本发明涉及光纤光栅传感和机械工况监测交叉领域，具体涉及一种螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置及方法。
背景技术：
齿轮是一种传递运动和动力的机械零件，是机械中很重要和应用很广泛的传动形式之一。相比于其它类型的齿轮，螺旋伞齿具有传递效率高、摩擦阻力小、瞬时传动比精确、传递扭力大等优点，特别适合高速传递。大量的实践证明，轮齿的弯曲疲劳折断是造成齿轮失效的主要破坏形式之一，因为齿轮轮齿在受载时，齿轮齿根处的弯曲应力是最大的，再加上由于齿根过渡部分的截面突变和加工刀痕等引起的应力集中效应，当轮齿反复受载后，就会在齿根处产生疲劳裂纹，并逐步扩展，最终导致轮齿疲劳折断，为了防止齿轮零件在运行过程中发生轮齿疲劳折断等故障，进而减少安全事故的发生，提高机械零件的使用寿命和效率，准确地监测齿轮在运行过程中状态以及轮齿的弯曲疲劳强度就显得十分必要，而齿轮齿根弯曲应力是齿轮弯曲疲劳强度计算的主要内容，也就自然得到人们的广泛重视。
光纤光栅因其具有耐腐蚀、抗干扰能力强等诸多优良特性已广泛应用于诸多领域，很早就有人提出采用光纤光栅来进行齿轮齿根弯曲应力的测量，但普通光纤光栅栅区长度约为1cm，其测出的弯曲应力是齿根在这1cm范围内齿宽方向上应力的积分，然而实际上，螺旋伞齿齿根受力是非均匀的，所以这样检测出的弯曲应力也是不准确的，且无法实现弯曲应力的全分布式测量。
如今针对普通直齿轮齿根弯曲应力的检测方法已有很多，最常见的比如在齿轮根部粘贴应变片，通过测量齿轮齿根弯曲时应变片特性变化的方法获得其弯曲应力，但此法只能单点测量，并不能分布式测量，且测量结果容易受到很多外界因素干扰；有限元分析法也是计算齿轮弯曲应力常用的方法，但该法数据量太大，且求解精度较低；武汉理工大学李晗等人提出了基于光纤光栅的直齿圆柱齿轮应力修正系数优化方法，根据光纤光栅测量结果优化直齿圆柱齿轮弯曲应力解析计算的应力修正系数，提高了应力计算精度，但还是无法实现全分布式齿根应力的测量；另外用软件仿真的方法也可以估算齿轮齿根弯曲应力，但实现起来比较复杂，结果也不理想。在众多齿轮齿根弯曲应力检测的方法中，可以运用在螺旋伞齿等弯曲齿齿根应力检测的很少，且大部分都只能实现齿根整体平均弯曲应力的测量或实现齿根上有限的几个点弯曲应力的测量，不能实现全分布式测量。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术中测量螺旋伞齿齿根弯曲应力的方法误差大，不能分布式测量，且容易影响齿轮工作的缺陷，提供一种结构简单、易于实现的基于光纤光栅的螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置，其特征在于：它包括光耦合器、光纤滑环、扫频光源、光环形器、光频域解调系统、计算机、对称贴在螺旋伞齿中单个齿两侧的齿根上的第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅，其中，所述光耦合器固定在螺旋伞齿上，光纤滑环、扫频光源、光环形器、光频域解调系统和计算机设置在螺旋伞齿外，扫频光源的扫频光信号输出端连接光环形器的第一光信号接口，所述第一测量光纤光栅的光通信端连接光耦合器的前端第一光接口，所述第二测量光纤光栅的光通信端连接光耦合器的前端第二光接口，光耦合器的后端光接口连接光纤滑环的旋转接线端，光纤滑环的固定接线端连接光环形器的第二光信号接口，光频域解调系统的信号输入端连接光环形器的第三光信号接口，光频域解调系统的信号输出端连接计算机的信号输入端。
所述第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅的长度与螺旋伞齿单个齿两侧的齿根的长度一致。
普通光纤光栅栅区长约1cm，传统的光纤光栅测量齿轮齿根弯曲应力的方法只能测量出齿轮齿根在所贴光栅处(即1cm处)的弯曲应力的积分，螺旋伞齿齿根所受应变一般是非均匀的，所以这样并不能准确获得其弯曲应力，且不能实现分布式测量。本发明中采用栅区长度与螺旋伞齿齿宽轴向长度一致的光纤光栅，且采用空间分辨率为1mm的光频域解调系统，在1mm区域内，可认为应变是均匀的，因此可以准确获得螺旋伞齿齿根每1mm处齿宽方向所受应力，具有高空间分辨率，通过弹性力学相关知识，可以将齿宽方向所受应力映射为齿高方向上的弯曲应力，从而实现了全分布式测量螺旋伞齿齿根弯曲应力。
