基于薄膜傳感器的傳動(dòng)錐齒輪柔性測試技術(shù)

摘 要： 通過分析濺射氣壓對(duì)PdCr 薄膜電阻溫度系數(shù)的影響以及退火條件對(duì)Pt 薄膜電阻率的影響，采用掩模板方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)變薄膜與熱電阻薄膜圖形化處理，并利用高溫銀漿燒結(jié)實(shí)現(xiàn)引線與敏感層薄膜的穩(wěn)定連接，建立由Ni 基合金基帶、Y2O3 過渡層、AlON-Al2O3 復(fù)合絕緣層、PdCr 應(yīng)變敏感層/Pt 熱電阻敏感層、Al2O3 防護(hù)層組成的薄膜傳感器設(shè)計(jì)方法。將薄膜應(yīng)變傳感器、薄膜熱電阻傳感器同時(shí)柔性安裝于傳動(dòng)錐齒輪進(jìn)行試驗(yàn)測試。結(jié)果表明，在外部應(yīng)力較高時(shí)薄膜應(yīng)變傳感器線性度為0.243%；薄膜熱電阻傳感器ΔR/ΔT 斜率為0.452 9，線性度較好。

關(guān)鍵詞： 過渡層與復(fù)合絕緣層制備; 敏感層制備及圖形化; 引線連接; 柔性安裝

中圖分類號(hào)： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）03–0170–07

0 引 言

直升機(jī)作為一種特殊類型的飛行器，旋轉(zhuǎn)部件和運(yùn)動(dòng)部件是其升力及動(dòng)力的主要來源。由于直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)至旋翼系統(tǒng)僅有一條負(fù)荷通道，動(dòng)力傳動(dòng)鏈?zhǔn)遣荒苋哂鄠浞莸年P(guān)鍵部件，因此該通道上任何一個(gè)部件出現(xiàn)故障都會(huì)對(duì)飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。然而，由于材料缺陷、制造誤差、運(yùn)行環(huán)境等因素及疲勞、老化等效應(yīng)，動(dòng)力傳動(dòng)鏈中廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)齒輪極易出現(xiàn)不同軸、偏心、局部異常等問題，成為直升機(jī)發(fā)生災(zāi)難事故的重要原因之一[2]。

傳動(dòng)齒輪狀態(tài)監(jiān)測一般采用振動(dòng)信號(hào)。如南昌航空大學(xué)徐英帥通過對(duì)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)分析進(jìn)行故障診斷[3]；國防科技大學(xué)沈國際對(duì)振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)開展了深入的研究，為直升機(jī)齒輪箱故障早期檢測提供了有效的技術(shù)手段[4]；中國民航大學(xué)李耀華提取齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的小波包熵作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征輸入向量，提高了傳動(dòng)齒輪診斷精度[5]。

然而，振動(dòng)信號(hào)難以識(shí)別高階模態(tài)故障，僅采用振動(dòng)信號(hào)無法進(jìn)一步提高故障診斷準(zhǔn)確度[6]。因此，需要同步獲取傳動(dòng)齒輪本體的應(yīng)力、溫度狀態(tài)信息，以增加故障診斷數(shù)據(jù)的熵[7]。如西北工業(yè)大學(xué)付晨曦通過對(duì)傳動(dòng)齒輪振動(dòng)、應(yīng)變信號(hào)綜合分析，精確評(píng)估了直升機(jī)齒輪分扭傳動(dòng)主減速器的動(dòng)態(tài)特性和均載特性[8]；國防科技大學(xué)程哲基于應(yīng)變應(yīng)力表征機(jī)件斷裂程度，確定傳動(dòng)齒輪臨界裂紋尺寸，提高了齒輪故障預(yù)測精度[9]；國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)林澤錦開展失去潤滑條件下直升機(jī)傳動(dòng)齒輪溫度場分析研究，提出了提高傳動(dòng)齒輪抗失效能力的技術(shù)途徑[10]。

目前，可用于機(jī)械部件應(yīng)變、溫度測量的傳感器主要有應(yīng)變片、熱電偶。如湖南大學(xué)龍繼國采用電阻法測試齒輪應(yīng)力，通過在齒根被測點(diǎn)位置及應(yīng)變片上涂抹專用膠水進(jìn)行安裝固定[11]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)何曉輝利用箔式電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)齒根彎曲應(yīng)力測量，該應(yīng)變片由基底、敏感柵、覆蓋層和引線等部分組成，并通過粘貼劑粘貼到齒輪表面[12]。然而，傳統(tǒng)的應(yīng)變片、熱電偶普遍存在難以安裝、易引入誤差的缺點(diǎn)，尤其不適用于小尺寸的傳動(dòng)錐齒輪（本項(xiàng)目中嚙合齒輪模數(shù)為4.233 mm）測試測量。

因此，本文提出一種基于薄膜傳感器的傳動(dòng)錐齒輪柔性測試技術(shù)。如圖1 所示，通過在Ni 基合金基帶上先后沉積過渡層、絕緣層、敏感層和防護(hù)層薄膜，分別制成薄膜應(yīng)變傳感器、薄膜熱電阻傳感器，并實(shí)現(xiàn)與被測部件的柔性安裝。