一种光纤法测量齿轮油膜厚度的填块、测量装置及方法

1.本发明涉及齿轮润滑技术领域，具体涉及一种光纤法测量齿轮油膜厚度的填块、测量装置及方法。


背景技术：

2.齿轮作为机械传动过程中的重要部件，其工作状态及其使用寿命将决定机械装置是否能够正常运行。为保证齿轮可靠稳定的运行，应使齿轮处于良好的润滑状态。若润滑良好，则两齿面之间存在一层油膜，可防止因齿面直接接触而造成的磨损，并且该油膜的厚度是评判齿轮润滑状态的重要参数。由于齿轮传动过程中实时测量难度较大，因此传动齿轮之间的油膜厚度主要通过数值分析以及经验公式间接获得。由于数值分析和经验公式求得结果往往与实际具有一定误差，因此对传动过程中的齿轮油膜进行测量在工程应用上具有十分重要的意义。
3.目前测量油膜厚度常用的方法有电阻法、放电电压法、位移法、电容法、x射线投射法、光干涉法等，其中最有效的是电容法和光干涉法。但是这些方法常用于结构简化后的(圆盘与圆柱、圆盘与圆球、圆柱与圆柱)油膜测量，难以应用到齿轮运转状态下油膜的测试。电容测量法、超声测量法和放电电压法在滑油物性改变的情况下电容、声波传递时间与电阻发生改变，导致测量的准确度下降，而齿轮在转动过程中滑油温度以及滑油承受压力发生改变会导致滑油物性改变，故难以用于测量齿轮油膜厚度。光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向。而新型光纤传感器不外乎有以下特点：
4.(1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到的水平。
5.(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。
6.(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。
7.还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的任务。正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。但光纤传感器的光路布置较为困难，特别是布置在转动中的齿轮上，其光路布置更加困难。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种光纤法测量齿轮油膜厚度的填块、测量装置及方法，解决现有技术中传统测量油膜厚度方法难以应用于齿轮，而光纤传感器虽精度高但在转动齿轮上布置困难的问题。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：一种测量齿轮油膜厚度的填块，包括填块本体和安装在填块本体一侧的定位键，所述的填块本体为圆柱体形，定位键沿填块本体的母线方向布置在填块本体一侧；
10.所述的定位键上开设有封装槽，所述的封装槽用于封装玻璃，防止滑油对光纤造成损坏，所述的封装槽底部开设有入射光装置孔和反射光装置孔，所述的入射光装置孔和反射光装置孔贯穿填块本体；
11.所述的入射光装置孔和反射光装置孔在封装槽一侧的开口关于封装槽的中心对称，所述的入射光装置孔在填块本体内部中间位置有弯折，所述的入射光装置孔和反射光装置孔穿出填块本体时的位置相交。所述的入射光装置孔和反射光装置孔用于布设光纤。
12.本发明还具有如下技术特征：
13.所述的填块本体沿自身轴向方向开设有定位孔，所述的定位孔用于固定填块本体；
14.所述的封装槽位于定位键表面的中心。
15.一种光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置，所述的光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置包括相互啮合的主动轮和从动轮，主动轮和从动轮布置在具有喷油润滑以及回油能力的齿轮箱中；
16.所述的主动轮通过驱动电机驱动，且在主动轮啮合区涂抹反光材料，所述的从动轮上布置有上述的测量齿轮油膜厚度的填块和在从动轮内部布置的光纤传感器；
17.所述的从动轮上开设有穿线孔，所述的穿线孔和入射光装置孔以及反射光装置孔贯通，入射光装置孔以及反射光装置孔中分别布设有与光纤传感器连接的光纤；
18.所述的测量齿轮油膜厚度的填块布置在从动轮参与啮合的同一齿面两侧，且在从动轮两侧修型使得填块本体不受力；
