应用光纤传感器在线监测动车组齿轮箱和万向轴的探讨_魏永久_图

1、文章编号 :1008-7842(2013 01-0092-05应用光纤传感器在线监测动车组齿轮箱和万向轴的探讨魏永久 1, 刘盛春 2(1 沈阳铁路局 科学技术研究所 , 辽宁沈阳 110013;2 黑龙江大学 物理科学与技术学院 , 黑龙江哈尔滨 150080摘 要 针对动车组齿轮箱和万向轴在线健康监测 , 提出了一种利用光纤传感器进行健康数据提取的技术方案 , 并在试验室内进行了模拟试验 , 最后讨论了该方案实时监测动车组万向轴运行情况的可行性 。 关键词 光纤传感器 ; 在线监测 ; 齿轮箱中图分类号 :U 279. 3 文献标志码 :A d o i :10. 3969/j. i s s

2、 n . 1008-7842. 2013. 01. 23 齿轮箱和万向轴是动车组走行部的重要部件 ,它们 的工作状态直接影响动车组运行安全 ,动车组的动力电 机通过万向轴驱动轮的高 速旋 转来实 现 动车 组 在 线 路 上高速行驶 。 为此 , 在动车组 的 日 常 检 修 工 作 中 , 非 常 重视万向轴的检查 ,并需要定 期拆 下进 行 动 平 衡 试 验 , 以确保万向轴处于 良好 地工作 状态 。 多 年 来 开 行 动 车 的实践证明由于动车组的 齿轮 箱和万 向 轴经 常 处 于 高 速旋转状态 , 在运行中万向轴和万向轴驱动齿轮箱存在 偶发故障现象 , 比如振 动异常 、 发

3、 热温度 升 高 等 故 障 现象 1-3。 此种故障在 地 面 检 测 时 不 容 易 发 现 , 因 此 需 要 对万向轴进行实时监测 , 及时发现故障 。但目前对其实现在线监测是一个难题 , 特别是在高 速铁路这样比较 复杂的环 境下 , 由于 受 到 电 磁 干 扰 , 恶 劣环境的影响 , 对其进行安全可靠的监测更为困难 。 而 光纤传感器具有抗电磁干扰 , 能适 应复 杂 的 工 作 条 件 , 可以用来测量比如应力 、 位移 、 压强 、 温度 、 角速度 、 加速度等多种物理 量 4-7, 还 可 以 完 成 许 多 现 有 测 量 技 术 难以完成的测量任务 。 在狭小的空间

4、和恶劣的环境里 , 光纤传感器都显示出了独特的优势 。 因此 , 光纤传感技术 在齿轮箱检测上应该有很好的应用前景 。本文探讨了一种基于光 纤传 感 器 来 实 现 对 运 行 中 万向轴和齿轮箱的工作状态进行实时监测的技术方案 。 通过引入光纤传感器 , 利用其光学传感特性来测量万向 轴 、 齿轮箱外侧的振动和温度信号 。 通过对箱体振动信 号的监测来提取齿轮的振动信号 , 然后实时分析动车组 的动平衡以及齿轮箱 、 万向轴的损伤情况 。 设计了一种 圆环基底的光纤监测模块 , 并在试验室环境下进行振动 试验来验证模块的振动信号拾取有效性 。1 传感器的安装与设计原理为了保证光纤传感器布 置

5、既 能 监 测 万 向 轴 又 能 监 测齿轮箱的故障信息 , 同时避免改变传动系统结构给动 车带来附加隐 患 。 选择两者交界的齿轮 箱 外 侧 末 端 基 盘作为传感 器 的 布 放 位 置 , 如 图 1(b 所 示 。 两 个 半 圆 形传感基底分别固定在齿轮箱末端的圆盘上 , 通过齿轮 箱的八个定位螺丝来固定传感基底 。试验中 , 要真实测量万向轴 、 齿轮箱传递到齿轮箱图 1 圆环形传感基底与齿轮箱外侧安装图魏永久 (1954 男 , 辽宁沈阳人 , 高级工程师 (修回日期 :2012-11-01第 33卷第 1期 2013年 2月 铁 道 机 车 车 辆 R A I L WA Y

