行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：首先将光纤光栅探头安装在行星轮系固定中心齿轮齿根圆角处，并使其处于安全区域，即两齿轮啮合的间隙处，光纤光栅探头与齿轮轴线的夹角为θ，其一端位于齿根处，另一端不超过安全区域，O为测点；其次利用光纤光栅测量系统，测量齿轮未受载时，光栅的布拉格波长λB，测量齿轮变形后光纤光栅的布拉格波长λ′B，根据应力传感模型可得测点的光纤光栅的轴向应变及沿齿轮径向的应变：最后利用材料力学的基本公式σy＝Eεy计算测点沿齿轮径向的应力σy。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械转动装置的动态测试与故障诊断技术，具体涉及一种行星轮系固 定中心齿轮传动性能的测量方法。 行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法
【背景技术】
[0002] 齿轮一般是按照额定载荷设计的，但实际上，由于制造误差、轮齿和轴等零件的弹 性变形、振动等原因，使齿轮齿根产生很大附加动应力，这种动态弯曲应力峰值如果超过了 轮齿的疲劳极限，就会使齿根产生疲劳裂痕，随着疲劳裂纹的不断扩展，最终造成轮齿折 断，这是齿轮损坏的主要形式之一。此外，这种动应力还会产生有害的振动和噪音，影响传 动精度，降低工作效率。为了分析齿轮的强度特性，国内外学者提出了多种力学模型和理论 分析方法，但其分析模型都是在一些假设和简化的基础上建立的，虽有一定的指导作用，但 并不十分准确。为了弥补理论分析的缺陷，更有效地对齿轮传动系统进行状态诊断和预测， 在传动过程中对齿轮齿根应力应变进行动态测量，具有重要意义。由于行星轮系使用材料 优质、结构复杂、制造和安装都比较困难，在传动过程中对其受力和变形情况进行监测显得 尤为重要。
[0003] 行星轮系作为传动系统中的关键环节，被广泛应用于各类机械中，对行星轮系的 固定中心齿轮齿根应力应变进行在线测量，有利于尽早地准确捕捉、检测、识别出传动系统 中关键部件的异常运行状态或潜在的早期故障行为（早期损伤），估计传动系统的状态演 化趋势和剩余使用寿命。这实际上是对装备进行故障预测，它是装备健康管理的首要环节 和重要内涵，通过预测可有效降低装备使用与保障费用、提高装备系统安全性、战备完好性 和任务成功性，实现基于状态的维修和自主式保障，有利于行星齿轮集成诊断系统向测试、 监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展。
[0004] 目前，行星轮系传动应力的测量方法主要有两类：光弹性法和电测法。光弹性法 利用的是光弹性材料在载荷作用下产生的瞬态双折射效应，测量时，一般将光弹性材料在 结构件表面直接采用光贴片处理后，将被测对象置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上 便产生干涉条纹，称为应力光图，通过分析和计算应力光图便能得到其应力的变化规律。电 测法一般在齿轮齿根粘贴应变片，组成桥路，然后将电桥接入动态应变仪，动态测试齿根应 力，弯曲疲劳等。相比于光弹性法复杂的制作、安装工艺和光学系统，较长的测量周期，电测 法更加简单，技术更加成熟，所以目前在齿轮齿根应力的测量领域应用更广泛。但当利用电 测法进行多点测量时，采用的线束较多、安装复杂，且需要采取特殊的措施增强系统的抗电 磁干扰能力，所以，现场应用并不十分方便。因此，找到一种结构简单，抗电磁干扰，适于多 点测量和现场应用的行星轮系传动应力测量方法具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 针对现有测量方法的缺陷与不足，本发明的目的是提供一种结构简单、抗电磁干 扰、适于多点测量的行星轮系固定中心齿轮传动性能的动态测量方法。
[0006] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
[0007] -种行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法，其特征在于，包括下述步 骤：
[0008] (1)将光纤光栅探头安装在行星轮系固定中心齿轮齿根圆角处，并使其处于安全 区域，即两齿轮啮合的间隙处，光纤光栅探头与齿轮轴线的夹角为Θ，其一端位于齿根处， 另一端不超过安全区域，〇为测点；
[0009] (2)利用光纤光栅测量系统，测量齿轮未受载时，光栅的布拉格波长λ B，测量齿轮 变形后光纤光栅的布拉格波长R，根据应力传感模型可得：
【权利要求】
1. 一种行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法，其特征在于，包括下述步 骤： (1) 将光纤光栅探头安装在行星轮系固定中心齿轮齿根圆角处，并使其处于安全区域， 即两齿轮哨合的间隙处，光纤光栅探头与齿轮轴线的夹角为Θ，其一端位于齿根处，另一端 不超过安全区域，0为测点； (2) 利用光纤光栅测量系统，测量齿轮未受载时，光栅的布拉格波长λ B，测量齿轮变形 后光纤光栅的布拉格波长B，根据应力传感模型可得：
其中，为光栅的有效弹光系数，选取测点〇邻域内的一个矩形区域OAPB，表示未加载 时的状态，加载之后该矩形区域变为矩形ΟΑΡΑ区域，定义0A方向为齿轮轴向X，0B方向 为齿轮径向y，则测点的光纤光栅的轴向应变可表不为：
设1M= s，加载后，y方向的应变为ey，则由几何关系及材料力学原理易得lOT = s tan0，/叫qys'tane'/.M u为泊松比，所以光纤光栅的轴向应变可表不为：
(3) 利用材料力学的基本公式〇 y = Ε ε y计算测点沿齿轮径向的应力〇 y ;其中；Ε为 齿轮材料的弹性模量。
2. 如权利要求1所述的行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法，其特征在 于，所述光纤光栅探头的一端粘贴在齿根HG与轮齿径向边界HE的交点Η处，另一端粘贴在 安全区域上边界IJ与轮齿径向边界FG的交点JC处，使光纤光栅探头与齿轮轴线的夹角Θ 达到最大值，能够获得光纤光栅最大的轴向变形。
3. 如权利要求2所述的行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法，其特征在 于，在光纤光栅探头上，布置多段纤芯有效折射率n rff相同的光栅，选取不同的光栅栅距， 分别记为Λ Λ2, Λ 3，...，则根据布拉格波长的表达式λ b = 2neff Λ可知，未受载时各 段光栅的布拉格波长λΒ1，λΒ2, λΒ3, ...不同，通过测量多段光栅受载后的布拉格波长 λ' Β1，λ' Β2，λ' Β3，···，获得多测点沿齿轮径向的应力〇^，1 = 1，2,3，?选取〇^中
【文档编号】G01D21/02GK104101380SQ201410312708
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】张小栋, 牛杭, 张琦, 谢思莹 申请人:西安交通大学