摘 要

振动对轮对波磨的形成及对旋转机械的安全性和可靠性都有重要影响。在机械装备设计制造及运行中广泛地存在着机械振动等问题，通过对机械振动的测量分析和控制各种机械振动问题。而传统基于电测的传感器存在着分布检测、稳定性、和耐久性的问题，特别地对于危险区域如易燃易爆场合和强电磁场环境，若必须要通过电信号进行检测和传输的情况，就很难地消除安全隐患。因此对可替代传统电测传感器测量机械振动的研究一直是国内外关注的重点。而光纤光栅传感技术有效地弥补了电类传感技术的缺点，是解决复杂环境中机械振动测量的良好技术手段。

本文结合了光纤光栅传感的特性，把光纤光栅传感技术在机械装备中的应用作为切入点，提出基于光纤光栅理论进行机械振动检测的方法。进而总结基于光纤光栅原理的机械振动测量技术的特点;结合光纤光栅传感技术设计了双轮实验台的振动测量系统；本文提出一种基于光纤光栅传感理论的扭振测试新方法。该方法将等强度梁作为基片，光纤光栅粘贴在其上，机械振动产生的应变传递到感知应变梁上，从而光纤光栅获到波长漂移的变化，通过在双轮实验台旋转状态进行机械振动实仿真验证，初步验证该方法的可行性，基于该原理的测试系统具有测量精度高、原理简单等优点。

关键词：光纤光栅；传感器；双轮实验台；扭振检测

Abstract

Vibration has an important effect on the formation of wheel-shave wave grinding and on the safety and reliability of rotating machinery. In the design, manufacture and operation of mechanical equipment, there are many problems such as mechanical vibration. Through the measurement and analysis of mechanical vibration and control of various mechanical vibration problems. However, traditional sensors based on electrical measurement have problems of distribution detection, stability, and durability. In particular, in the case of hazardous areas such as flammable and explosive environments and strong electromagnetic environment, if it is necessary to detect and transmit electrical signals, It is difficult to eliminate security risks. Therefore, the research on measuring mechanical vibrations that can replace traditional electrical sensors has always been the focus of attention at home and abroad. The FBG sensing technology effectively compensates for the shortcomings of the electrical sensing technology and is a good technique for solving mechanical vibration measurements in complex environments.

        In this paper, the characteristics of fiber grating sensing are combined, and the application of fiber grating sensing technology in mechanical equipment is taken as the starting point. A method of detecting mechanical vibration based on fiber grating theory is proposed. Then, the characteristics of mechanical vibration measurement technology based on the principle of fiber grating are summarized. The vibration measurement system of two-wheel experiment platform is designed in combination with fiber grating sensing technology. This paper proposes a new method of torsional vibration testing based on fiber grating sensing theory. In this method, an equal-strength beam is used as a substrate, and an optical fiber grating is affixed thereon. The strain generated by the mechanical vibration is transmitted to the perceptually-strained beam, so that the wavelength shift of the optical fiber grating is obtained, and mechanical vibration is performed through the rotation state of the two-wheel experimental table. Real simulation verification, preliminary verification of the feasibility of the method, the test system based on this principle has the advantages of high measurement accuracy, simple principle, etc.

Keywords: fiber grating; sensor; two-wheel test bench; torsional vibration detection

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2课题研究意义 1

1.3国内外扭振测试技术研究历程及现状 2

1.3.1国内外研究历程 2

1.3.2国内外研究现状 2

1.4轴系扭振测量方法 3

1.5本文研究的主要内容 4

第2章 轴系扭振测量方法研究 6

2.1光纤光栅传感原理 6

2.2典型光纤式扭振测量系统 8

2.3基于光纤光栅创新式扭振测量方法 9

2.4基于光纤光栅扭振测量的传感器 18

2.4.1传感器设计的原理 18

2.4.2传感器的结构设计 18

2.4.3测量原理和具体实施方案 20

2.4.4受力分析及理论数学模型 20

2.5 本章小结 24

第3章 双轮实验台 25

3.1双轮实验台结构及功能 25

3.2本章小结 26

第4章 仿真实验验证分析 27

4.1仿真分析简介 27

4.2基于有限元的机械仿真分析 27

4.2.1 ANSYS仿真分析流程 27

4.2.2 轴系扭振系统ANSYS仿真分析 28

4.2.3 仿真结果分析 31

4.3本章小结 32

第5章 结论与展望 33

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究背景

随着我国铁路交通的快速发展，交通工具的运营速度也不断提高。车辆轨道部件振动加剧，轮轨相互作用增强，这也加剧了部件疲劳失效及轮轨磨损^[1]。虽然轮轨设计的几何参数、生产加工材料以及相关技术在不断进步，但至今仍未完全解决脱轨、轮轨伤损^[2]、轮轨噪声等轮轨运营中的一系列问题^[3]，其中比较普遍的问题为钢轨波浪形磨损。铁路钢轨波磨会导致轨道及车辆的强烈振动^[4] 、噪声，影响旅客乘坐舒适度和车辆的运行品质，甚至会导致列车脱轨事故。 经研究发现，车轮的扭转振动^[5] 是影响波磨形成的重要因素，并直接影响机械运转的安全性和可靠性^[6]，所以如何实现对轮对振动的测量对车辆轨道交通有深远的意义^[7]。以车轮为例的旋转机械不仅是我国国民经济和国防事业中广泛应用的重要装置，它也是全球各行各业一种常见的关键设备。由于轴系的扭转振动的性能对旋转机械的可靠性和安全性有着直接的影响，因此对轴系扭振的检测就具有十分重大的意义。