6、 L O C OMO T I V E &C A R V o l . 33 N o . 1F e b . 2013外侧的振动信号 , 还要保证动车的正常运行 。 选择了齿 轮箱外侧基盘作 为 感 测 信 号 位 置 , 具 体 部 位 见 图 1(a 所示 , 这个基盘有 8个定 位螺 丝 , 故 设计 了一个能固定 在螺丝之上的传感拖盘 ,然后通过在拖盘定向设置的传 感器进行信号的感测 。 在齿 轮 箱 外 侧最 接近万向轴的 位置粘贴 6个光纤光栅振动传感器 , 通过对这 6个传感 器振动信号的采集和分析来判断车 辆的 动 平衡 状 况 以 及万向轴 、 齿轮箱的损伤情况 。 同时粘贴 2个

7、压电振动 传感器用作对比与校准 。 针对振动测量 ,设计为一个等腰三角形的弹性悬臂 梁型光纤振动传感器 ,如图 2所示 。 三角形梁的底边焊 接在半圆环基底的凹槽内 , 传感光栅贴在三角形梁的中 心线上 。 在三角形梁的顶点处 固 定 一个 圆形的金属块 作为振动传感器的质量块 。 构成质量 惯性系统 , 齿轮 箱的振动将转变为传感光栅上波长的变化 。图 2 弹性悬臂梁型光纤光栅振动传感单元原理图 当以三角形悬臂梁的顶点为坐标原点 ,建立如图 2所示的坐标系 。 设三角形悬臂梁的厚度为 H (z 方向 , 长度为 L (x 方向 , 其宽度 (y 方 向 为 W , 当 有 z 方 向 的振动

8、信号时 , 传感器的基座和质量块之间会产生相对 运动 , 此时悬臂梁的谐振频率公式表示为 :f =2E c a n tW L H 36(m +15c L3(1其中 E c a n t 为悬臂梁材料的杨氏模量 , W L 表示三角形的 底边宽度 (即悬臂梁在长度 L 处的宽度值 , m 和 m c 分 别表示惯性质量和悬臂梁的质量 。 通过式 (1 可 知 , 谐 振频率的平方与梁体质量以及惯性质量成反比 , 与梁体的杨氏模量成正 比 , 与 梁 体 的 几 何 参 数 (W L H 3/L3成正比 。 对 于 给 定 材 料 的 悬 臂 梁 , 调 整 厚 长 比 (H /L 可以改变它的谐振

9、频率 。试验中采用 3G R 13作 为 悬 臂 梁 的 材 料 , 其 E c a n t =2. 05105M P a , 当 一 个 等 腰 三 角 形 悬 臂 梁 上 , 三 角 形 的边长 L =3. 0c m , 底边长 3. 0, 3. 1, 3. 2, 3. 3, 3. 4c m ,悬臂梁的质量 m =m c =10. 0g, 悬臂梁上使用的质量块 的质量在 1. 02. 5g 之间 。 根据式 (1 , 如果底边长为 3. 4c m , 则对应 的谐振频率为 903H z。 通 过 以 上 分 析 可知 ,悬臂梁式光纤光栅振动传感器可以实现频率在 0900H z 的振动信号测

10、量 。 因为齿轮箱的振动频谱一 般都在 800H z 以下 , 所以这个频段也基本满足了万向 轴和齿轮箱故障频率和动平衡检测频率要求 。2 光栅加速度传感器振动测量试验装置传感 探 头 中 使 用 的 布 喇 格 光 栅 的 波 长 分 别 为 1, 2, 3, 4, 5, 6。 带 宽 在 0. 2n m 左 右 , 反 射 率 90%。 装置如图 3所 示 。 采 用 B K 4808振 动 台 作 为 振 动 信 号 发生装置 , 信号发生器产生正 弦信号 , 然后 通 过功率放 大器将正弦信号放大来驱动振动台产生振动信号 。 为 了固定半圆环形传感基底 , 我们做了 一个刚 性支座 ,

11、 然 后将半圆环形传感基底固定在刚性支座上 。 固定孔严 格按照动车齿轮箱外侧基盘的螺丝孔设计 。图 3 光栅加速度传感器振动测试系统 振动测试时 ,如图 4所示 , 将半圆环形 传感基底固 定在振动台支座上 ,施加在振动台支座上的振动信号将 使半圆形传感基底上的悬臂梁产生形变 ,引起悬臂梁挠 度改变 , 从而使粘贴在其上的光纤光栅波长发生动态变 化 。 通过光纤光栅动态解 调仪可以解调动态波长变化 情况 , 从而还原振动信息 。 通过信号发生器提供正弦信图 4 振动信号测试的传感器实际安装39 第 1期 应用光纤传感器在线监测动车组齿轮箱和万向轴的探讨 图 5 两半圆环形传感基底 6个光纤光

