一种轴承润滑膜厚度超声测量方法及系统

摘要

一种轴承润滑膜厚度超声测量方法及系统，它属于润滑油膜厚度测量及润滑状态监测领域。本发明解决了利用单个探头采用飞行时间方法、弹簧模型方法和谐振模型方法等无法有效监测轴承润滑膜厚的实时连续变化的问题。本发明通过建立滞后相位角与测量获得的反射系数的量化关系，并利用滞后相位角与油膜厚度的线性关系，求解获得油膜厚度，该方法通过将测量获得的反射系数转化为滞后相位角，相对于弹簧模型较大程度提升了单个探头的油膜厚度测量范围，在高频探头下，依然可实现从0到数十微米油膜厚度的连续精确测量，并可结合谐振模型实现更宽范围的膜厚测量。本发明可以应用于润滑油膜厚度测量。

说明书

技术领域

本发明属于润滑油膜厚度测量及润滑状态监测领域，具体涉及一种轴承润滑膜厚度超声测量方法及系统。

背景技术

轴承是燃气轮机，水轮机，发动机等的重要组成部分，广泛应用于大型火电，水电，核电，风电和大型机床等国民经济重要领域，以及军机，舰艇等关乎国家安全的重要领域，其往往工作在高转速，大载荷，高精密的工况条件下。在这种工况条件下，润滑的失效会引起径向滑动轴承产生严重的磨损，振动等，最终导致径向滑动轴承失效及部件损坏，甚至会造出严重的事故。因此有必要对其润滑状态进行实时的监测。润滑膜厚是表征润滑状态的一个核心指标，测量润滑膜厚对机械设备的状态监测和控制以及稳定运行具有重要的意义。

传统的测量油膜厚度的方法主要有电学类，光学类和声学类三类检测方法，电学类测量方法(电阻，电容，阻容振荡法)所测油膜厚度为轴承整圈的平均油膜厚度，不能测量得到轴承某处的最小膜厚。而光学类测量方法(光纤传感器法，光干涉法)需要在轴承上开一个透明的光学观察窗口，这显然会破坏轴承的结构特性，不能应用于实际轴承的监测中。

作为一种无损检测方法，超声膜厚测量方法具有很好的应用前景。目前超声膜厚测量方法主要有飞行时间法、谐振模型法，准静态弹簧模型法。其中飞行时间法多用于测量1mm以上膜厚，谐振模型方法多用于测量100μm以上膜厚。弹簧模型方法多用于测量10μm以下膜厚，且其测量范围较小。

一般而言，机械设备从启动到平稳运行再到停止，其膜厚随时间在较大的范围变化，。对于单个超声探头，受限于各自的膜厚测量范围，在弹簧模型和谐振模型间存在一个固有的测量盲区，使得现有的上述三种方法均无法监测完整的润滑膜厚连续变化。

发明内容

本发明的目的是为解决利用单个探头采用上述方法无法有效监测轴承润滑膜厚的实时连续变化的问题，而提出了一种轴承润滑膜厚度超声测量方法及系统。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于本发明的一个方面，一种轴承润滑膜厚度超声测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用超声探头获得初始的参考信号；

