應(yīng)用光纖傳感器在線監(jiān)測動(dòng)車組齒輪箱和萬向軸的探討

魏永久，劉盛春

（1 沈陽鐵路局 科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧沈陽110013；2 黑龍江大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

齒輪箱和萬向軸是動(dòng)車組走行部的重要部件，它們的工作狀態(tài)直接影響動(dòng)車組運(yùn)行安全，動(dòng)車組的動(dòng)力電機(jī)通過萬向軸驅(qū)動(dòng)輪的高速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組在線路上高速行駛。為此，在動(dòng)車組的日常檢修工作中，非常重視萬向軸的檢查，并需要定期拆下進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，以確保萬向軸處于良好地工作狀態(tài)。多年來開行動(dòng)車的實(shí)踐證明由于動(dòng)車組的齒輪箱和萬向軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在運(yùn)行中萬向軸和萬向軸驅(qū)動(dòng)齒輪箱存在偶發(fā)故障現(xiàn)象，比如振動(dòng)異常、發(fā)熱溫度升高等故障現(xiàn)象［1-3］。此種故障在地面檢測時(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，因此需要對萬向軸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

但目前對其實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測是一個(gè)難題，特別是在高速鐵路這樣比較復(fù)雜的環(huán)境下，由于受到電磁干擾，惡劣環(huán)境的影響，對其進(jìn)行安全可靠的監(jiān)測更為困難。而光纖傳感器具有抗電磁干擾，能適應(yīng)復(fù)雜的工作條件，可以用來測量比如應(yīng)力、位移、壓強(qiáng)、溫度、角速度、加速度等多種物理量［4-7］，還可以完成許多現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間和惡劣的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，光纖傳感技術(shù)在齒輪箱檢測上應(yīng)該有很好的應(yīng)用前景。

本文探討了一種基于光纖傳感器來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行中萬向軸和齒輪箱的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)方案。通過引入光纖傳感器，利用其光學(xué)傳感特性來測量萬向軸、齒輪箱外側(cè)的振動(dòng)和溫度信號(hào)。通過對箱體振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測來提取齒輪的振動(dòng)信號(hào)，然后實(shí)時(shí)分析動(dòng)車組的動(dòng)平衡以及齒輪箱、萬向軸的損傷情況。設(shè)計(jì)了一種圓環(huán)基底的光纖監(jiān)測模塊，并在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)來驗(yàn)證模塊的振動(dòng)信號(hào)拾取有效性。

1 傳感器的安裝與設(shè)計(jì)原理

為了保證光纖傳感器布置既能監(jiān)測萬向軸又能監(jiān)測齒輪箱的故障信息，同時(shí)避免改變傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給動(dòng)車帶來附加隱患。選擇兩者交界的齒輪箱外側(cè)末端基盤作為傳感器的布放位置，如圖1（b）所示。兩個(gè)半圓形傳感基底分別固定在齒輪箱末端的圓盤上，通過齒輪箱的八個(gè)定位螺絲來固定傳感基底。

圖1 圓環(huán)形傳感基底與齒輪箱外側(cè)安裝圖

試驗(yàn)中，要真實(shí)測量萬向軸、齒輪箱傳遞到齒輪箱外側(cè)的振動(dòng)信號(hào)，還要保證動(dòng)車的正常運(yùn)行。選擇了齒輪箱外側(cè)基盤作為感測信號(hào)位置，具體部位見圖1（a）所示，這個(gè)基盤有8個(gè)定位螺絲，故設(shè)計(jì)了一個(gè)能固定在螺絲之上的傳感拖盤，然后通過在拖盤定向設(shè)置的傳感器進(jìn)行信號(hào)的感測。在齒輪箱外側(cè)最接近萬向軸的位置粘貼6個(gè)光纖光柵振動(dòng)傳感器，通過對這6個(gè)傳感器振動(dòng)信號(hào)的采集和分析來判斷車輛的動(dòng)平衡狀況以及萬向軸、齒輪箱的損傷情況。同時(shí)粘貼2個(gè)壓電振動(dòng)傳感器用作對比與校準(zhǔn)。

