用于螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测方法及监测装置

本发明涉及螺旋伞齿轮感应加热，特别涉及一种用于螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测方法及监测装置。

背景技术：

1、螺旋伞齿轮被广泛应用于各种机械加工设备、航空航天和飞机制造等领域，因此对螺旋伞齿轮的生产加工及热处理工艺提出了更高的要求，尤其在热处理过程中，获取均匀的温度场是提升螺旋伞齿轮轮齿硬度的关键。

2、感应加热工艺在螺旋伞齿轮的热处理过程中具有优异的加热效果。螺旋伞齿轮经热处理工艺后，一般要求轮齿部分具有较高的硬度、芯部具有良好的抗冲击韧性，反映在加热温度上的表现为轮齿部分具有较高的加热温度、芯部具有一定占比的低温区，而感应加热可以达到在短时间内局部加热轮齿的效果，因此，感应加热工艺被逐渐应用在螺旋伞齿轮的加热过程中。

3、利用感应加热系统对螺旋伞齿轮进行加热，主要在于螺旋伞齿轮轮齿部分获得较高的硬度、芯部获取良好的抗冲击韧性，这就需要螺旋伞齿轮在感应加热过程中具有较好的加热稳定性，然而现有的感应加热系统并不能达到上述要求，并且在使用过程中具有许多不可忽视的问题，例如：现有的螺旋伞齿轮感应加热系统，未考虑轮齿加热时对螺旋伞齿轮芯部韧性的影响，导致芯部韧性下降，抗冲击性能减弱；现有的螺旋伞齿轮感应加热系统，缺少对螺旋伞齿轮加热工艺稳定性的评判依据，无法依据实际加热效果实时调整；现有的螺旋伞齿轮感应加热系统，在调整和优化感应加热工艺时，缺乏实际加热过程中输出的加热数据作为工艺调整依据。

4、因此，为解决上述问题急需一种用于螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测方法及监测装置。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测方法及监测装置，通过采用固定红外相机和红外温度传感器来分别测量螺旋伞齿轮的芯部温度云图和同一截面轮齿的加热温度，并根据实际设定的安全占比区间和加热温度，分别调整感应电源功率和冷却液循环速度，使得芯部高温区控制在允许范围内、轮齿部分加热温度更加均匀，进而使得螺旋伞齿轮具有良好的抗冲击韧性、轮齿具有较高的硬度；采用红外温度传感器测量轮齿区域的加热温度，通过计算测量温度的方差来评估轮齿表面温度的均匀性，并利用蒙特卡罗法对工艺的可靠性进行分析，进而评估工艺的稳定性，同时基于移动红外相机获取的温度云图，建立了螺旋伞齿轮轮齿表面的三维温度云图，并根据温度区域占比来评估齿轮整体加热的稳定性；并将监测方法计算的加热温度的方差数据和平均值以及建立的三维温度云图，输出至技术文件，从而为螺旋伞齿轮感应加热系统中工艺参数优化和系统稳定性提供评判依据。

2、本发明提供了一种用于螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测方法，其具体实施步骤为：

3、s1、对螺旋伞齿轮进行感应加热：

4、s11、利用传送带将螺旋伞齿轮运送到感应加热区域，并启动加压泵，使位于冷却水箱内的冷却液通过进水管和出水管在冷却水套内循环；

5、s12、利用感应加热电源向感应加热线圈供电，并调控升降马达、升降平台组件中横向电机和齿轮支撑组件中转动电机，使感应加热线圈以行进速度v沿螺旋伞齿轮的轮齿方向扫过螺旋伞齿轮；

6、s13、在感应加热过程中，利用移动红外相机获得每个时间步下加热部分的温度云图，利用红外温度传感器获取螺旋伞齿轮中不同轮齿在同一水平截面的加热温度t(a，b，c)，其中a表示某一时间步、b表示组别、c表示该组别内具体的红外温度传感器，利用固定红外相机获得螺旋伞齿轮正上方的温度云图x；

7、s2、对螺旋伞齿轮的加热温度进行监测：

8、设定加热温度区间(tmin，tmax)，并计算在第a时间步、b组别下，测得螺旋伞齿轮的轮齿的加热温度t(a，b，1)、…、t(a，b，n)的平均温度若平均温度时，则增大该组别对应感应加热电源的电源功率p，若平均温度时，则减少该组别对应感应加热电源的电源功率p；

9、s3、对螺旋伞齿轮的芯部温度进行监测：

10、设定螺旋伞齿轮的芯部的安全占比区间(q1，q2)，并计算固定红外相机获得的螺旋伞齿轮的温度云图x的高温区占比q，若q<q1时，则降低加压泵的压力，从而减少冷却液循环速度，若q>q2时，则增大加压泵的压力，从而增大冷却液循环速度；

11、s4、对螺旋伞齿轮沿轮齿方向的加热稳定性进行监测：

12、计算在b组第c个红外温度传感器下，测得螺旋伞齿轮在所有时间步的加热温度t(1，b，c)、…、t(n，b，c)的方差s(b，c)，若方差s(b，c)和仿真结果相同时，则进行可靠度计算和敏感度分析，若方差s(b，c)和仿真结果有误差时，则根据误差调整仿真结果的温度数据，并进行可靠度计算及敏感度的分析；

