應用光纖傳感器在線監測動車組齒輪箱和萬向軸的探討

魏永久，劉盛春

（1 沈陽鐵路局 科學技術研究所，遼寧沈陽110013；2 黑龍江大學 物理科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150080）

齒輪箱和萬向軸是動車組走行部的重要部件，它們的工作狀態直接影響動車組運行安全，動車組的動力電機通過萬向軸驅動輪的高速旋轉來實現動車組在線路上高速行駛。為此，在動車組的日常檢修工作中，非常重視萬向軸的檢查，并需要定期拆下進行動平衡試驗，以確保萬向軸處于良好地工作狀態。多年來開行動車的實踐證明由于動車組的齒輪箱和萬向軸經常處于高速旋轉狀態，在運行中萬向軸和萬向軸驅動齒輪箱存在偶發故障現象，比如振動異常、發熱溫度升高等故障現象［1-3］。此種故障在地面檢測時不容易發現，因此需要對萬向軸進行實時監測，及時發現故障。

但目前對其實現在線監測是一個難題，特別是在高速鐵路這樣比較復雜的環境下，由于受到電磁干擾，惡劣環境的影響，對其進行安全可靠的監測更為困難。而光纖傳感器具有抗電磁干擾，能適應復雜的工作條件，可以用來測量比如應力、位移、壓強、溫度、角速度、加速度等多種物理量［4-7］，還可以完成許多現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間和惡劣的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的優勢。因此，光纖傳感技術在齒輪箱檢測上應該有很好的應用前景。

本文探討了一種基于光纖傳感器來實現對運行中萬向軸和齒輪箱的工作狀態進行實時監測的技術方案。通過引入光纖傳感器，利用其光學傳感特性來測量萬向軸、齒輪箱外側的振動和溫度信號。通過對箱體振動信號的監測來提取齒輪的振動信號，然后實時分析動車組的動平衡以及齒輪箱、萬向軸的損傷情況。設計了一種圓環基底的光纖監測模塊，并在試驗室環境下進行振動試驗來驗證模塊的振動信號拾取有效性。

1 傳感器的安裝與設計原理

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

圖1 圓環形傳感基底與齒輪箱外側安裝圖

試驗中，要真實測量萬向軸、齒輪箱傳遞到齒輪箱外側的振動信號，還要保證動車的正常運行。選擇了齒輪箱外側基盤作為感測信號位置，具體部位見圖1（a）所示，這個基盤有8個定位螺絲，故設計了一個能固定在螺絲之上的傳感拖盤，然后通過在拖盤定向設置的傳感器進行信號的感測。在齒輪箱外側最接近萬向軸的位置粘貼6個光纖光柵振動傳感器，通過對這6個傳感器振動信號的采集和分析來判斷車輛的動平衡狀況以及萬向軸、齒輪箱的損傷情況。同時粘貼2個壓電振動傳感器用作對比與校準。

針對振動測量，設計為一個等腰三角形的彈性懸臂梁型光纖振動傳感器，如圖2所示。三角形梁的底邊焊接在半圓環基底的凹槽內，傳感光柵貼在三角形梁的中心線上。在三角形梁的頂點處固定一個圓形的金屬塊作為振動傳感器的質量塊。構成質量—慣性系統，齒輪箱的振動將轉變為傳感光柵上波長的變化。

當以三角形懸臂梁的頂點為坐標原點，建立如圖2所示的坐標系。設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，當有z方向的振動信號時，傳感器的基座和質量塊之間會產生相對運動，此時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分別表示慣性質量和懸臂梁的質量。通過式（1）可知，諧振頻率的平方與梁體質量以及慣性質量成反比，與梁體的楊氏模量成正比，與梁體的幾何參數（WL×H3／L3）成正比。對于給定材料的懸臂梁，調整厚長比（H／L）可以改變它的諧振頻率。

試驗中采用3GR13作為懸臂梁的材料，其Ecant=2.05×105MPa，當一個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，懸臂梁的質量m=mc=10.0g，懸臂梁上使用的質量塊的質量在1.0～2.5g之間。根據式（1），如果底邊長為3.4cm，則對應的諧振頻率為903Hz。通過以上分析可知，懸臂梁式光纖光柵振動傳感器可以實現頻率在0～900Hz的振動信號測量。因為齒輪箱的振動頻譜一般都在800Hz以下，所以這個頻段也基本滿足了萬向軸和齒輪箱故障頻率和動平衡檢測頻率要求。

2 光柵加速度傳感器振動測量試驗裝置

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振動臺作為振動信號發生裝置，信號發生器產生正弦信號，然后通過功率放大器將正弦信號放大來驅動振動臺產生振動信號。為了固定半圓環形傳感基底，我們做了一個剛性支座，然后將半圓環形傳感基底固定在剛性支座上。固定孔嚴格按照動車齒輪箱外側基盤的螺絲孔設計。