步骤二、获取轴承运行下的油膜层超声反射脉冲信号；

步骤三、分别对步骤一采集的参考信号和步骤二采集的反射脉冲信号进行快速傅里叶变换，得到润滑膜层反射系数；

步骤四、利用步骤三获得的润滑膜层反射系数，计算后一个反射波比前一个反射波滞后的相位角；

步骤五、基于步骤四计算出的后一个反射波比前一个反射波滞后的相位角，获得润滑膜厚度；

将润滑膜厚度频谱中有效带宽内的润滑膜厚度均值或者有效带宽内的最佳频率点对应的膜厚值(一般是参考信号峰值频率点对应的值)作为最终的润滑膜厚度。

基于本发明的另一个方面，一种轴承润滑膜厚度超声测量系统，所述系统包括超声脉冲发生控制台、超声脉冲发生接收器、超声探头、高速采集装置、数据处理单元，其中：

所述超声脉冲发生控制台用于控制超声脉冲发生接收器发出超声激励，并将超声激励传递到超声探头；

所述超声探头用于发出超声脉冲以及接收经过润滑膜反射回的超声脉冲；并将接收的超声脉冲传递到超声脉冲发生接收器；

超声脉冲发生接收器将接收到的超声脉冲传递到高速采集装置，经高速采集装置传递到数据处理单元，并进行最终显示。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种轴承润滑膜厚度超声测量方法及系统，本发明通过建立滞后相位角与测量获得的反射系数的量化关系，并利用滞后相位角与油膜厚度的线性关系，求解获得油膜厚度，该方法通过将测量获得的反射系数转化为滞后相位角，相对于弹簧模型较大程度提升了单个探头的油膜厚度测量范围，在高频探头下，依然可实现从0到数十微米油膜厚度的连续精确测量，并可结合谐振模型实现更宽范围的膜厚测量。除此之外，本发明中所述计算膜厚的方法为直接计算法，无需经过复杂的数值迭代求解，有利于实现动态膜厚的实时在线测量。

附图说明

图1是本发明的一种轴承润滑膜厚度超声测量系统的框图；

图2a)是超声波在钢-油-钢三层模型传播示意图；

图2b)是相邻反射波间的滞后相位角的示意图；

图3是超声测量油膜厚度示意图；

图4是获取的典型参考信号和油膜层反射信号的示意图；

图5a)是参考信号和油膜层反射信号的幅值谱图；

图5b)是参考信号和油膜层反射信号的相位谱图；

图6a)是油膜层反射系数的幅值谱图；

图6b)是油膜层反射系数的相位谱图；

图7是滞后相位角频谱图；

图8是获得的膜厚频谱图；

图9是油膜厚度超声测量试验台示意图；

图10是弹簧模型方法与本发明方法的测量结果对比图；

图11是图10的局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种轴承润滑膜厚度超声测量方法，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤一、利用超声探头获得初始的参考信号；

步骤二、当轴承运行时，获取润滑油膜层的超声反射脉冲信号；

步骤三、分别对步骤一采集的参考信号和步骤二采集的反射脉冲信号进行快速傅里叶变换，得到润滑膜层反射系数；

步骤四、利用步骤三获得的润滑膜层反射系数，计算后一个反射波比前一个反射波滞后的相位角；

步骤五、基于步骤四计算出的后一个反射波比前一个反射波滞后的相位角，获得润滑膜厚度；

将润滑膜厚度频谱中有效带宽内(参考信号幅值衰减-6dB对应带宽范围)的润滑膜厚度均值或者有效带宽内的最佳频率点对应的膜厚值(一般是参考信号峰值频率点对应的值)作为最终的润滑膜厚度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一的具体过程为：

在轴承没有润滑膜或者润滑膜厚大于300μm的情况下，利用超声探头采集参考界面的反射脉冲波，将采集的反射脉冲波作为初始的参考信号。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤三的具体过程为：

对油膜层反射脉冲信号进行快速傅里叶变换，得到傅里叶变换值A

其中：R为润滑膜层反射系数，R

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤四的具体过程为：

其中：In为自然对数函数，Im(R)是R的虚部，

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤五中，基于步骤四计算出的后一个反射波比前一个反射波滞后的相位角，获得润滑膜厚度，其具体过程为：

其中，h表示润滑膜厚度，f表示超声波频率，c为超声波在润滑膜中的传输速度。

每一个超声波频率下都有对应的膜厚，这样可以得到润滑膜厚度频谱。理想情况下，在膜厚均匀时，每一个超声波频率对应的膜厚是相等的，然而测量时由于噪声等的影响，不同频率对应的膜厚会有稍许误差，为了获得较高精度的膜厚测量值，一般将润滑膜厚度频谱中有效带宽内(参考信号幅值衰减-6dB对应带宽范围)的润滑膜厚度均值或者有效带宽内的最佳频率点对应的膜厚值(一般是参考信号峰值频率点对应的值)作为最终的润滑膜厚度。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种轴承润滑膜厚度超声测量系统，所述系统包括超声脉冲发生控制台、超声脉冲发生接收器、超声探头、高速采集装置、数据处理单元，其中：