一种上述装置的螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将被测螺旋伞齿置于静止状态；
步骤2：扫频光源输出端的扫频光信号，扫频光信号经过光环形器、光纤滑环和光耦合器进入第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅；
步骤3：扫频光信号在第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅内均进行布拉格反射，第一测量光纤光栅反馈的第一反射谱信号输入到光耦合器的前端第一光接口，第二测量光纤光栅反馈的第二反射谱信号输入到光耦合器的前端第二光接口；
步骤4：光耦合器将第一反射谱信号和第二反射谱信号按时域进行叠加，输出两反射谱的叠加信号，两反射谱的叠加信号依此通过光纤滑环和光环形器进入光频域解调系统，光频域解调系统将两反射谱的叠加信号转换为光纤光栅波长漂移信号；
步骤5：光频域解调系统将光纤光栅波长漂移信号输送给计算机，计算机根据光纤光栅波长漂移信号进行分段(每1mm栅区为一段)解调处理，得到第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅上各解调分段的波长；计算机对得到的各解调分段的波长进行解耦，消除温度对检测结果的影响，得到上述第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅上各分段解调段的初始波长λi；该初始波长λi为被测螺旋伞齿静止时各分段解调段的波长；
步骤6：在被测螺旋伞齿转动时，依据步骤2～5的方法得到被测螺旋伞齿运动时第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅上各分段解调段的波长，并求出被测螺旋伞齿静止与运动状态的各分段解调段波长差Δλ，该分段解调段波长差Δλ只受到应变影响；
步骤7：计算机根据如下公式1计算第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅各分段解调段所受应变εi；
Δλ＝(1-P)λiεi (1)
其中，P是测量光纤光栅的有效光弹系数，εi为第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅各分段解调段所受应变，即被测螺旋伞齿单个齿的齿根上沿齿宽方向所受应变；
然后根据如下公式2计算被测螺旋伞齿齿根齿高方向的分布式实时弯曲应力σx，以准确实现每段分段齿根轴向长度方向应力向齿高弯曲应力的转换，即完成螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测；
其中，E为被测螺旋伞齿的材料弹性模量，α为与被测螺旋伞齿材料有关的常量，其值介于0和1之间，b为被测螺旋伞齿的齿宽，εi为被测螺旋伞齿单个齿两侧的齿根上沿齿宽方向所受应变。
本发明的有益效果：
本发明通过采用与螺旋伞齿齿宽轴向长度一致的光纤光栅并结合高空间分辨率(空间分辨率为1mm)的光频域解调系统进行测量，将齿高弯曲应力测量转化为每1mm段光纤光栅齿宽方向应力的测量，不仅实现了分布式弯曲应力测量，具有高空间分辨率，且使得测量更加方便，测量结果更加准确；光纤光栅均位于螺旋伞齿齿根两侧，不影响螺旋伞齿的正常传动，能够有效地将实际工况代入测量中，保证结果的准确性和可靠性，由于信号的输出采用了2X1耦合器、光纤滑环和光频域解调系统，所以该发明适用于分布式地监测螺旋伞齿齿根应力；该方法去除温度因素带来的干扰，因此无需设置温度补偿装置，大大简化了信号探测部分的结构，且还能增加一倍的灵敏度；通过并联多个探测单元可以实现对齿轮周上每个齿的测量。