圖3 光柵加速度傳感器振動測試系統

圖4 振動信號測試的傳感器實際安裝

圖5 兩半圓環形傳感基底6個光纖光柵波長譜圖

振動測試時，如圖4所示，將半圓環形傳感基底固定在振動臺支座上，施加在振動臺支座上的振動信號將使半圓形傳感基底上的懸臂梁產生形變，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生動態變化。通過光纖光柵動態解調儀可以解調動態波長變化情況，從而還原振動信息。通過信號發生器提供正弦信號，然后通過功率放大器驅動振動平臺產生振動。通過光纖振動傳感器將振動信號拾取，然后通過我們研制的解調儀實現波長信號的解調。并且在振動平臺上放置一標準壓電傳感器，用壓電式加速度計（型號為AWA5933）測量振動臺產生的振動信號，用來與光纖振動傳感器比較，標定光纖振動傳感器。試驗中選取不同波長的6個光纖光柵來進行測量，為了避免測量過程中，波長串擾產生的噪聲，6個光纖光柵的波長間隔大于2nm。如圖5所示，利用SM130動態解調儀測得的靜態無應力時6個光纖光柵波長譜圖。

3 試驗與理論結果對比分析

為了測試6個加速度計的測量結果，在振動臺上施加了垂直方向的振動。圖6給出了不同方向傳感器的響應情況。曲線1（藍色曲線）是垂直光柵傳感器的傳感信號，由于它的布置方向與振動方向一致，此傳感器理論上無任何波長變化。試驗結果驗證理論，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。曲線2（黑色）是水平放置的光柵傳感器的傳感信號，它感應垂直振動信號的能力最強，波長漂移最大。曲線3（黃色）和4（綠色）是互相垂直的兩個光纖傳感器的傳感信號，并且這兩個傳感器分別與垂直方向成45°，并且這兩個傳感器對垂直振動信號具有基本相同的響應。這些結果基本上與理論預期的傳感器響應是一致的，說明光纖光柵傳感器可以實現對振動信號的監測。

圖6 不同光纖光柵傳感器的振動信號拾取

為了研究傳感器對不同頻率振動信號的響應特性，同振幅不同頻率的振動信號被加在振動臺上，圖7顯示了不同頻率振動信號條件下光纖光柵采集振動信號的情況。利用光纖光柵傳感器將振動信號拾取，通過解調儀解調出波長信號，進而把波長信號轉換為加速度信號，然后利用傅立葉變換（FFT）處理，得出監測振動信號的頻率信息。從圖7中可以看出，在同樣振幅情況下，不同頻率的振動信號通過光纖光柵采集后，強度是相同的。說明懸臂梁式光纖光柵傳感器在不同振動頻率下的振動響應是穩定的，并且頻率測量十分準確，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響應情況。隨意選取300Hz振動信號作為測試信號，并與壓電陶瓷傳感器進行了比較，以便對懸臂梁式光纖光柵傳感器進行定標。從圖8可以看出，壓電陶瓷傳感器的監測結果和光纖光柵傳感器的監測結果基本一致。但是在非常小的加速度情況下，壓電陶瓷傳感器基本監測不到信號。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，可以實現從小加速度信號到大加速度信號全范圍的監測。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性能。

圖7 250Hz和500Hz頻率的振動信號下水平光柵的信號監測情況

圖8 不同加速度條件下300Hz振動信號的監測結果

圖9為振動頻率在50～1 100Hz時，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附近有一個明顯的諧振峰，這個諧振峰是半圓環基片和測試支座結合在一起產生的低頻諧振峰。在實際工作中，齒輪箱的實際質量和體積都遠大于光纖光柵傳感基底，因此不會產生這個低頻的諧振峰。理論分析是懸臂梁式光纖光柵振動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區間的曲線較為平坦，在900Hz有個主諧振峰，這與理論分析相一致。從圖10的試驗結果可以看出，此試驗結果基本滿足800Hz以下傳感信號測試要求。信號的信噪比達到35dB，頻率測量準確。因此具備了基本的測試條件，可以實現對齒輪箱故障進行在線監測。齒輪箱的異常還會對溫度產生影響，使齒輪箱產生異常溫度變化。光纖溫度傳感器計劃粘貼在半圓環傳感基底上，因此光纖光柵溫度傳感器基本不受加速度信號影響，只能感受基底溫度場變化。同時為了防止實際測量時動車高速行駛的湍流干擾，半圓形基底外部將密閉一個金屬殼，整個傳感基底都將密閉在金屬殼內。由于齒輪箱故障溫度變化應該是一個比較緩變的量，因此殼內的溫度場在動態監測是可以看作緩變量。溫度傳感器測量的溫度可以反應齒輪箱的溫度變化，同時還可以用其與測量的振動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曲線

4 結束語

高速運行的動車組存在嚴重的力學干擾、湍流干擾、電磁干擾，傳統的傳感器很難適應這種惡劣環境。光纖傳感器憑借其高靈敏度、低噪聲、小體積、低成本、壽命長等技術優勢，可以避免電磁噪聲干擾。因此利用光纖光柵傳感器代替傳統的壓電傳感器，是齒輪箱監測的更優選擇。

光纖傳感器對高速旋轉的萬向軸和齒輪箱進行在線監測，是通過分析萬向軸和齒輪箱的振動頻譜和溫度變化來實現的，進而避免動車組事故的發生。通過試驗表明，光纖光柵傳感器在50～800Hz區間響應曲線較平坦，能夠滿足齒輪箱和萬向軸動態傳感要求。光纖光柵傳感器在小振動信號情況下，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壓電傳感器更有優勢。

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