CN102589489A - 一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，先确定探头选择标准；将超声传感器探头分别安装在圆柱滚子轴承滚子两端部和中间位置，保证各个探头的水浴耦合条件，同时轴承润油充分，在轴承静止状态下同步记录此时各个超声传感器探头的反射信号幅值A_0i；轴承加载后稳定运行，同步记录此时各个超声传感器反射信号的幅值A_1i，计算对应位置的超声信号反射率R_i＝A_1i/A_0i；根据超声信号反射率与界面接触刚度理论，将对应的反射率R_i换算为对应位置的油膜刚度，进而根据油膜刚度与膜厚理论，得到对应位置的油膜厚度；建立笛卡尔坐标系，并绘制线接触全域范围的润滑油膜厚分布。本发明能应用于实际工况的在线监测，简单准确。

Description

一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法

技术领域

本发明涉及系统的动力特性和弹流润滑特性等领域，特别涉及一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，利用圆柱滚子轴承外圈安置并排高频超声传感器探头，依据其发射信号的反射率，得到此类轴承润滑油膜厚分布。

背景技术

圆柱滚子轴承在现代工业中有着广泛的应用。该类轴承滚柱体和内外套圈间的弹流润滑状况的好坏是决定圆柱滚子轴承使用寿命和可靠性的关键，是此类轴承技术研究的核心问题，但对于此类轴承润滑状况实际工况检测的讨论，一直没有定论。

滑动轴承中油膜厚度通常比较大，检测的常用方法有电测法、光测法以及声测法，但是对于油膜厚度通常在微米甚至亚微米量级的滚动轴承油膜厚度来说，传统方法都存在很大的局限性：电测法和光测法均对轴承材料提出了特殊要求，且只适用于滑动轴承；声测法包括冲击脉冲法及超声波(通过发射信号与反射信号时间差)方法，但此类方法均只适用于油膜厚度大于7um的情况，同样无法应用于圆柱滚子轴承。

发明内容：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，利用在圆柱滚子轴承外圈密排高频超声传感器探头，通过检测各个超声发射信号的反射率，计算不同位置的油膜刚度，并换算为相应位置的膜厚及压力分布，本发明能应用于实际工况的在线监测，简单准确。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、选定水浸式聚焦超声传感器探头，并确定其几何参数和工作参数，几何参数包括超声传感器发射端柱面半径与焦距，其中发射端柱面半径与圆柱滚子轴承外圈半径一致，焦距大于轴承外圈厚度；工作参数为超声传感器的发射频率f₁，记超声信号的脉冲发射周期T₁，T₁＝1/f₁，滚子外圈接触点通过超声传感器探头聚焦面积的时间周期T₂，为了保证获得至少N个有效超声信号，工作参数要求T时间周期₂大于N*T₁，N通常大于5个，即是发射频率f₁大于N/T₂；

步骤二、圆柱滚子轴承超声传感器探头安装及润滑油膜对超声信号反射率的初值记录，在圆柱滚子轴承滚子两端部和中间位置分别安装超声传感器探头，其几何参数与工作参数在步骤一中被确定，保证超声传感器探头良好的水浴耦合条件，同时轴承润油充分，圆柱滚子轴承静止状态下，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励超声传感器探头发射超声信号，并同步接收润滑油膜反射信号，记录此时各个超声传感器探头的反射信号幅值A_0i，i＝1，2，3...M，M为超声传感器个数，作为超声信号未运行工况下的初值；

步骤三、圆柱滚子轴承运行工况下润滑油膜对超声信号反射率的工作值纪录，圆柱滚子轴承加载后稳定运行，此时同步记录各个超声传感器反射信号幅值A_1i，计算对应位置的超声信号反射率R_i＝A_1i/A_0i；

步骤四、圆柱滚子轴承线接触全域范围油膜分布绘制，通过步骤一确定的超声发射频率f与步骤三得到的各个超声传感器反射率R_i，利用公式(3)可以计算得到各个超声传感器对应位置的膜厚信息h_i；建立笛卡尔坐标系oxy，以各个超声传感器探头与轴承一侧的距离为横坐标x，以润滑油油膜厚度h为纵坐标，各个超声传感器对应的安装位置x_i，其膜厚为h_i，则坐标系oxy中各点坐标为(x_i，h_i)，将各点连成光滑二次曲线，即得到被测圆柱滚子轴承外圈润滑油膜厚分布图，