19.所述的从动轴上还安装有滑环引电器，所述的滑环引电器与从动轴同轴连接，所述的滑环引电器还与信号处理系统连接。
20.所述的主动轮通过主动轴与驱动电机连接，从动轮通过从动轴与加载电机连接；
21.所述的驱动电机与加载电机上分别连接有驱动变频器。
22.所述的主动轴和从动轴上安装有扭矩仪，所述的齿轮箱上连接有滑油系统。
23.所述的光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置还包括光纤传感器，所述的光纤传感器安装在从动轮和从动轴连接位置处的从动轴的内部。
24.一种测量齿轮油膜厚度的方法，该方法采用上述的装置实现，包括以下步骤：
25.步骤一：通过驱动电机驱动主动轮转动，主动轮带动从动轮同步运动，主动轮和从动轮构成被测齿轮副；
26.步骤二：通过滑油系统向齿轮箱中的被测齿轮副的啮合区域提供润滑油，使所述被测齿轮副的啮合区域形成油膜；
27.步骤三：使用安装在从动轴上的光纤传感器进行测量，光纤传感器通过测量齿轮副齿面间的距离差，即得到被测齿轮副的油膜厚度。
28.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
29.(ⅰ)本发明设计的光纤法测量齿轮油膜厚度的填块，解决了现有技术中存在的光纤传感器的光路布置困难的问题，使得光纤传感器能更好的运用于各种转动机械尤其是齿
轮的油膜厚度的测量，
30.(ⅱ)本发明的光纤法测量齿轮油膜厚度的装置，可以对齿轮的油膜厚度进行精确测量，而且结构简单，使用方便，可以极大的节约人力物力。
附图说明
31.图1是本发明结构示意图。
32.图2是本发明剖视图。
33.图3是图2的a向示意图。
34.图4是图2的b向示意图。
35.图5是本发明光纤传感器测量直齿轮油膜厚度装置结构示意图；
36.图6是本发明光纤引线结构示意图。
37.图7是本发明安装示意图。
38.图8是本发明从动轮齿面两侧修型示意图。
39.图9是本发明光纤传感器测量直齿轮油膜厚度实验装置示意图。
40.附图中各个标号含义：1-填块本体，2-定位键，3-封装槽，4-入射光装置孔，5-反射光装置孔，6-定位孔，7-主动轮，8-从动轮，9-齿轮箱，10-驱动电机，11-穿线孔，12-滑环引电器，13-信号处理系统，14-主动轴，15-从动轴，16-加载电机，17-驱动变频器，18-扭矩仪，19-滑油系统，20-光纤传感器。
41.以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
42.以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
43.本发明所用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“内”、“外”是指相应部件轮廓的内和外，不能将上述术语理解为对本发明的限制。
44.在本发明中，在未作相反说明的情况下，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.本发明中的所有部件，如无特殊说明，全部采用现有技术中已知的部件。
46.实施例1：
47.遵从上述技术方案，如图1～图4所示，一种光纤法测量齿轮油膜厚度的填块，包括填块本体1和安装在填块本体1一侧的定位键2，所述的填块本体1为圆柱体形，定位键2沿填块本体1的母线方向布置在填块本体1一侧；所述的定位键2用于将填块本体1沿齿廓方向定位。
48.所述的定位键2上开设有封装槽3，所述的封装槽3采用玻璃封装，防止滑油对光纤
造成损坏，所述的封装槽3底部开设有入射光装置孔4和反射光装置孔5，所述的入射光装置孔4和反射光装置孔5贯穿填块本体1；为方便维修和拆卸方便，故将光纤法测量齿轮油膜厚度的填块以分块的形式装在齿轮上。
49.所述的入射光装置孔4和反射光装置孔5在封装槽3一侧的开口关于封装槽3的中心对称，所述的入射光装置孔4在填块本体内部中间位置有弯折，所述的入射光装置孔4和反射光装置孔5穿出填块本体1时的位置相交。由于填块本体1中心打孔，为避免入射光装置孔和接受反射光装置孔与定位孔6重合影响引线，故将这两个孔斜着穿出。所述的入射光装置孔4和反射光装置孔5用于布设光纤。
50.作为本实施例的一种优选：
51.所述的填块本体1沿自身轴向方向开设有定位孔6，所述的定位孔6用于固定填块本体1；
