夾角為Θ，其一端位于齒根處， 另一端不超過安全區(qū)域，〇為測點；
[0009] (2)利用光纖光柵測量系統(tǒng)，測量齒輪未受載時，光柵的布拉格波長λ B，測量齒輪 變形后光纖光柵的布拉格波長R，根據(jù)應力傳感模型可得：
【權利要求】
1. 一種行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，其特征在于，包括下述步 驟： (1) 將光纖光柵探頭安裝在行星輪系固定中心齒輪齒根圓角處，并使其處于安全區(qū)域， 即兩齒輪哨合的間隙處，光纖光柵探頭與齒輪軸線的夾角為Θ，其一端位于齒根處，另一端 不超過安全區(qū)域，0為測點； (2) 利用光纖光柵測量系統(tǒng)，測量齒輪未受載時，光柵的布拉格波長λ B，測量齒輪變形 后光纖光柵的布拉格波長B，根據(jù)應力傳感模型可得：
其中，為光柵的有效彈光系數(shù)，選取測點〇鄰域內的一個矩形區(qū)域OAPB，表示未加載 時的狀態(tài)，加載之后該矩形區(qū)域變?yōu)榫匦桅ˇ宝^(qū)域，定義0A方向為齒輪軸向X，0B方向 為齒輪徑向y，則測點的光纖光柵的軸向應變可表不為：
設1M= s，加載后，y方向的應變?yōu)閑y，則由幾何關系及材料力學原理易得lOT = s tan0，/叫qys'tane'/.M u為泊松比，所以光纖光柵的軸向應變可表不為：
(3) 利用材料力學的基本公式〇 y = Ε ε y計算測點沿齒輪徑向的應力〇 y ;其中；Ε為 齒輪材料的彈性模量。
2. 如權利要求1所述的行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，其特征在 于，所述光纖光柵探頭的一端粘貼在齒根HG與輪齒徑向邊界HE的交點Η處，另一端粘貼在 安全區(qū)域上邊界IJ與輪齒徑向邊界FG的交點JC處，使光纖光柵探頭與齒輪軸線的夾角Θ 達到最大值，能夠獲得光纖光柵最大的軸向變形。
3. 如權利要求2所述的行星輪系固定中心齒輪齒根應力應變的測量方法，其特征在 于，在光纖光柵探頭上，布置多段纖芯有效折射率n rff相同的光柵，選取不同的光柵柵距， 分別記為Λ Λ2, Λ 3，...，則根據(jù)布拉格波長的表達式λ b = 2neff Λ可知，未受載時各 段光柵的布拉格波長λΒ1，λΒ2, λΒ3, ...不同，通過測量多段光柵受載后的布拉格波長 λ' Β1，λ' Β2，λ' Β3，···，獲得多測點沿齒輪徑向的應力〇^，1 = 1，2,3，?選取〇^中
【文檔編號】G01D21/02GK104101380SQ201410312708
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】張小棟, 牛杭, 張琦, 謝思瑩 申請人:西安交通大學
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