$K=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{h}---\left(1\right)$

$R=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{K}{\mathrm{\πfz}}\right)}^2}}---\left(2\right)$

$h=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{\mathrm{\π}{\mathrm{fz}}^{\′}}\left(\frac{R^2}{1-R^2}\right)---\left(3\right)$

式中，ρ表示润滑油密度，c表示超声波在润滑油中的速度，K表示润滑油油膜刚度，h表示润滑油油膜厚度，f表示超声波发射频率，z表示超声波在轴承钢中的声抗，R表示入射超声信号反射率。

本发明为圆柱滚子轴承型线设计提供了可行的实验手段，同时可以用作实际工况的圆柱滚子轴承膜厚分布检测。在实现功能的同时，本发明更是具备了以下特点：第一，对测量的目标轴承材料无任何特殊要求，如电测法要求形成电容，光侧法要求透明等；第二，本发明测量中，不会对轴承进行破坏加工，属于无损测量；第三，本发明能在线监测圆柱滚子轴承线接触全域范围内的弹流润滑状况，是圆柱滚子轴承型线设计现实可行的理论检验方法；第四，本发明不仅能在实验室中使用，而且可以方便的用于工程实际。

附图说明：

图1为超声波反射率测油膜厚度原理示意图，其中，图1(a)是受压润滑油示意图；图1(b)是受压润滑油弹簧刚度示意图；图1(c)是受压润滑油超声信号反射与透射示意图。

图2为分布安装在轴承外圈的高频超声传感器探头安装示意图，其中图2a左视图，图2b是正视图。

图3为根据各个超声传感器探头反射率R_i绘制膜厚分布效果示意图，其中，横坐标表示各个超声传感器探头距轴承一侧的距离x；纵坐标表示各个超声传感器探头对应安装位置的膜厚信息h。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、选定水浸式聚焦超声传感器探头，并确定其几何参数和工作参数，几何参数包括超声传感器发射端柱面半径与焦距，其中发射端柱面半径与圆柱滚子轴承外圈半径一致，焦距大于轴承外圈厚度；工作参数为超声传感器的发射频率f₁，记超声信号的脉冲发射周期T₁，T₁＝1/f₁，滚子外圈接触点通过超声传感器探头聚焦面积的时间周期T₂，为了保证获得至少N个有效超声信号，工作参数要求时间周期T₂大于N*T₁，N通常大于5个，即是发射频率f₁大于N/T₂；

步骤二、圆柱滚子轴承超声传感器探头安装及润滑油膜对超声信号反射率的初值记录，在圆柱滚子轴承滚子两端部和中间位置分别安装超声传感器探头，其几何参数与工作参数在步骤一中被确定，保证超声传感器探头良好的水浴耦合条件，同时轴承润油充分，圆柱滚子轴承静止状态下，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励超声传感器探头发射超声信号，并同步接收润滑油膜反射信号，记录此时各个超声传感器探头的反射信号幅值A_0i，i＝1，2，3...M，M为超声传感器个数，作为超声信号未运行工况下的初值；

步骤三、圆柱滚子轴承运行工况下润滑油膜对超声信号反射率的工作值纪录，圆柱滚子轴承加载后稳定运行，此时同步记录各个超声传感器反射信号幅值A_1i，计算对应位置的超声信号反射率R_i＝A_1i/A_0i；

步骤四、圆柱滚子轴承线接触全域范围油膜分布绘制，通过步骤一确定的超声发射频率f与步骤三得到的各个超声传感器反射率R_i，利用公式(3)可以计算得到各个超声传感器对应位置的膜厚信息h_i。建立笛卡尔坐标系oxy，以各个超声传感器探头与轴承一侧的距离为横坐标x，以润滑油油膜厚度h为纵坐标，各个超声传感器对应的安装位置x_i，其膜厚为h_i，则坐标系oxy中各点坐标为(x_i，h_i)，将各点连成光滑二次曲线，即得到被测圆柱滚子轴承外圈润滑油膜厚分布图，

$K=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{h}---\left(1\right)$

$R=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{K}{\mathrm{\πfz}}\right)}^2}}---\left(2\right)$

$h=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{\mathrm{\π}{\mathrm{fz}}^{\′}}\left(\frac{R^2}{1-R^2}\right)---\left(3\right)$

式中，ρ表示润滑油密度，c表示超声波在润滑油中的速度，K表示润滑油油膜刚度，h表示润滑油油膜厚度，f表示超声波发射频率，z表示超声波在轴承钢中的声抗，R表示入射超声信号反射率。