本发明能够实现各种工况下的螺旋伞齿传动齿根弯曲应力分布式监测，具有可实现分布式测量、结构简单，操作方便，测量准确，测量灵敏度高，可自动实现温补，易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中，1—螺旋伞齿、1.1—齿根、2—第一测量光纤光栅、3—第二测量光纤光栅、4—第一传输光纤、5—第二传输光纤、6—光耦合器、7—齿轮轴、8—光纤滑环、9—扫频光源、10—光环形器、11—光频域解调系统、12—计算机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测装置，它包括光耦合器6(2X1耦合器)、光纤滑环8、扫频光源9、光环形器10、光频域解调系统11、计算机12、对称贴在螺旋伞齿1中单个齿两侧的齿根1.1上的第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3，其中，所述光耦合器6固定在螺旋伞齿1上，光纤滑环8、扫频光源9、光环形器10、光频域解调系统11和计算机12设置在螺旋伞齿1外，扫频光源9的扫频光信号输出端连接光环形器10的第一光信号接口，所述第一测量光纤光栅2的光通信端连接光耦合器6的前端第一光接口，所述第二测量光纤光栅3的光通信端连接光耦合器6的前端第二光接口，光耦合器6的后端光接口连接光纤滑环8的旋转接线端，光纤滑环8的固定接线端连接光环形器10的第二光信号接口，光频域解调系统11的信号输入端连接光环形器10的第三光信号接口，光频域解调系统11的信号输出端连接计算机12的信号输入端。
上述技术方案中，所述扫频光源9输出的扫频激光的频率为40～60kHZ，优选为50kHZ。频率为40～60kHZ的高速扫频激光器保证了检测的实时性，高速扫频激光器扫描发出一定波段内波长呈周期性线性变化的光。
上述技术方案中，光耦合器6的后端光接口通过光纤滑环8实现由动态旋转至静态传输的转变。后端光接口的轴端中心与光纤滑环8中心保持在同一高度，同时二者之间通过软皮管相连，以保证光纤滑环8在高速转动时能够不受外力。
上述技术方案中，在螺旋伞齿1中单个齿两侧的齿根1.1上对称粘贴第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3可以使灵敏度增加一倍，同时还可以自动实现温度补偿。
上述技术方案中，光频域解调系统11的波长分辨率为1pm，空间分辨率为1mm，第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3的栅区长度为20mm，把栅区平均分为20等份，每一份1mm，光频域解调系统11可得到每一份的波长漂移，进而通过计算机12得到每一份的应变值，实现分布式测量。
上述技术方案中，所述光耦合器6固定在螺旋伞齿1的齿轮轴7上。
上述技术方案中，所述第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3的长度与螺旋伞齿1单个齿两侧的齿根1.1的轴向长度一致。第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3中栅区长度在20mm以上。
上述技术方案中，所述第一测量光纤光栅2的光通信端通过第一传输光纤4连接光耦合器6的前端第一光接口，所述第二测量光纤光栅3的光通信端通过第二传输光纤5连接光耦合器6的前端第二光接口。
上述技术方案中，所述第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3用于输出与螺旋伞齿齿根的应力信息相关的带有光栅波长信息的调制信号。
上述技术方案中，所述光频域解调系统11用于将带有光栅波长信息的调制信号转换为光纤光栅波长漂移信号。
上述技术方案中，所述计算机12用于根据光纤光栅波长漂移信号处理得到具有高空间分辨率的分布式齿根齿宽方向应力，由齿宽方向应力映射到齿高方向得到螺旋伞齿齿根的分布式应力数据。
一种上述装置的螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测方法，它包括如下步骤：
步骤1：将被测螺旋伞齿1置于静止状态；
步骤2：扫频光源9输出端的扫频光信号，扫频光信号经过光环形器10、光纤滑环8和光耦合器6进入第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3；
步骤3：扫频光信号在第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3内均进行布拉格反射，第一测量光纤光栅2反馈的第一反射谱信号输入到光耦合器6的前端第一光接口，第二测量光纤光栅3反馈的第二反射谱信号输入到光耦合器6的前端第二光接口；
