CN102419252B - 光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置 - Google Patents

Abstract

光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，涉及光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，为了解决目前缺少针对高速列车齿轮箱的相应监测产品的问题，它包括宽带光源、光纤耦合器、一号振动传感器、二号振动传感器、三号振动传感器、一号光栅温度传感器、四号振动传感器、五号振动传感器、六号振动传感器、二号光栅温度传感器、F-P滤波器、锯齿波发生器、光电探测器、数据采集器、齿轮故障数据库、分析处理装置、报表装置、预警装置、实时显示装置、左半圆环形基底和右半圆环形基底。适用于对高速动车齿轮箱在线检测。

Description

光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置

技术领域

本发明涉及光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置。

背景技术

高速铁路是集中了很多高新技术的系统工程，高速列车是其中一个很重要的部分，它的安全状态直接关系到乘客的生命安全和舒适度。影响高速列车安全的重要部件如转向架、轴承、齿轮箱等长期处于高负荷运转，这些设备的安全监测就显得尤为重要。到目前为止，高速列车齿轮的检修基本上靠停车后抽取油液检测来检测齿轮箱的磨损情况，现存的维修手段存在很大的随机性和主观性，明显不能满足高速列车齿轮箱监测与诊断要求。但是还没有成熟的高速列车齿轮箱的在线故障监测产品。因此研制高性能的高速列车传动齿轮箱故障在线监测装置显得尤为必要，特别是随着近年来高速铁路的大量应用，那么齿轮箱检修的问题将越来越突出。

目前，在其他齿轮箱故障诊断的理论研究以及应用方面取得了丰富的科研成果和可观的经济效益。如传统的时域波形分析、功率谱分析、细化谱分析、相关分析、解调分析、瀑布图等方法的分析精度和处理速度在近些年得到了很大的提高和发展。一些新的信号处理方法，如Wigner-Ville分布技术、小波分析、循环平稳理论解调分析和希尔伯特-黄变换解调等分析方法已开始得到应用，并取得一定的效果。在故障诊断系统的开发方面，人们已经进行了大量的研究，并研制了许多相应的仪器、设备。例如日本和丹麦生产的磁带记录仪、美国亚特兰大公司的M777便携式数据采集仪、HP，B&K，CF-353的信号分析仪等，国内的DAS动态信号分析与故障诊断系统等。但是到目前，由于动车齿轮箱附近的环境十分恶劣，普通传感器很难对有效信号进行捕捉，缺少针对高速列车齿轮箱的相应监测产品。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前缺少针对高速列车齿轮箱的相应监测产品的问题，提供一种光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置。

光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，它包括宽带光源、光纤耦合器、一号振动传感器、二号振动传感器、三号振动传感器、一号光栅温度传感器、四号振动传感器、五号振动传感器、六号振动传感器、二号光栅温度传感器、F-P滤波器、锯齿波发生器、光电探测器、数据采集器、齿轮故障数据库、分析处理装置、报表装置、预警装置、实时显示装置、左半圆环形金属基底和右半圆环形金属基底，左半圆环形金属基底与右半圆环形金属基底组合为一完整圆环，所述圆环背面固定在要检测的齿轮箱壳体端部的上表面，宽带光源的输出端通过传输光纤连接在光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的一个数据交换端通过传输光纤将设置在左半圆环形金属基底正面的一号振动传感器、二号振动传感器、三号振动传感器和一号光栅温度传感器串接，形成串接光路；光纤耦合器的另一个数据交换端通过传输光纤将设置在右半圆环形金属基底正面的四号振动传感器、五号振动传感器、六号振动传感器和二号光栅温度传感器串接，形成串接光路；光纤耦合器的输出端连接在F-P滤波器的一个输入端，锯齿波发生器的一个输出端连接在F-P滤波器的另一个输入端，F-P滤波器的输出端连接在光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接在数据采集器的一个输入端，锯齿波发生器的另一个输出端连接在数据采集器的另一个输入端，数据采集器的输出端连接在分析处理装置的一个输入端，齿轮故障数据库的输出端连接在分析处理装置的另一个输入端，分析处理装置的输出端同时连接在报表装置的输入端、预警装置的输入端和实时显示装置的输入端。

本发明解决了目前缺少针对高速列车齿轮箱的相应监测产品的问题，利用先进的防电磁干扰、质轻的光纤传感器作为齿轮箱振动监测元件，通过高速光信号解调装置和数据采集装置提取齿轮箱上的振动信号，适用于对高速动车齿轮箱在线检测；用本发明的装置能实现对高速列车动平衡、齿轮磨损、表面疲劳损伤、粘附磨损等齿轮损伤情况进行高精度监测并及时预警；该装置还有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀的优点。保证动车组快速、安全运行。