所述超声脉冲发生控制台用于控制超声脉冲发生接收器发出超声激励，并将超声激励传递到超声探头；

所述超声探头用于发出超声脉冲以及接收经过润滑膜反射回的超声脉冲；并将接收的超声脉冲传递到超声脉冲发生接收器；

超声脉冲发生接收器将接收到的超声脉冲传递到高速采集装置，经高速采集装置传递到数据处理单元，并进行最终显示。

本实施方式中，超声探头中产生超声脉冲和接收反射超声脉冲的部件为压电元件。

本发明的一种新的薄层润滑膜厚超声测量方法的原理如下所述：

如图2a)所示，当一个超声脉冲入射到钢油界面时，会在油膜层发生多次的反射透射，后一个反射波会比前一个反射波滞后一个相位角Δβ，如图2b)所示，该相位角的大小取决于油膜层厚度h以及其声速c，其定量关系可以表示为：

Δβ＝2πf(2h/c) (1)

式中：f表示超声波的频率。

假定入射波为：

P

依据虚源方法，各个反射波为：

式子中r

当油膜层很薄的时候，各个反射波叠加形成一个无法区分的重叠反射波，通过叠加各个反射波获得重叠反射波为：

则反射系数可以表示为：

由于r

一般而言Δβ＜2π，进而滞后相位角可以表示为

当油膜层两侧的介质是同一种材料的时候，此时z

上式中Im(R)表示反射系数R的虚部。

一般情况下，入射波无法直接测量，因此实际中常以一个参考波替代入射波，实际测量：

比较式(8)和式(1)，不难得出，当0≤Δβ＜2π时，

如图3所示为典型的超声测量示意图。

1)获取初始参考信号。

当两块钢板间没有润滑油时，利用超声探头获取其参考信号，并存储于程序变量中。当两块钢板间有润滑油时，利用超声探头获取油膜层超声脉冲反射波。如图4为获取的典型的参考信号和油膜层反射信号。

2)之后对参考信号和油膜层反射波信号进行快速傅里叶变换，获得其幅值谱和相位谱，如图5a)和图5b)所示。

3)之后，依据式(9)获得油膜层反射系数频谱，如图6a)和图6b)所示。

4)综合利用反射系数的相位和幅值谱，依据式(8)获得滞后相位角频谱，如图7所示。

5)通过获得的滞后相位谱，依据式(10)获得膜厚频谱，如图8所示。

6)之后衰减-6dB带宽内的(当前的-6dB带宽内为7～13.7MHz)膜厚计算均值，最终得到膜厚约为0.89μm。

本发明的具体实施例

如图9所示，以钢-油-钢油膜厚度超声测量试验台说明本发明所述测量方法的有效性。图中，1为微位移移动平台，2为油箱，3为油，4为钢片三，5为带水槽的铁盖，6为钢片二，7为钢片一，8为超声探头，9为水。由3块钢片粘接在一起组成一个楔形间隙以形成小于70微米的油膜厚度，图中楔形间隙的油膜厚度已经经过标定。超声探头位置固定，通过微位移移动平台移动油箱，使得超声探头所测位置的油膜厚度变化。

所测结果如图10和图11所示。对于中心频率为10MHz的超声探头，可以看到在1～11μm，弹簧模型和本发明的滞后相位模型所测数据基本与设置的膜厚吻合，弹簧模型所测数据与设置膜厚开始偏离，且膜厚越大，偏离程度越大。而滞后相位模型则与设置膜厚吻合良好；并能将测量范围延伸至谐振模型，克服了单一探头测量时弹簧模型和谐振模型间的测量盲区，这展示了本发明方法的优势。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。