基于光纖環(huán)聲發(fā)射的裝甲車側(cè)傳動故障診斷

魏 鵬，劉啟航，王澤林，陳娟麗，畢京紅，宋 娜，武 盼

(1.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；3.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

1 引言

裝甲車在人員運(yùn)輸、戰(zhàn)場作戰(zhàn)以及巡邏預(yù)警等方面都發(fā)揮著不可替代的作用[1]。側(cè)傳動齒輪箱作為保障裝甲車正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其健康狀態(tài)直接影響到它所連接的機(jī)械旋轉(zhuǎn)體的性能，對其檢測具有重要意義[2-3]。

目前，對齒輪箱檢測手段豐富多樣，包括油液分析、振動分析等[4]。Lee等[5]通過對齒輪箱潤滑油中金屬顆粒的分析，對齒輪箱的壽命進(jìn)行了分析，顆粒中鐵含量激增時發(fā)生磨損。振動分析相較而言研究得更多更深入，Liao等[6]采用基于morlet的小波變換，結(jié)合CNN進(jìn)行齒輪箱故障診斷；Guan等[7]采用廣義解調(diào)方法提取部分振動信號，再進(jìn)一步處理，通過階譜分析進(jìn)行故障診斷；還有利用支持向量機(jī)、EEMD、奇異值分解等多種處理方法提取故障特征的研究[8-10]。但以上檢測或需取出油液檢測，或使用電傳感器檢測，在電磁干擾、油污環(huán)境下會受到干擾。

光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器是一種新型的光學(xué)傳感器，能夠敏感外界的物理變化量[11]。由于其原材料采用光纖，故相比傳統(tǒng)的傳感器，具有抗電磁干擾、本質(zhì)安全、絕緣性好、耐腐蝕等優(yōu)點，便于在齒輪箱所處惡劣環(huán)境下進(jìn)行測量[12]。

2 原理

2.1 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器工作原理

光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器是由單模光纖繞成環(huán)狀并纏繞在骨架上制成的，在感受到應(yīng)力波時，光纖被壓縮或拉伸，導(dǎo)致光纖中光的光程改變，使得輸出光的相位發(fā)生變化[13]。如圖1所示。實際使用中為保護(hù)傳感器中的光纖，會對其進(jìn)行封裝，使得光纖不再裸露于環(huán)境中。聲發(fā)射信號等應(yīng)力波從傳感器底座經(jīng)骨架傳遞，使環(huán)狀的光纖受到影響。

圖1 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器敏感原理Fig.1 Sensing principle of the fiber optical ring acoustic emission sensor

應(yīng)力波傳遞到光纖后引起其中光相位發(fā)生變化，主要有2個方面，包括應(yīng)變效應(yīng)引起的光纖長度變化Δφ1和光彈性效應(yīng)引起的光纖傳播特性變化Δφ2。

Δφ=Δφ1+Δφ2=βΔL+ΔβL

(1)

式(1)中：β為光纖的傳播常數(shù)；L為光纖的長度。

式(1)中的Δφ1為應(yīng)力波作用于光纖后產(chǎn)生軸向應(yīng)變所導(dǎo)致的相位變化，其表達(dá)式為：

(2)

式(2)中：E為光纖的楊氏模量；σ為光纖本身的泊松比；ΔP為應(yīng)力波信號作用于光纖上壓強(qiáng)的變化。

式(1)中的Δφ2為光纖以光纖折射率為主的本身性質(zhì)，在應(yīng)力波信號作用下改變，進(jìn)而導(dǎo)致的相位變化，可近似為：

(3)

式(3)中：p11和p12為光纖的光彈系數(shù)；n為光纖的折射率。

將式(2)與式(3)代入式(1)中，可以得到：

(4)