13、所述可靠度计算根据螺旋伞齿轮在轮齿方向的加热温度方差的响应面函数获得，所述响应面函数的表达式如下：

14、

15、式中，c0、ci和cij(i＝1,2,...,nr；j＝i,..,nr)分别为待定系数；xi、xj和xij均为随机参数向量中的样本点；

16、所述敏感度分析利用蒙特卡罗方法和统计显著性检验获得，所述统计显著性检验中的极限状态函数g(x)的表达式如下：

17、

18、式中，s0是许用温度均匀度；

19、s5、对螺旋伞齿轮的加热稳定性进行监测：

20、利用移动红外相机获取的温度云图和螺旋伞齿轮的三维模型得到螺旋伞齿轮轮齿表面的三维温度云图，并计算三维温度云图在步骤s2设定的加热温度区间(tmin，tmax)区域的占比，来判断螺旋伞齿轮的加热稳定性。

21、可优选的是，所述移动红外相机、所述红外温度传感器和所述感应加热线圈的行进速度相同。

22、可优选的是，在步骤s2中，所述感应加热电源的电源功率p的调整量与正相关。

23、可优选的是，在步骤s13中，所述时间步是基于感应加热线圈的行进速度v确定的；在步骤s3中，所述安全占比区间(q1，q2)的取值根据螺旋伞齿轮所需的最小韧性确定。

24、可优选的是，在步骤s5中，当移动红外相机在不同时间步获取的温度云图有重复区域时，重复区域保留移动红外相机获得的温度云图的最高温度。

25、可优选的是，在步骤s4中，所述螺旋伞齿轮的方差的影响因素，其包括感应加热电源的电源功率p、感应加热线圈的移动速度v、感应加热线圈和螺旋伞齿轮轮齿的间距h。

26、本发明的另外一方面，提供一种用于监测螺旋伞齿轮感应加热系统稳定性的监测装置，其包括传送带、支架、升降马达、升降平台组件、感应加热电源、感应加热线圈、温度监测组件、齿轮支撑组件和固定红外相机。所述支架位于所述传送带的中部，所述支架的第一安装端和所述升降马达的固定端连接，所述升降马达的伸缩端和所述升降平台组件中升降底板的第一端连接，所述升降平台组件中横向丝杠的活动端和所述感应加热电源的第一端连接，所述感应加热电源的第二端和所述感应加热线圈连接，所述温度检测组件中机械臂的第一端和所述固定红外相机的固定端分别与所述支架的第二安装端和第三安装端连接，所述齿轮支撑组件中支撑底板的底端和所述传送带的传送端连接。所述升降平台组件，其包括升降底板、横向电机和横向丝杠，所述升降底板的第二端和所述横向电机的固定端连接，所述横向电机的输出端和所述横向丝杠的固定端连接；所述温度监测组件，其包括机械臂、移动红外相机和红外温度传感器，所述机械臂的第二端和所述移动红外相机的第一端连接，所述移动红外相机的第二端和所述红外温度传感器连接；所述齿轮支撑组件，其包括支撑底板、转动电机、冷却水箱、加压泵、进水管、齿轮支撑底座、冷却水套和出水管，所述支撑底板的顶端和所述转动电机的固定端连接，所述转动电机的输出端和所述冷却水箱的固定端连接，所述冷却水箱的输出端通过加压泵和所述进水管的第一端连接，所述进水管的第二端和所述齿轮支撑底座的第一端连接，所述齿轮支撑底座的第二端和所述冷却水套的第一端连接，所述冷却水套的第二端设有出水管，所述冷却水套的第三端和所述螺旋伞齿轮连接。

27、可优选的是，所述升降马达、所述升降平台组件、所述感应加热电源、所述感应加热线圈和所述温度监测组件的数量相等，所述升降马达、所述升降平台组件和所述温度监测组件沿着所述齿轮支撑组件的圆周方向均匀分布。

28、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

29、1.本发明装置采用固定红外相机和红外温度传感器，分别测量螺旋伞齿轮的芯部温度云图和同一截面轮齿的加热温度，并根据实际设定的安全占比区间和加热温度，分别调整感应电源功率和冷却液循环速度，使得芯部高温区控制在允许范围内、轮齿部分加热温度更加均匀，进而使得螺旋伞齿轮具有良好的抗冲击韧性、轮齿具有较高的硬度。

30、本发明采用红外温度传感器测量轮齿区域的加热温度，通过计算测量加热温度的方差来评估螺旋伞齿轮轮齿表面温度的均匀性，并利用蒙特卡罗法对工艺的可靠性进行分析，进而评估工艺的稳定性，同时基于移动红外相机获取的温度云图，建立了螺旋伞齿轮轮齿表面的三维温度云图，并根据温度区域占比来评估螺旋伞齿轮齿轮整体加热的稳定性；本发明将计算的方差数据和平均值，以及建立的三维温度云图，输出至技术文件，为螺旋伞齿轮感应加热系统中工艺参数优化和系统稳定性评判提供了依据。

31、3.本发明方法将计算的方差数据和工艺可靠度，以及建立的三维温度云图，输出至技术文件，为螺旋伞齿轮感应加热系统中工艺参数优化和系统稳定性评判提供了依据。