52.所述的封装槽3位于定位键2表面的中心。
53.如图5～图9所示，一种光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置，所述的光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置包括相互啮合的主动轮7和从动轮8，主动轮7和从动轮8布置在具有喷油润滑以及回油能力的齿轮箱9中；
54.所述的主动轮7通过驱动电机10驱动，所述的从动轮8上布置有上述的测量齿轮油膜厚度的填块和在从动轮内部布置的光纤传感器20；
55.所述的从动轮8上开设有穿线孔11，所述的穿线孔11和入射光装置孔4以及反射光装置孔5贯通，入射光装置孔4以及反射光装置孔5中分别布设有与光纤传感器连接的光纤；
56.作为本实施例的一种优选：
57.所述的测量齿轮油膜厚度的填块布置在从动轮8参与啮合的同一齿面的两侧；使用时，在齿面的两端开设与光纤法测量齿轮油膜厚度的填块形状一致的槽，用于布设光纤法测量齿轮油膜厚度的填块；
58.为保证齿轮动平衡以及测量齿轮油膜厚度的精度，在同一齿面两侧放置测量齿轮油膜厚度的填块，且测量齿轮油膜厚度的填块关于齿轮轴线对称放置。为提高测量齿轮油膜厚度的精度，在沿齿轮半径方向不同位置处放置测量齿轮油膜厚度的填块，以测得齿轮啮合区不同位置的油膜厚度。
59.所述的从动轴15上还安装有滑环引电器12，所述的滑环引电器12与从动轴15同轴连接，所述的滑环引电器12还与信号处理系统13连接。
60.作为本实施例的一种优选：
61.所述的主动轮7通过主动轴14与驱动电机15连接，从动轮8通过从动轴15与加载电机16，加载电机16对从动轮8加载反向力矩，实现齿轮齿面啮合是的力矩加载；
62.所述的驱动电机10与加载电机16上分别连接有驱动变频器17，驱动变频器17用以控制驱动电机10与加载电机16的启停和调节其转速。
63.作为本实施例的一种优选：
64.所述的主动轴14和从动轴15上安装有扭矩仪18，扭矩仪18用于测量主动轴14和从动轴15上的转矩、转速和功率，所述的齿轮箱9上连接有滑油系统19，该滑油系统还可以给进行滑油降温。所述的光纤传感器测量齿轮油膜厚度的装置还包括光纤传感器，所述的光纤传感器安装在从动轴15内部，光纤传感器产生探测光，通过光纤将探测光传递到入射光
装置处，发出入射光，同时接受通过光纤传递回的反射光，将光信号转化为电信号输出。
65.为消除齿轮运转啮合面挤压的力矩不稳定性和降低齿轮运转的速度波动，增加齿盘与齿轴的重量，即增加了齿轮的转动惯量。在齿轮上打孔，将光纤从齿轮内部穿过，在通过从动轴内部安装光纤传感器将光信号转化为电信号，电信号通过滑环引电器12引出，解决了齿轮转动过程中难以将光信号引出的问题。
66.光信号转换为电信号之后在信号处理系统13中转换为待测油膜厚度。
67.一种光纤法测量齿轮油膜厚度的方法，该方法采用上述的装置实现，包括以下步骤：
68.步骤一：通过驱动电机10驱动主动轮7转动，主动轮7带动从动轮8同步运动，主动轮7和从动轮8构成被测齿轮副；
69.步骤二：通过滑油系统19向齿轮箱9中的被测齿轮副的啮合区域提供润滑油，使所述被测齿轮副的啮合区域形成油膜；
70.步骤三：使用安装在从动轴15上的光纤传感器进行测量，光纤传感器通过测量齿轮副齿面间的距离差，即得到被测齿轮副的油膜厚度。
71.光纤传感器先将齿轮油膜厚度转化成光信号，之后将光信号转化为电信号输出，并且通过滑环引电器12将电信号引出，经过信号处理系统13处理后，得到了齿轮啮合整个过程中油膜厚度。
72.光线从光纤传感器2发出，通过光纤到达入射光装置孔4出口斜向射入到齿轮啮合区，穿过油膜到达主齿轮7的啮合区上，然后被主齿轮7上的反光材料反射到反射光装置孔5入口，齿轮啮合过程中油膜厚度不断发生改变从而产生不同的光信号，不断改变地光信号通过光纤首先经过反射光装置孔5，再通过光纤回到光纤传感器2，光纤传感器2将光信号转化为电信号，电信号经过滑环引电器12引出后，电信号到达信号处理系统13中，在信号处理系统13中将电信号转化为齿轮油膜厚度值。
73.以上所述，仅是本发明的较优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，不经创造性劳动想到的变化或替换，都涵盖在本发明的保护范围之内。