針對振動(dòng)測量，設(shè)計(jì)為一個(gè)等腰三角形的彈性懸臂梁型光纖振動(dòng)傳感器，如圖2所示。三角形梁的底邊焊接在半圓環(huán)基底的凹槽內(nèi)，傳感光柵貼在三角形梁的中心線上。在三角形梁的頂點(diǎn)處固定一個(gè)圓形的金屬塊作為振動(dòng)傳感器的質(zhì)量塊。構(gòu)成質(zhì)量—慣性系統(tǒng)，齒輪箱的振動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲泄鈻派喜ㄩL的變化。

當(dāng)以三角形懸臂梁的頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖2所示的坐標(biāo)系。設(shè)三角形懸臂梁的厚度為H（z方向），長度為L（x方向），其寬度（y方向）為W，當(dāng)有z方向的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，傳感器的基座和質(zhì)量塊之間會(huì)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，此時(shí)懸臂梁的諧振頻率公式表示為：

其中Ecant為懸臂梁材料的楊氏模量，WL表示三角形的底邊寬度（即懸臂梁在長度L處的寬度值），m和mc分別表示慣性質(zhì)量和懸臂梁的質(zhì)量。通過式（1）可知，諧振頻率的平方與梁體質(zhì)量以及慣性質(zhì)量成反比，與梁體的楊氏模量成正比，與梁體的幾何參數(shù)（WL×H3／L3）成正比。對于給定材料的懸臂梁，調(diào)整厚長比（H／L）可以改變它的諧振頻率。

試驗(yàn)中采用3GR13作為懸臂梁的材料，其Ecant=2.05×105MPa，當(dāng)一個(gè)等腰三角形懸臂梁上，三角形的邊長L=3.0cm，底邊長3.0，3.1，3.2，3.3，3.4cm，懸臂梁的質(zhì)量m=mc=10.0g，懸臂梁上使用的質(zhì)量塊的質(zhì)量在1.0～2.5g之間。根據(jù)式（1），如果底邊長為3.4cm，則對應(yīng)的諧振頻率為903Hz。通過以上分析可知，懸臂梁式光纖光柵振動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)頻率在0～900Hz的振動(dòng)信號(hào)測量。因?yàn)辇X輪箱的振動(dòng)頻譜一般都在800Hz以下，所以這個(gè)頻段也基本滿足了萬向軸和齒輪箱故障頻率和動(dòng)平衡檢測頻率要求。

2 光柵加速度傳感器振動(dòng)測量試驗(yàn)裝置

傳感探頭中使用的布喇格光柵的波長分別為λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6。帶寬在0.2nm 左右，反射率90%。裝置如圖3所示。采用BK4808振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，然后通過功率放大器將正弦信號(hào)放大來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)。為了固定半圓環(huán)形傳感基底，我們做了一個(gè)剛性支座，然后將半圓環(huán)形傳感基底固定在剛性支座上。固定孔嚴(yán)格按照動(dòng)車齒輪箱外側(cè)基盤的螺絲孔設(shè)計(jì)。

圖3 光柵加速度傳感器振動(dòng)測試系統(tǒng)