附图说明

图1为本发明光纤-无线混合齿轮箱在线监测装置结构示意图；图2为本发明齿轮箱传感器安装示意图；图3为光纤振动传感器的结构示意图；图4齿轮箱故障诊断系统流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括宽带光源1、光纤耦合器3、一号振动传感器4-1、二号振动传感器4-2、三号振动传感器4-3、一号光栅温度传感器5-1、四号振动传感器6-1、五号振动传感器6-2、六号振动传感器6-3、二号光栅温度传感器5-2、F-P滤波器7、锯齿波发生器8、光电探测器9、数据采集器10、齿轮故障数据库11、分析处理装置12、报表装置13、预警装置14、实时显示装置15、左半圆环形基底17-1和右半圆环形基底17-2，左半圆环形基底17-1与右半圆环形基底17-2组合为一完整圆环，所述圆环背面固定在要检测的齿轮箱壳体端部的上表面，宽带光源1的输出端通过传输光纤连接在光纤耦合器3的输入端，光纤耦合器3的一个数据交换端通过传输光纤将设置在左半圆环形基底17-1正面的一号振动传感器4-1、二号振动传感器4-2、三号振动传感器4-3和一号光栅温度传感器5-1串接，形成串接光路；光纤耦合器3的另一个数据交换端通过传输光纤将设置在右半圆环形基底17-2正面的四号振动传感器6-1、五号振动传感器6-2、六号振动传感器6-3和二号光栅温度传感器5-2串接，形成串接光路；光纤耦合器3的输出端连接在F-P滤波器7的一个输入端，锯齿波发生器8的一个输出端连接在F-P滤波器7的另一个输入端，F-P滤波器7的输出端连接在光电探测器9的输入端，光电探测器9的输出端连接在数据采集器10的一个输入端，锯齿波发生器8的另一个输出端连接在数据采集器10的另一个输入端，数据采集器10的输出端连接在分析处理装置12的一个输入端，齿轮故障数据库11的输出端连接在分析处理装置12的另一个输入端，分析处理装置12的输出端同时连接在报表装置13的输入端、预警装置14的输入端和实时显示装置15的输入端。

光纤耦合器3的一个输入端通过光纤2连接到宽带光源1，为光纤光栅提供了宽带光，通过光纤光栅传感器发射回来的光信号通过光纤耦合器3的另一个输入端进入F-P滤波器7；F-P滤波器7里面利用微型压电陶瓷来控制F-P滤波器7投过的光波长，锯齿波发生器8为其提供控制锯齿电压，这样不同波长的光在锯齿波电压的驱动下，将在不同时间通过F-P滤波器7，将锯齿波发生器8的锯齿电压作为参考信号输入数据采集器10，并与光纤光栅传感信号产生不同时序的信号来确定各个光纤光栅传感信号；将测得的齿轮箱信号送入分析处理装置12，根据齿轮故障数据库11中预存的各种齿轮箱故障信息来判断齿轮箱实时工作状态，通过实时显示装置15提供给高速列车工作人员参考。如果有故障出现及时生成报表13、并通过预警装置14发送到调度中心或者其他有关部门。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，具体实施方式一的一号振动传感器4-1至六号振动传感器6-3的结构相同，所述振动传感器由弹性悬臂梁18、光纤光栅19和金属质量块20组成，弹性悬臂梁18的侧表面为等腰三角形，该等腰三角形底边对应的弹性悬臂梁18的底面固定在半圆环形金属基底17-1或17-2上，光纤光栅19贴在弹性悬臂梁18的等腰三角形的中心线上，圆形的金属质量块20固定在弹性悬臂梁18的等腰三角形的顶点处。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

弹性悬臂梁18基于质量一惯性系统，用于将振动信号转变为传感光栅上波长的变化。传感光栅波长变化和振动加速度的关系：

$A_g=\frac{K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{EB}{t}^2}{6\mathrm{ML}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Λ}}_B=K_a\·\mathrm{\Λ}{\mathrm{\λ}}_B---\left(1\right)$

A_g是加速度振幅，K_ε是波长对应变的敏感系数，E是杨氏模量，B是悬臂梁的底部宽度，t是梁的厚度；M为质量块的质量，L是是悬臂梁的长度；六个振动传感器组成阵列结构，通过阵列计算来判定高速列车齿轮箱振动的方向和幅度，用来去除交叉串扰的干扰。