步骤4：光耦合器6将第一反射谱信号和第二反射谱信号按时域进行叠加，输出两反射谱的叠加信号，两反射谱的叠加信号依此通过光纤滑环8和光环形器10进入光频域解调系统11，光频域解调系统11将两反射谱的叠加信号转换为光纤光栅波长漂移信号；
步骤5：光频域解调系统11将光纤光栅波长漂移信号输送给计算机12，计算机12根据光纤光栅波长漂移信号进行分段(每1mm栅区为一段)解调处理，得到第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3上各解调分段的波长；计算机12对得到的各解调分段的波长进行解耦，消除温度对检测结果的影响，得到上述第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3上各分段解调段的初始波长λi；该初始波长λi为被测螺旋伞齿1静止时各分段解调段的波长；
步骤6：在被测螺旋伞齿1转动时，依据步骤2～5的方法得到被测螺旋伞齿1运动时第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3上各分段解调段的波长，并求出被测螺旋伞齿1静止与运动状态的各分段解调段波长差Δλ，该分段解调段波长差Δλ只受到应变影响；
步骤7：计算机12根据如下公式1计算第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3各分段解调段所受应变εi；
Δλ＝(1-P)λiεi (1)
其中，P是测量光纤光栅的有效光弹系数，εi为第一测量光纤光栅2和第二测量光纤光栅3各分段解调段所受应变，即被测螺旋伞齿1单个齿的齿根1.1上每1mm段沿齿宽方向所受应变；
然后根据如下公式2将每1mm段齿根沿齿宽方向所受应变映射到对应段齿高方向弯曲应力，即计算被测螺旋伞齿1齿根齿高方向的分布式实时弯曲应力σx，以准确实现每段分段齿根轴向长度方向应力向齿高弯曲应力的转换，即完成螺旋伞齿齿根弯曲应力分布式在线监测；
其中，E为被测螺旋伞齿1的材料弹性模量，α为与被测螺旋伞齿1材料有关的常量，见参考文献(李晗,谭跃刚,蒋熙馨,等.基于光纤光栅的直齿圆柱齿轮应力修正系数优化[J].机械工程师,2015(10):142-146.)，其值介于0和1之间，b为被测螺旋伞齿1的齿宽，εi为被测螺旋伞齿1单个齿的齿根1.1上每1mm段沿齿宽方向所受应变。
上述技术方案中，每个分段解调段的长度相等，且每个分段解调段的长度均为1mm。该分段长度带来了较好的空间分辨率。
上述技术方案中，由于螺旋伞齿齿根是弯曲的，其各处弯曲应力方向是不同的，普通光纤光栅栅区长约1cm，传统的光纤光栅测量齿轮齿根弯曲应力的方法只能测量出齿轮齿根在所贴光栅处(即1cm处)的弯曲应力的积分，这样并不能准确获得其弯曲应力。本发明中将其分段等效成多段直齿，分段后可认为每段齿根上受力是均匀的。光纤光栅是沿着弯曲的齿根粘贴的，光频域解调系统11对超长光纤光栅进行分段(每1mm为一段)处理，相当于将弯曲齿根分成了多段直齿根，每段齿根长度仅为1mm。然而沿齿宽粘贴光栅只能测各点齿宽方向上的应变，那么寻找螺旋伞齿弯曲齿根分成的多段齿根齿宽方向上的应变与对应的齿根弯曲应力之间的相互关系就成为检测螺旋伞齿齿根弯曲应力的核心问题。因此本发明采用公式2的方法实现转换，公式2的具体推导过程为：
假设弯曲齿根分段后的单段齿根齿宽方向的应力为σy，被测螺旋伞齿1齿根齿高方向的分布式实时弯曲应力为σx，则根据弹性力学相关知识，二者的比值σy/σx和螺旋伞齿的轴向长度是有关系的，当齿宽趋于0时，其比值也区域0，当齿宽趋于无穷时，其比值将趋于螺旋伞齿材料的泊松比，σy/σx服从指数分布：
式中：b为被测螺旋伞齿1的齿宽，α是与螺旋伞齿材料有关的常量，其值介于0和1之间。
根据弹性力学的物理方程：
式中：εi为被测螺旋伞齿1单个齿的齿根1.1上每1mm段沿齿宽方向所受应变，E为被测物材料的弹性模量，σx、σy、σz分别为1mm段齿根三个方向的正应力，μ为材料的泊松比。当螺旋伞齿承受弯矩时，沿着z方向的正应力为0，即σz＝0，可得
即通过上式可以准确实现每1mm段齿根齿宽方向应力向齿高弯曲应力的转换。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。