圖4 振動(dòng)信號(hào)測試的傳感器實(shí)際安裝

圖5 兩半圓環(huán)形傳感基底6個(gè)光纖光柵波長譜圖

振動(dòng)測試時(shí)，如圖4所示，將半圓環(huán)形傳感基底固定在振動(dòng)臺(tái)支座上，施加在振動(dòng)臺(tái)支座上的振動(dòng)信號(hào)將使半圓形傳感基底上的懸臂梁產(chǎn)生形變，引起懸臂梁撓度改變，從而使粘貼在其上的光纖光柵波長發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。通過光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀可以解調(diào)動(dòng)態(tài)波長變化情況，從而還原振動(dòng)信息。通過信號(hào)發(fā)生器提供正弦信號(hào)，然后通過功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)。通過光纖振動(dòng)傳感器將振動(dòng)信號(hào)拾取，然后通過我們研制的解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)波長信號(hào)的解調(diào)。并且在振動(dòng)平臺(tái)上放置一標(biāo)準(zhǔn)壓電傳感器，用壓電式加速度計(jì)（型號(hào)為AWA5933）測量振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，用來與光纖振動(dòng)傳感器比較，標(biāo)定光纖振動(dòng)傳感器。試驗(yàn)中選取不同波長的6個(gè)光纖光柵來進(jìn)行測量，為了避免測量過程中，波長串?dāng)_產(chǎn)生的噪聲，6個(gè)光纖光柵的波長間隔大于2nm。如圖5所示，利用SM130動(dòng)態(tài)解調(diào)儀測得的靜態(tài)無應(yīng)力時(shí)6個(gè)光纖光柵波長譜圖。

3 試驗(yàn)與理論結(jié)果對比分析

為了測試6個(gè)加速度計(jì)的測量結(jié)果，在振動(dòng)臺(tái)上施加了垂直方向的振動(dòng)。圖6給出了不同方向傳感器的響應(yīng)情況。曲線1（藍(lán)色曲線）是垂直光柵傳感器的傳感信號(hào)，由于它的布置方向與振動(dòng)方向一致，此傳感器理論上無任何波長變化。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論，光柵波長基本沒有變化，說明傳感器的抗交叉干擾能力極強(qiáng)。曲線2（黑色）是水平放置的光柵傳感器的傳感信號(hào)，它感應(yīng)垂直振動(dòng)信號(hào)的能力最強(qiáng)，波長漂移最大。曲線3（黃色）和4（綠色）是互相垂直的兩個(gè)光纖傳感器的傳感信號(hào)，并且這兩個(gè)傳感器分別與垂直方向成45°，并且這兩個(gè)傳感器對垂直振動(dòng)信號(hào)具有基本相同的響應(yīng)。這些結(jié)果基本上與理論預(yù)期的傳感器響應(yīng)是一致的，說明光纖光柵傳感器可以實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測。

圖6 不同光纖光柵傳感器的振動(dòng)信號(hào)拾取

為了研究傳感器對不同頻率振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)特性，同振幅不同頻率的振動(dòng)信號(hào)被加在振動(dòng)臺(tái)上，圖7顯示了不同頻率振動(dòng)信號(hào)條件下光纖光柵采集振動(dòng)信號(hào)的情況。利用光纖光柵傳感器將振動(dòng)信號(hào)拾取，通過解調(diào)儀解調(diào)出波長信號(hào)，進(jìn)而把波長信號(hào)轉(zhuǎn)換為加速度信號(hào)，然后利用傅立葉變換（FFT）處理，得出監(jiān)測振動(dòng)信號(hào)的頻率信息。從圖7中可以看出，在同樣振幅情況下，不同頻率的振動(dòng)信號(hào)通過光纖光柵采集后，強(qiáng)度是相同的。說明懸臂梁式光纖光柵傳感器在不同振動(dòng)頻率下的振動(dòng)響應(yīng)是穩(wěn)定的，并且頻率測量十分準(zhǔn)確，信噪比高到35dB以上。

同樣，為了研究光纖光柵傳感器在不同加速度下的振動(dòng)響應(yīng)情況。隨意選取300Hz振動(dòng)信號(hào)作為測試信號(hào)，并與壓電陶瓷傳感器進(jìn)行了比較，以便對懸臂梁式光纖光柵傳感器進(jìn)行定標(biāo)。從圖8可以看出，壓電陶瓷傳感器的監(jiān)測結(jié)果和光纖光柵傳感器的監(jiān)測結(jié)果基本一致。但是在非常小的加速度情況下，壓電陶瓷傳感器基本監(jiān)測不到信號(hào)。而光纖光柵傳感器的波長變化和加速度變化基本是線性變化，可以實(shí)現(xiàn)從小加速度信號(hào)到大加速度信號(hào)全范圍的監(jiān)測。光纖光柵傳感器有著比壓電陶瓷傳感器更好的加速度響應(yīng)性能。