通过合理设计，要保证宽带光源1有足够宽，足以覆盖两个半圆环形基底上的6个光纤振动传感器和2个光栅温度传感器的波长偏移量，使每两个光纤布拉格光栅传感器之间的波长间隔比最大振动或者温度偏移量还要大，这样反射波长不会有重叠的部分。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是一号振动传感器(4-1)至三号振动传感器(4-3)沿圆周方向均匀分布在左半圆环形金属基底(17-1)的上表面，一号振动传感器(4-1)底边的长度方向与二号振动传感器(4-2)底边的长度方向相差45度角，一号振动传感器(4-1)底边的长度方向与三号振动传感器(4-3)底边的长度方向相差90度角，四号振动传感器(6-1)至六号振动传感器(6-3)沿圆周方向均匀分布在右半圆环形基底(17-2)的上表面，四号振动传感器(6-1)底边的长度方向与五号振动传感器(6-2)底边的长度方向相差45度角，四号振动传感器(6-1)底边的长度方向与六号振动传感器(6-3)底边的长度方向相差90度角。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

6个传感器振动信号在两个半圆形传感基底上布置成对称的结构，通过阵列式结构，来确定振动信号的强度和方向，然后根据齿轮箱故障数据库11可来判断车辆的动平衡状况以及万向轴、齿轮箱的损伤情况。同时粘贴在半圆环基底上的2个光纤光栅温度传感器来监测齿轮箱内部温度变化，可以用来辅助判断齿轮箱内部磨损情况。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是左半圆环形基底17-1还开有多个圆孔，所述多个圆孔在左半圆环形基底17-1上沿圆周均匀分布；右半圆环形基底17-2还开有多个圆孔，所述多个圆孔在右半圆环形基底17-2上沿圆周均匀分布。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

所述圆孔用于透过齿轮箱端部的螺栓使左半圆环形基底17-1和右半圆环形基底17-2能与齿轮箱端部紧密结合。

两个半圆环形基底开有8个圆孔16-1、16-2、……、16-8，通过这8个孔，我们将传感基底和齿轮箱端部连接并固定在齿轮箱端部。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一不同的是左半圆环形基底17-1背部还开有凹槽，右半圆环形基底17-2背部还开有凹槽。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

传感器光纤利用圆环基底背部的凹槽来铺设光纤(这样整个结构就可以与圆盘紧密接触，布设的2个光纤光栅温度传感器回路也可以利用这一凹槽保护起来，有利于温度的准确测量)，然后两片半圆形传感基底连接一起利用一个管状结构引出传感器光纤，传感基底与圆盘接触部位的细小缝隙以及两片基底合围时形成的细小缝隙待整个装置安放完成后，用玻璃胶密封防止外部水汽、细小砂石、以及高速行驶时风速对传感结构的影响。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，具体实施方式一中的分析处理装置12包括小波算法21、工作模拟软件22、齿轮箱故障信息23、齿轮箱故障数据库24、比较判断系统25、神经算法26、齿轮箱工作状态27和齿轮箱运行状态28，工作模拟软件22的输出端连接在齿轮箱故障信息23的输入端，齿轮箱故障信息23的输出端连接在齿轮箱故障数据库24的输入端，齿轮箱故障数据库24的输出端连接在比较判断系统25的一个输入端，数据采集器10的输出端连接在小波算法21的输入端，小波算法21的输出端连接在比较判断系统25的另一个输入端，齿轮箱工作状态27的一个输出端和齿轮箱运行状态28的输出端同时连接到神经算法26的输入端，神经算法26的输出端连接在比较判断系统25的再一个输入端，比较判断系统25的输出端连接在齿轮箱工作状态27的输入端，齿轮箱工作状态27的另一个输出端同时连接在报表装置13的输入端、预警装置14的输入端和实时显示装置15的输入端。其它组成和连接关系与实施方式一相同。

结合图4的流程图分析来判断齿轮箱是否发生故障，将数据采集器10采集到的信号通过信号分析处理装置确定齿轮箱振动信号的方向和大小，通过小波算法21从微弱信号中提取故障信息。利用高速动车齿轮箱结构，通过模拟软件建立动态齿轮箱工作模拟软件22，通过植入齿轮箱故障信息23，得到高速动车齿轮箱在齿轮磨损、表面疲劳损伤、粘附磨损等齿轮损伤情况齿轮箱故障数据库24。将小波算法21提取的故障信息与齿轮箱故障数据库24的信息通过比较判断系统25相比较，得到高速动车齿轮箱工作状态27，输出给终端系统(报表13、预警14、实时显示15)。为了提高故障的诊断水平，将传感器监测的故障状态输入到神经算法26，然后将实际齿轮箱的运行状态28输入到神经算法26，通过不断学习，将最终的判断方法不断改进，并提供给比较判断系统，提高对齿轮箱故障的预判水平。