由此建立了光纖內(nèi)光信號的相位變化與應(yīng)力波信號之間的聯(lián)系。

在實際測量中，直接測量光的相位難以實現(xiàn)，多采用干涉來體現(xiàn)光的相位變化。由于邁克爾遜干涉不容易實現(xiàn)多通道測量，現(xiàn)場測量比較困難，法布里珀羅制作困難，成本較高。本文中對光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器采用馬赫曾德干涉來實現(xiàn)相位測量，并通過數(shù)字濾波器來抑制外界干擾引起的低頻噪聲，如圖2所示。激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)過耦合器1分為2束光強(qiáng)相同的相干光，分別進(jìn)入?yún)⒖急酆蛡鞲斜?，其中各有一只光纖環(huán)。傳感臂中的光纖環(huán)作為傳感器，接收應(yīng)力波信號影響，導(dǎo)致其內(nèi)相干光的相位改變，與放置于相對靜止環(huán)境中作為對比的參考臂產(chǎn)生相位差。其中參考臂與傳感臂均采用光纖環(huán)，以便調(diào)整傳感臂的光纖環(huán)時，參考臂能對應(yīng)調(diào)整，使得兩臂光路相匹配，從而消除溫度等環(huán)境因素對馬赫曾德干涉的影響。不同于傳感環(huán)要貼近聲發(fā)射源，以敏感聲發(fā)射信號，參考臂要避免聲發(fā)射源影響，因此放置在聲發(fā)射源遠(yuǎn)端并加裝隔振措施。在耦合器2處，參考臂和傳感臂中的光發(fā)生干涉，輸出的光信號就包含了2束相干光之間的相位差的信息。解調(diào)相位差，即可獲得傳感器敏感到的應(yīng)力波變化。

圖2 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器工作原理圖Fig.2 Working principle of the fiber optical ring acoustic emission sensor

2.2 共振解調(diào)原理

當(dāng)齒輪產(chǎn)生點蝕、裂紋等故障時，在齒輪以恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動過程中會發(fā)生周期性的碰撞，每次碰撞都會產(chǎn)生一個脈沖激勵信號。由于沖擊信號持續(xù)時間極短，故其在頻域上具有頻帶帶寬較寬的特性。在低頻段，信號被齒輪工作時的噪聲淹沒(軸承噪聲基本集中在低頻段)，不易檢測；在高頻段，信號受到的噪聲干擾少且弱，因此，可以通過檢測沖擊信號的高頻段信號來分析軸承故障。共振解調(diào)算法便是基于這個原理，一般包括通過帶通濾波器提取高頻信號，進(jìn)行包絡(luò)得到信號的包絡(luò)曲線，再低通濾波以提取故障頻率主要集中的頻段，并對其進(jìn)行頻譜分析，尋找故障的特征頻率[14-15]。

針對齒輪的故障特征頻率檢測，使用共振解調(diào)算法的步驟為：首先設(shè)計一個4階的巴特沃斯帶通濾波器，將檢測到的時域信號中的低頻與超高頻信號濾除；接著使用希爾伯特變換對上述經(jīng)過濾波的信號進(jìn)行包絡(luò)檢波；然后將信號通過一個1kHz的4階巴特沃斯低通濾波器，濾除高頻衰減信號；最后將信號進(jìn)行FFT運(yùn)算并取其絕對值，得到含有齒輪故障的頻譜圖。

根據(jù)行星齒輪箱數(shù)據(jù)，可以求出行星架相對于箱體的轉(zhuǎn)頻f1為2.153 r/s，從而求得該齒輪箱的嚙合頻率fm為：

fr=f1·z1=(f0-f1)·z2=103.337 Hz

(5)

式(5)中：太陽輪相對于箱體的轉(zhuǎn)頻f0為6.85 r/s；行星架相對于箱體的轉(zhuǎn)頻為f1；z1為齒圈齒數(shù)48；z2為太陽輪齒數(shù)22。

若齒圈的某個輪齒存在局部損傷，則在相對行星架的一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，故障輪齒將與所有行星輪嚙合，產(chǎn)生沖擊。所以，齒圈局部故障特征頻率為：

(6)

式(6)中：N為行星輪數(shù)量5；z1為齒圈齒數(shù)。

當(dāng)齒輪存在故障時，則共振解調(diào)后應(yīng)能檢測到該故障特征頻率，反之則檢測不到。

3 側(cè)傳動齒輪故障頻率檢測實驗

為了檢測光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器是否能檢測出側(cè)傳動齒輪的故障，設(shè)置了齒圈完好的齒輪和齒圈齒面存在缺陷的齒輪作為實驗對象。齒輪組內(nèi)齒圈的齒數(shù)為48，分度圓直徑288 mm；行星輪的齒數(shù)為13，分度圓直徑78 mm；太陽輪分為2個嚙合部分，齒數(shù)分別為40和22，分度圓直徑分別為 280 mm和132 mm；主動輪齒數(shù)為24，分度圓直徑為168 mm。齒圈齒面缺陷的齒輪實物和示意圖分別如圖3和圖4所示，圖3內(nèi)黃圈中是齒面缺陷，圖4內(nèi)黃色部分是齒面缺陷。