圖7 250Hz和500Hz頻率的振動(dòng)信號(hào)下水平光柵的信號(hào)監(jiān)測情況

圖8 不同加速度條件下300Hz振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測結(jié)果

圖9為振動(dòng)頻率在50～1 100Hz時(shí)，水平放置的光纖光柵傳感器的頻響曲線。從圖9中可以看出，在320Hz附近有一個(gè)明顯的諧振峰，這個(gè)諧振峰是半圓環(huán)基片和測試支座結(jié)合在一起產(chǎn)生的低頻諧振峰。在實(shí)際工作中，齒輪箱的實(shí)際質(zhì)量和體積都遠(yuǎn)大于光纖光柵傳感基底，因此不會(huì)產(chǎn)生這個(gè)低頻的諧振峰。理論分析是懸臂梁式光纖光柵振動(dòng)傳感器固有的諧振峰的頻率是903Hz，從圖9中可以得出，在50～800Hz區(qū)間的曲線較為平坦，在900Hz有個(gè)主諧振峰，這與理論分析相一致。從圖10的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，此試驗(yàn)結(jié)果基本滿足800Hz以下傳感信號(hào)測試要求。信號(hào)的信噪比達(dá)到35dB，頻率測量準(zhǔn)確。因此具備了基本的測試條件，可以實(shí)現(xiàn)對齒輪箱故障進(jìn)行在線監(jiān)測。齒輪箱的異常還會(huì)對溫度產(chǎn)生影響，使齒輪箱產(chǎn)生異常溫度變化。光纖溫度傳感器計(jì)劃粘貼在半圓環(huán)傳感基底上，因此光纖光柵溫度傳感器基本不受加速度信號(hào)影響，只能感受基底溫度場變化。同時(shí)為了防止實(shí)際測量時(shí)動(dòng)車高速行駛的湍流干擾，半圓形基底外部將密閉一個(gè)金屬殼，整個(gè)傳感基底都將密閉在金屬殼內(nèi)。由于齒輪箱故障溫度變化應(yīng)該是一個(gè)比較緩變的量，因此殼內(nèi)的溫度場在動(dòng)態(tài)監(jiān)測是可以看作緩變量。溫度傳感器測量的溫度可以反應(yīng)齒輪箱的溫度變化，同時(shí)還可以用其與測量的振動(dòng)信息的光纖光柵傳感器相比較，排除由于溫度變化帶來的波長漂移影響。

圖9 水平放置的光纖光柵傳感器的頻率響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

高速運(yùn)行的動(dòng)車組存在嚴(yán)重的力學(xué)干擾、湍流干擾、電磁干擾，傳統(tǒng)的傳感器很難適應(yīng)這種惡劣環(huán)境。光纖傳感器憑借其高靈敏度、低噪聲、小體積、低成本、壽命長等技術(shù)優(yōu)勢，可以避免電磁噪聲干擾。因此利用光纖光柵傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電傳感器，是齒輪箱監(jiān)測的更優(yōu)選擇。

光纖傳感器對高速旋轉(zhuǎn)的萬向軸和齒輪箱進(jìn)行在線監(jiān)測，是通過分析萬向軸和齒輪箱的振動(dòng)頻譜和溫度變化來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而避免動(dòng)車組事故的發(fā)生。通過試驗(yàn)表明，光纖光柵傳感器在50～800Hz區(qū)間響應(yīng)曲線較平坦，能夠滿足齒輪箱和萬向軸動(dòng)態(tài)傳感要求。光纖光柵傳感器在小振動(dòng)信號(hào)情況下，比壓電陶瓷有著更好的靈敏度。因此光纖光柵傳感器在齒輪箱和萬向軸檢測中比傳統(tǒng)壓電傳感器更有優(yōu)勢。

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