具体实施方式七：具体实施方式一中的齿轮故障数据库11的建立，利用高速列车齿轮箱及其相关万向轴等部件的实际尺寸，再根据列车实际运行速度，建立齿轮箱传动系统及结构系统的动力有限元分析模型，综合考虑轮齿刚度激励、误差激励和啮合冲击激励等内部动态激励的影响，应用ANSYS软件对齿轮箱的固有模态和内部激励下的动态响应进行有限元数值仿真；根据各种故障通过有限元模拟，得到各种故障情况下的特征谱；分析齿轮信号传递的路径过程中(齿轮-轴-轴承-箱体)受到的干扰，建立相应的齿轮箱故障诊断数据库。

Claims (4)

1.光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，其特征是它包括宽带光源(1)、光纤耦合器(3)、一号振动传感器(4-1)、二号振动传感器(4-2)、三号振动传感器(4-3)、一号光栅温度传感器(5-1)、四号振动传感器(6-1)、五号振动传感器(6-2)、六号振动传感器(6-3)、二号光栅温度传感器(5-2)、F-P滤波器(7)、锯齿波发生器(8)、光电探测器(9)、数据采集器(10)、齿轮故障数据库(11)、分析处理装置(12)、报表装置(13)、预警装置(14)、实时显示装置(15)、左半圆环形金属基底(17-1)和右半圆环形金属基底(17-2)，左半圆环形金属基底(17-1)与右半圆环形金属基底(17-2)组合为一完整圆环，所述圆环背面固定在要检测的齿轮箱壳体端部的上表面，宽带光源(1)的输出端通过传输光纤连接在光纤耦合器(3)的输入端，光纤耦合器(3)的一个数据交换端通过传输光纤将设置在左半圆环形金属基底(17-1)正面的一号振动传感器(4-1)、二号振动传感器(4-2)、三号振动传感器(4-3)和一号光栅温度传感器(5-1)串接，形成串接光路；光纤耦合器(3)的另一个数据交换端通过传输光纤将设置在右半圆环形金属基底(17-2)正面的四号振动传感器(6-1)、五号振动传感器(6-2)、六号振动传感器(6-3)和二号光栅温度传感器(5-2)串接，形成串接光路；光纤耦合器(3)的输出端连接在F-P滤波器(7)的一个输入端，锯齿波发生器(8)的一个输出端连接在F-P滤波器(7)的另一个输入端，F-P滤波器(7)的输出端连接在光电探测器(9)的输入端，光电探测器(9)的输出端连接在数据采集器(10)的一个输入端，锯齿波发生器(8)的另一个输出端连接在数据采集器(10)的另一个输入端，数据采集器(10)的输出端连接在分析处理装置(12)的一个输入端，齿轮故障数据库(11)的输出端连接在分析处理装置(12)的另一个输入端，分析处理装置(12)的输出端同时连接在报表装置(13)的输入端、预警装置(14)的输入端和实时显示装置(15)的输入端。

2.根据权利要求1所述光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，其特征在于振动传感器由弹性悬臂梁(18)、光纤光栅(19)和金属质量块(20)组成，弹性悬臂梁(18)的侧表面为等腰三角形，该等腰三角形底边对应的弹性悬臂梁(18)的底面固定在左半圆环形金属基底(17-1)或右半圆环形金属基底(17-2)上，光纤光栅(19)贴在弹性悬臂梁(18)的等腰三角形的中心线上，圆形的金属质量块(20)固定在弹性悬臂梁(18)的等腰三角形的顶点处。

3.根据权利要求2所述光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，其特征在于一号振动传感器(4-1)至三号振动传感器(4-3)沿圆周方向均匀分布在左半圆环形金属基底(17-1)的上表面，一号振动传感器(4-1)底边的长度方向与二号振动传感器(4-2)底边的长度方向相差45度角，一号振动传感器(4-1)底边的长度方向与三号振动传感器(4-3)底边的长度方向相差90度角，四号振动传感器(6-1)至六号振动传感器(6-3)沿圆周方向均匀分布在右半圆环形金属基底(17-2)的上表面，四号振动传感器(6-1)底边的长度方向与五号振动传感器(6-2)底边的长度方向相差45度角，四号振动传感器(6-1)底边的长度方向与六号振动传感器(6-3)底边的长度方向相差90度角。

4.根据权利要求1所述光纤在线式高速列车齿轮箱检测装置，其特征在于左半圆环形金属基底(17-1)还开有多个圆孔，所述多个圆孔在左半圆环形金属基底(17-1)上沿圆周均匀分布；右半圆环形金属基底(17-2)还开有多个圆孔，所述多个圆孔在右半圆环形金属基底(17-2)上沿圆周均匀分布。

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