圖3 齒面缺陷圖Fig.3 Tooth surface defect

圖4 齒面缺陷示意圖Fig.4 Schematic diagram of tooth surface defects

將齒輪組用螺栓固定在側(cè)傳動實驗臺上，使用2組光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對側(cè)傳動齒輪的故障頻率進(jìn)行檢測。

對于傳感臂的光纖環(huán)，將傳感器底座涂抹適量的鋰基脂，1號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器安裝在側(cè)傳動試驗臺的黃色外殼頂部，并且使用綁帶進(jìn)行2次固定；2號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器放置在側(cè)傳動試驗臺的側(cè)面，并且使用布基膠帶進(jìn)行固定。具體放置位置如圖5所示。

圖5 光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器粘貼位置實物圖Fig.5 Physical drawing of pasting position of the fiber optical ring acoustic emission sensor

對于參考臂中與上述2個傳感器相匹配的光纖環(huán)，放置在距齒輪箱約3 m遠(yuǎn)處的工作桌上，并在參考臂光纖環(huán)下鋪墊厚海綿，使其不受齒輪箱影響。參考臂光纖環(huán)與傳感臂光纖環(huán)在同一廠房內(nèi)，以此消除環(huán)境溫度等其他因素影響。

實驗過程中使用光纖環(huán)檢測系統(tǒng),分別對安裝了具有齒面缺陷的齒圈、完好齒圈的齒輪箱進(jìn)行檢測與數(shù)據(jù)采集。在固定好光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器后，啟動實驗裝置進(jìn)行實驗，將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至410 r/min，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，打開光纖環(huán)檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集一段時間后停止采集更換齒圈進(jìn)行重復(fù)實驗。

4 結(jié)果分析

使用1號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對完好齒輪測得的時域數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，對其進(jìn)行FFT，求得其頻譜圖如圖6(b)所示，將頻域圖像低頻區(qū)域進(jìn)行局部放大得到圖6(c)，觀察其信號，可以看出，在100Hz附近出現(xiàn)一個峰值，在圖6中用紅圈圈出，幅值為3.061×10-6V，說明光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器測得了齒輪箱的嚙合頻率，周圍邊頻帶不明顯，多為一些噪聲信號。從圖6(b)中可以看到，傳感器檢測到高頻段信號頻率集中在30～40 kHz，故選該頻段內(nèi)的信號進(jìn)行共振解調(diào)，得到了齒輪箱振動信號低頻段頻譜，如圖6(d)所示。從圖6(d)可以看出，在低頻段，理論齒圈故障頻率10.764 Hz附近未檢測到峰值信號，所以推測該齒輪組齒圈不存在故障，與實際情況吻合。

圖6 1號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對完好齒輪的檢測信號圖Fig.6 Detection signal of No.1 fiber optical ring acoustic emission sensor to the intact gear

圖7 1號光纖環(huán)傳感器對齒圈齒面缺陷齒輪的檢測信號圖Fig.7 Detection signal diagram of No.1 fiber optical ring sensor to gear surface defect of the gear ring

使用2號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對完好齒輪測得的時域數(shù)據(jù)如圖8(a)所示，對其進(jìn)行FFT，求得其頻譜圖如圖8(b)所示，將頻域圖像低頻區(qū)域進(jìn)行局部放大得到圖8(c)，觀察其信號，可以看出，在100 Hz附近出現(xiàn)一個峰值，用紅圈圈出，幅值為1.416×10-6V，說明光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器測得了齒輪箱的嚙合頻率，周圍邊頻帶不明顯，多為一些噪聲信號。從圖8(b)中可以看到，傳感器檢測到高頻段信號頻率集中在30 kHz到40 kHz，故選該頻段內(nèi)的信號進(jìn)行共振解調(diào)，得到了齒輪箱振動信號低頻段頻譜如圖8(d)所示。從圖8(d)可以看出，在低頻段，理論齒圈故障頻率10.764 Hz附近未檢測到峰值信號，所以推測該齒輪組齒圈不存在故障，與實際情況吻合。

圖8 2號光纖環(huán)傳感器對完好齒輪的檢測信號圖Fig.8 Detection signal diagram of No.2 fiber optical ring sensor to the intact gear

