:1008-7842(201301-0092-05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:U279.3文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.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RAILWAYLOCOMOTIVECARVol.33No.1Feb.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=2πEcantWLH36(m+15cL3(1其中Ecant为悬臂梁材料的杨氏模量,WL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mc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...