12、栅波长谱图号 , 然后通过功率放大器驱动振动平台产生振动 。 通过 光纤振动传感器将振动信号拾取 , 然后通过我们研制的 解调仪实现波长信号的解调 。 并 且 在振 动平台上放置 一标 准 压 电 传 感 器 , 用 压 电 式 加 速 度 计 (型 号 为 AWA 5933 测量振动台产生的振动信号 , 用来与光纤振 动传感器比较 , 标定光纤振动传感器 。 试验中选取不同 波 长 的 6个 光 纤 光 栅 来 进 行 测 量 , 为 了 避 免 测 量 过 程 中 , 波长串扰产 生 的 噪 声 , 6个 光 纤 光 栅 的 波 长 间 隔 大 于 2n m 。 如图 5所示 , 利用 S

13、 M 130动态解调仪测得的 静态无应力时 6个光纤光栅波长谱图 。3 试验与理论结果对比分析为了测试 6个加速度计的测量结果 , 在振动台上施 加了垂直方向的振动 。 图 6给 出了不同方 向传感器的 响应情况 。 曲线 1(蓝 色 曲 线 是 垂 直 光 栅 传 感 器 的 传 感信号 , 由于它的布置方向与 振动方向一 致 , 此传感器 理论上无任何波长变化 。 试验结果验证理论 , 光栅波长 基本没有变化 , 说明传感器的抗交叉干扰能力极强 。 曲 线 2(黑色 是水平放置的光栅传感器的传感信号 , 它感 应垂直振 动 信 号 的 能 力 最 强 , 波 长 漂 移 最 大 。 曲 线

14、 3 (黄色 和 4(绿色 是互相垂 直的 两 个 光 纤 传 感 器 的 传 感信号 , 并且 这 两 个 传 感 器 分 别 与 垂 直 方 向 成 45, 并 且这两个传感器对垂直振动信号具有基本相同的响应 。 这些结果基本上与理论预期的传感器响应是一致的 , 说 明光纤光栅传感器可以实现对振动信号的监测 。图 6 不同光纤光栅传感器的振动信号拾取 为了研究传感器对不同频率振动信号的响应特性 , 同振幅不同频率的振动信号被加在振动台上 , 图 7显示 了不同频率振动信号条件下光纤光 栅采 集 振动 信 号 的 情况 。 利用光纤光栅传感器将振动信号拾取 , 通过解调 仪解调出波 长 信

15、号 , 进 而 把 波 长 信 号 转 换 为 加 速 度 信 号 , 然后利用傅立叶变 换 (F F T 处 理 , 得 出监测振动信 号的频率信 息 。 从 图 7中 可 以 看 出 , 在 同 样 振 幅 情 况 下 , 不同频率的振动信号通过 光 纤 光 栅采集 后 , 强度是 相同的 。 说明悬臂梁式光纤光栅传感器在不同振动频 率下的振动响应是稳定的 , 并且频率 测量十 分准确 , 信 噪比高到 35d B 以上 。 同样 , 为了研究光纤光栅传感器在不同加速度下的 振动响应情况 。 随意选取 300H z 振动信号作为测试信 号 , 并与压电陶瓷传感器进行 了比较 , 以便 对

16、悬臂梁式 光纤光栅传感器进行定标 。 从图 8可以看出 , 压电陶瓷 传感器的监测结果和光纤光栅传感器的监测结 果基本49 铁 道 机 车 车 辆 第 33卷 一致 。 但是在非常小的加速度情况下 , 压电陶瓷传感器 基本监测不到信号 。 而光纤光栅 传感器的波长变化和 加速度变化基本是线性变化 ,可以实现从小加速度信号 到大加速度信号全范围 的监测 。 光纤光栅 传感器有着 比压电陶瓷传感器更好的加速度响应性能 。图 7 250H z 和 500H z 频率的振动信号下水平光栅的信号监测情况图 8 不同加速度条件下 300H z振动信号的监测结果 图 9为振动频率在 501100H z 时