具体方式为：

参见图1(a)所示，受压润滑油膜示意图。参见图1(b)所示，采用油膜刚度来表征油膜的弹簧特性，其刚度大小K与油膜厚度h存在函数关系，如式(1)所示。参见图1(c)所示，对于圆柱滚子轴承滚子与外圈间的润滑油，将整个油膜视作滚子与外圈间的接触层，固定频率入射超声信号的反射率R取决于该接触层的刚度大小K，既是油膜刚度K与入射超声信号反射率R存在一定的函数关系，如式(2)，故油膜厚度h与超声信号反射率R和入射超声频率f可以建立式(3)的函数关系。通过高频超声传感器探头，得到超声信号的反射率R，进而计算得到R对应的油膜膜厚信息h。

参见图2所示，分别在圆柱滚子轴承外圈的滚子两端端部及中间位置，在水浴良好耦合环境下并排安装高频超声传感器探头。以轴承静止状态作为初始状态，此时得到超声波反射信号的幅值A_0i。系统正常运行后，获取运行状态下的超声波反射信号幅值A_1i。反射率的计算公式见公式(4)；

$R_i=\frac{A_{1i}}{A_{0i}}---\left(4\right)$

如图3所示，根据R_i和式(3)得到每个超声传感器探头对应位置的最小油膜厚度h_i。采用滚子外圈宽度为横坐标x轴，每个超声传感器探头的实际位置为横轴x坐标值；采用油膜厚度为y轴，每个超声传感器探头对应的最小油膜厚度h_i作为y坐标，从而绘制得到整个圆柱滚子轴承线接触全域内的膜厚分布信息。

Claims (1)

1.一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选定水浸式聚焦超声传感器探头，并确定其几何参数和工作参数，几何参数包括超声传感器发射端柱面半径与焦距，其中发射端柱面半径与圆柱滚子轴承外圈半径一致，焦距大于轴承外圈厚度；工作参数为超声传感器的发射频率f₁，记超声信号的脉冲发射周期T₁，T₁＝1/f₁，滚子外圈接触点通过超声传感器探头聚焦面积的时间周期T₂，为了保证获得至少N个有效超声信号，工作参数要求时间周期T₂大于N*T₁，N通常大于5个，即是发射频率f₁大于N/T₂；

步骤二、圆柱滚子轴承超声传感器探头安装及润滑油膜对超声信号反射率的初值记录，在圆柱滚子轴承滚子两端部和中间位置分别安装超声传感器探头，其几何参数与工作参数在步骤一中被确定，保证超声传感器探头良好的水浴耦合条件，同时轴承润油充分，圆柱滚子轴承静止状态下，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励超声传感器探头发射超声信号，并同步接收润滑油膜反射信号，记录此时各个超声传感器探头的反射信号幅值A_0i，i＝1，2，3...M，M为超声传感器个数，作为超声信号未运行工况下的初值；

步骤三、圆柱滚子轴承运行工况下润滑油膜对超声信号反射率的工作值纪录，圆柱滚子轴承加载后稳定运行，此时同步记录各个超声传感器反射信号幅值A_1i，计算对应位置的超声信号反射率R_i＝A_1i/A_0i；

步骤四、圆柱滚子轴承线接触全域范围油膜分布绘制，通过步骤一确定的超声发射频率f与步骤三得到的各个超声传感器反射率R_i，利用公式(3)可以计算得到各个超声传感器对应位置的膜厚信息h_i；建立笛卡尔坐标系oxy，以各个超声传感器探头与轴承一侧的距离为横坐标x，以润滑油油膜厚度h为纵坐标，各个超声传感器对应的安装位置x_i，其膜厚为h_i，则坐标系oxy中各点坐标为(x_i，h_i)，将各点连成光滑二次曲线，即得到被测圆柱滚子轴承外圈润滑油膜厚分布图，

$K=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{h}---\left(1\right)$

$R=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{K}{\mathrm{\πfz}}\right)}^2}}---\left(2\right)$

$h=\frac{\mathrm{\ρ}{c}^2}{\mathrm{\π}{\mathrm{fz}}^{\′}}\left(\frac{R^2}{1-R^2}\right)---\left(3\right)$

式中，ρ表示润滑油密度，c表示超声波在润滑油中的速度，K表示润滑油油膜刚度，h表示润滑油油膜厚度，f表示超声波发射频率，z表示超声波在轴承钢中的声抗，R表示入射超声信号反射率。

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