使用2號光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對齒圈齒面缺陷的齒輪測得的時域數(shù)據(jù)如圖9(a)所示，對其進(jìn)行FFT，求得其頻譜圖如圖9(b)所示，將頻域圖像低頻區(qū)域進(jìn)行局部放大得到圖9(c)，觀察其信號，可以看出，在100 Hz附近出現(xiàn)一個峰值，用紅圈圈出，幅值為5.232×10-6V，說明光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器測得了齒輪箱的嚙合頻率，但嚙合頻率周圍的10 Hz間隔邊頻帶不明顯。從圖9(b)中可以看到，傳感器檢測到高頻段信號頻率集中在20～30 kHz，故選該頻段內(nèi)的信號進(jìn)行共振解調(diào)，得到了齒輪箱振動信號低頻段頻譜如圖9(d)所示。從共振解調(diào)結(jié)果圖中可以看出，在9.4 Hz處幅值出現(xiàn)一個峰值，即故障頻率fr附近幅值出現(xiàn)一個峰值，用紅圈圈出；并且在20 Hz，30 Hz附近都出現(xiàn)了峰值，即在故障頻率fr倍頻處都有峰值信號，用綠圈圈出，與理論吻合。通過上述結(jié)果圖，可以推斷出齒輪的齒圈存在缺陷，與實際情況相符。

圖9 2號光纖環(huán)傳感器對齒圈齒面缺陷齒輪的檢測信號圖Fig.9 Detection signal diagram of No.2 fiber optical ring sensor to gear surface defect of the gear ring

通過上述數(shù)據(jù)處理可以發(fā)現(xiàn)，光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器對側(cè)傳動齒輪的故障檢測，可從嚙合頻率的幅值高低以及共振解調(diào)頻譜中故障頻率處峰值存在與否這2個方面來實現(xiàn)。嚙合頻率處幅值對比表如表1所示。

表1 嚙合頻率處幅值對比表(V)Table 1 Amplitude comparison of meshing frequency

由表1可以看到，用2個光纖環(huán)測量2個齒輪都可以觀察到嚙合頻率，且正常齒輪嚙合頻率處幅值小，而齒面磨損嚙合頻率處幅值大。齒輪齒面磨損產(chǎn)生缺陷時，其嚙合頻率幅值會增大。從理論分析其原因，當(dāng)故障輪齒與其他齒輪嚙合時，將產(chǎn)生沖擊，對齒輪嚙合振動的幅值調(diào)制也越強(qiáng)。實驗結(jié)果與理論吻合。

通過光纖環(huán)聲發(fā)射傳感器采集到2種類型的內(nèi)齒圈振動信號，分別對其進(jìn)行共振解調(diào)，并分析故障特征頻率處有無峰值，得到共振解調(diào)頻譜對比表如表2所示。在對齒輪箱振動信號進(jìn)行共振解調(diào)，并且求其頻譜圖后，對于正常內(nèi)齒圈，頻譜圖中無法找到對應(yīng)的故障頻率；存在缺陷的內(nèi)齒圈，可以很明顯地找到故障頻率及其倍頻，符合實驗預(yù)期。

表2 共振解調(diào)頻譜對比表Table 2 Comparison of the resonance demodulation spectrum

5 結(jié)論

從實驗數(shù)據(jù)來看，有2個指標(biāo)可以區(qū)分是否產(chǎn)生故障：頻譜圖中嚙合頻率處幅值大小，共振解調(diào)后頻譜圖中特征頻率處是否存在峰值。

1) 針對第1個指標(biāo)，2種類型齒輪信號的頻譜圖都可以觀察到嚙合頻率，且嚙合頻率處的幅值也隨著故障嚴(yán)重程度而有所不同，正常齒輪嚙合頻率處幅值小，而齒圈齒面存在缺陷的側(cè)傳動齒輪嚙合頻率處幅值大。

2) 針對第2個指標(biāo)，與完好的齒輪相比，齒圈齒面缺陷的齒輪振動信號共振解調(diào)后的頻譜圖可以觀察到齒圈故障頻率值，而完好齒圈共振解調(diào)后的頻譜圖中，無法觀察到故障頻率值。故可認(rèn)為使用光纖環(huán)聲發(fā)射檢測系統(tǒng)成功檢測到了行星齒輪組的齒圈故障頻率。對同一傳感器，從嚙合頻率的幅值高低和共振解調(diào)后頻譜圖中有無故障頻率2個方面，都可以檢測側(cè)傳動齒輪的齒面缺陷。