17、, 水平放置的 光纤光栅传 感 器 的 频 响 曲 线 。 从 图 9中 可 以 看 出 , 在 320H z 附近有一个 明显 的谐 振 峰 ,这 个 谐 振 峰 是 半 圆 环基片和测试支座结合在 一起产生的低频谐振峰 。 在 实际工作中 , 齿轮箱的实际质量和体积都远大于光纤光 栅传感基底 , 因此不会产生这个低频的谐振峰 。 理论分 析是悬臂梁式光纤光栅振动传感器固有 的谐振峰 的频 率是 903H z , 从图 9中可以得出 , 在 50800H z 区 间 的曲线较为平坦 , 在 900H z 有个主谐振峰 , 这与理论分 析相一致 。 从图 10的试验结 果可以 看出 , 此试验

18、结果 基本满足 800H z 以下传感信号测试要求 。 信号的信噪 比达到 35d B , 频率测量准确 。 因此具备了基本的测试 条件 , 可以实现对齿轮箱故障进行在线监测 。 齿轮箱的 异常还会对 温 度 产 生 影 响 ,使 齿 轮 箱 产 生 异 常 温 度 变 化 。 光纤温度传感器计划粘贴在半圆环传感基底上 , 因 此光纤光栅温度传感器基本不受加速度信号影响 , 只能 感受基底温度场变化 。 同时为了防 止实际测量时动车高速行驶的湍流干扰 , 半圆形基底外部将密闭一个金属 壳 , 整个传感基底都将密闭在金属壳内 。 由于齿轮箱故 障温度变化应该是一个比较缓变的量 , 因此壳内的温度

19、 场在动态监测是可以看 作缓变量 。 温度传 感器测量的 温度可以反应齿轮箱的温度变化 , 同时还可以用其与测 量的振动信息的光纤光栅传感器相比较 , 排除由于温度 变化带来的波长漂移影响 。图 9 水平放置的光纤光栅传感器的频率响应曲线4 结束语高速运行的 动 车 组 存 在 严 重 的 力 学 干 扰 、 湍 流 干 扰 、 电磁干扰 , 传 统 的 传 感 器 很 难 适 应 这 种 恶 劣 环 境 。 光纤传感器凭借其高灵敏度 、 低 噪声 、 小 体积 、 低成本 、 寿命长等技术优势 , 可以避免电磁噪声干扰 。 因此利用 光纤光栅传感器代替传统的压电传感器 , 是齿轮箱监测 的更

20、优选择 。光纤传感器对高速旋转的万向轴和齿轮箱 进行在 线监测 , 是通过分析万向轴和齿轮箱的振动频谱和温度 变化来实现的 , 进而避免动车组事故的发生 。 通过试验 表明 , 光纤光栅传感器在 50800H z 区间响应曲线较 平坦 , 能够满足齿轮箱和万向轴动态传感要求 。 光纤光 栅传感器在小振动信号情况下 , 比压电陶瓷有着更好的 灵敏度 。 因此光纤光栅传 感器在齿轮箱和万向轴 检测59 第 1期 应用光纤传感器在线监测动车组齿轮箱和万向轴的探讨 中比传统压电传感器更有优势 。 参考文献1 秦树人 .齿 轮 传 动 系 统 检 测 与 诊 断 技 术 M . 重 庆 :重 庆 大学出

21、版社 , 1999.2 丁康 ,胡晓斌 . 解调分析的一种 优 化 方 法 J . 振 动 工 程 学 报 , 1998. 11(2 :235-240. 3 丁康 ,谢明 , 等 . 基于复解析带通滤波器的复调制细化谱分 析的原理与方法 J . 振动工程学报 , 2001. 14(1 :29-35. 4 Z u o w e i Y i n , L i a n g G a o , S h e n g c h u n L i u , L i a n g Z h a n g , X i a n g f e i C h e n .F i b e r r i n g l a s e r s e n s

22、o r f o r t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t J .J o u r n a l o f L i g h t w a v e T e c h n o l o g y . 2010, 28(23 :3 403-3408. 5 S h e n g c h u n L i u , Z u o w e i Y i n , X i a n gf e i C h e n , a n d J i a n c h u n C h e n g .M u l t i -l o n g i t u d i n a l m o d e f i b e r l

23、 a s e r f o r s t r a i n m e a s -u r e m e n t J . O pt . L e t t . , 2010, 35(6 . 6 L i a n g G a o , S h e n g c h u n L i u , Z u o w e i Y i n , a n d X. C h e n . F i b e r -O p t i c V i b r a t i o n S e n s o r B a s e d o n B e a t F r e q u e n c y a n d F r e q u e n c y -M o d u l a t