1.2课题研究意义

汽车动力系统是一个多自由度复杂的扭振系统，由离合器、发动机、传动轴、变速器等组成，各部件的扭转刚度和转动惯量分布都不均匀^[8]。车辆在行驶过程中，路面的输入激励、传动系统中齿轮间隙作用等都会使传动系统发生扭转振动。发动机的振动，驱动桥振动、轴向振动，车身振动等还会与传动系统的扭转振动相互耦合，这些都是车辆噪声和振动的最主要的来源^[9]。

而在车辆振动和噪声的来源中，严重的扭转振动将会使轴系的动载荷加剧^[10]，导致传动齿轮齿面点蚀或断裂、曲轴断裂等等，这增加了事故发生的可能性，也降低了零部件工作的耐久性和可靠性^[11]，影响了人们在乘坐车辆时的舒适性^[12]。研究扭振测量方法的意义^[7]主要有以下几方面：

（1）研究轴系扭振模型。建立轴系扭振模型来研究轴系的扭振^[13] ，在其过程中模拟计算量比较庞大，因而使建模变得异常地复杂。即使课通过用机械理论来完成建模工作，但仍然需要用轴系扭振仪器等设备以检验数学模型，验证是否准确。

（2）测试轴系的扭振性能^[9]。扭振因素在大型机组的转子主轴的设计过程中都会被考虑在内以保证轴系的工作安全^[14]。

（3）监测主轴扭振情况。

（4）机械故障诊断应用^[15]。测量主轴的扭振数据并分析计算，再结合机械机构的建模技术，能够部分识别机械内部的故障来排除安全隐患^[16]。

（5）测试技术发展需要。基于光纤光栅传感检测原理^[7]的机械扭振测量方法的应用可以提高机械扭振测量的精度及其可靠性并能使检测仪器更简单，降低制造成本。

1.3国内外扭振测试技术研究历程及现状

1.3.1国内外研究历程

19世纪末，随着船舶工业中断轴事件的不断发生，人们开始对轴系系统中存在的机械扭振问题展开研究。1916年，Geiger发表了在轴系机械扭振问题研究的相关论文，总结了一些关于扭振问题处理的方法。1921年，轴系系统固有振型计算的Holzer表格算法被霍尔茨提出并被沿用至今。1958年《扭振手册》被E.J.Nestorides 编制出来^[17]。

20世纪中期，扭振研究进入了一个快速发展时期。随着计算机越来越强大的运算能力，出现了一些新算法，比如有限元法以及系统矩阵法等提高了系统扭振计算的准确性，进而促进了对扭振问题的深入研究。扭振测试的精度以及准确性，在磁电及光电式传感器的应用下也得到了保证，这也为扭振系统的研究提供了技术保障。1979年，Healy等人通过实验分析证明了传动系的振动引起了车内噪声的很多共振。

20世纪90年代，国外更全面深入地研究扭振问题。1991年，Exner和Amborn通过测试指出振动的主要激励源是发动机的气体爆发惯性力和压力。1993年，K. Wakabayashi通过求解扭振横向轴向等扭振，论述了它们间的耦合关系，也对轴系扭振的机理进一步研究。

国内开始对汽车动力传动系扭振的研究出现在20世纪80年代。在90年代，1991年，最优动力学修改原理由吕振华等发展起来^[18]，1994年，曲守平等采用ERA算法建立了扭振整车振动分析模型，建立了整车振动方程。1998年，尹浚调整系统的固有频率，改变动力传动轴的动态刚度，研究了系统固有频率对扭振的影响，改善了扭振问题。

1.3.2国内外研究现状

近几年，Wang利用所建立的非线性多自由度模型分析了扭振系统中的自激励和稳定性问题。Shigetaro通过实验验证了分块建模的可行性。Craig对比了仿真与实验结果，提出了用两个刚体和大刚度弹簧来代替万向节的建模途径。Farshidianfar通过用Matlab建模的方法，对低频及高频噪声提出了仿真研究。

近些年来，国内更细致地研究扭振问题。2002至2003年，吕振华等建立了周向短弹簧的双质量飞轮DMF- CSS扭振减振器和径向弹簧的双质量飞轮DMF- RS扭振减振器扭转刚度以及弹性表达式的计算公式^[19]。董大伟等人在2006年成功开发出扭转振动分析软件TVCA。2008-2009年，李伟^[18] 、史文库、龙岩等分析了离心摆式的减振器和四连杆机构减振器的弹性特性，进而总结出减振器的刚度设计和优化的方法^[17]。

1.4轴系扭振测量方法

现今轴系扭振测量方法大致有三种：应变片法、编码盘法和激光多普勒法^[20]。各方法都存在着优缺点以及相适应的应用场合^[7]。