24、 i o n D e m o d u l a t i o n T e c h n i q u e s J . I E E E P h o t o n . T e c h n o l L e t t , 2011, 23(1 :18-21. 7 S h e n g c h u n L i u , L i a n g G a o , Z u o w e i Y i n , Y u e c h u n S h i , L i a n g Z h a n g , X i a n g f e i C h e n a n d J i a n c h u n C h e n g . A S i m -p l

25、 e H y b r i d W i r e -w i r e l e s s F i b e r L a s e r S e n s o r b y D i r e c t l y P h o t o n i c G e n e r a t i o n o f B e a t S i g n a l J .A p p l i e d O p t i c s , 2011, 50(12 :1 792-1797. 8 罗映祥 ,蒋 行 达 . 等 强 度 悬 臂 梁 光 纤 光 栅 调 谐 特 性 研 究 J . 四川师范大学学报 , 2006, 29(1 :86-88. D i s c u s

26、 s i o n o n O n l i n e M o n i t o r i n g o f E M U G e a r b o x a n d C a r d a n S h a f t b y A p p l i e d O p t i c a l F i b e r S e n s o r s WE I Y o n g -j i u 1, L I U S h e n g -c h u n 2(1 S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t a t e o f S h e n y a n g R

27、 a i l w a y A d m i n i s t r a t i o n , S h e n y a n g 110013L i a o n i n g , C h i n a ; 2 S c h o o l o f p h y s i c a l S c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , H e i l o n g j i a n g U n i v e r s i t y , H a r b i n 150080H e i l o n g j i a n g , C h i n a A b s t r a c t :T h e p a p

28、e r f o c u s e s o n o n l i n e m o n i t o r i n g o f c a r d a n s h a f t s o n m u l t i p l e u n i t s , a n d p r o p o s e s a n e w t e c h n i c a l s o l u t i o n t o e x t r a c t i n g o p e r a t i n g d a t a b y e m p l o y i n g o p t i c a l f i b e r s e n s o r s . T h e s i

29、m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s c a r r i e d o u t i n t h e l a b o r a t o r y , a n d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t c o n f i r m s t h e p r o po s e d t e c h n i c a l s o l u t i o n i s f e a s i b l e . K e y w o r d s :o p t i c a l f i b e r s e n s o r ; o n l i n e m o

30、n i t o r i n g ; 檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲 c a r d a n s h a f t (上接第 71页 3 铁 运 200828号 . 关 于 印 发 高 速 动 车 组 整 车 试 验 规 范 通知 高速列 车 空 气 动 力 学 性 能 计 算 和 试 验 鉴 定 暂行规定 S .4 刘建新 ,高 速 动 力 车 头 部 结 构 的 安 全 性 探 讨 J . 机 车 电 传动 , 2000, (3 :7-9. 5 U I C 651-1994. 机车 、 动车 、 动车组和驾驶拖车的列车

31、设 计 S .6 温吾凡 .汽 车 人 体 工 程 学 M . 长 春 :吉 林 科 学 技 术 出 版 社 , 1991.7 方卫宁 ,郭 北 苑 , 戴 明 森 . 机 车 乘 务 员 坐 姿 视 野 判 定 方 法 的研究 J . 铁道学报 , 2000, 22(5 :28-32. B a s e d o n C R H 6T y p e o f H i g h -s p e e d T r a i n T r a i n D e v e l o pm e n t A p p e a r a n c e D e s i gn o f R e s e a r c h WA N GT i a

32、 n qi (A c t u a t i o n v e h i c l e d e s i g n o f t h e C R S N a n j i n g P u z h e n C o . , L t d . , N a n j i n g 210031J i a n g s u , C h i n a A b s t r a c t :W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h -s p e e d t r a i n d e v e l o p m e n t , V e r y s t r i c t d e s i g n r

33、 e q u i r e m e n t s d u e t o t h e i n c r e a s e i n s p e e d o f t h e t r a i n s h a p e . B a s e d C R H 6t y p e C i t y I n t e r c i t y t r a i n s a p p e a r a n c e d e s i g n , t h e p a p e r s t u d i e s t h e h i g h -s p e e d t r a i n s h a p e d e s i g n . A c c o r d i

34、 n g t o C R H 6i n t e r c i t y E MU s h a p e , w e c o n s i d e r t h e f a c t o r s i n v o l v e d i n t h e e n t i r e p r o c e s s . F r o m t h e a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e , f r o n t s t y l i n g , s h a p e , t h e r e l a t i o n s h i p o f s h a p e s t r u c t u r e o f t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e , d r i v i n g s a f e t y e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y t o h i g h -s p