CN103335616B - 一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，实现对实际工况下滑动轴承全域润滑膜厚分布的实时检测。该方法首先通过有限差分法迭代求解滑动轴承的润滑基本方程获得滑动轴承润滑膜厚的理论分布并根据滑动轴承润滑膜厚理论分布确定滑动轴承分布式测点的位置；然后在选取的测点位置“嵌入式”安装圆薄片超声传感器并采用超声波膜厚测量技术获得各测点的实时膜厚值；最后，对各分布式测点实测的润滑膜厚值进行插值，获得实际工况中滑动轴承润滑膜厚度的分布情况。

Description

一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法

技术领域

本发明属于轴承润滑技术领域，涉及一种轴承的润滑检测方法，尤其是一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法。

背景技术

滑动轴承具有运转精度高、承受冲击载荷大、使用寿命长等特点，特别适用于高速、精密、重载等场合，已成为大型火电、水电发电机组、核电站主循环泵以及高速精密机床等重要设备的关键核心部件。

(一)局部碰磨现象的经常发生决定了滑动轴承润滑膜厚度全域分布的检测至关重要

轴承润滑膜具有降低轴承运行摩擦阻力、减少轴承表面磨损、保证设备正常运行的重要作用。轴承润滑膜的破裂将导致接触元件温度迅速升高、接触表面加速磨损进而导致设备发生故障。

轴承润滑膜厚度分布作为反映轴承润滑状态的关键性能指标，轴承润滑膜的完整性以及轴承各区域的润滑膜厚度值直接反映了轴承及设备润滑状态的好坏。在实际工况中，由于受到设备装配误差、轴的变形、不平衡载荷等因素的影响，轴承润滑膜厚度不仅在轴承不同周向位置上存在差异，而且在同一周向位置的不同轴向位置上也将存在较大差异。这种差异是导致轴承发生局部碰磨甚至是设备发生重大故障的重要因素。因此，仅通过测量轴承某个或某几个不同周向位置的润滑膜厚度值来监测轴承的润滑状态是不够充分的，需要一种能够反映轴承润滑膜全貌的分布。

(二)滑动轴承润滑膜厚度的全域分布检测需要满足的条件及必须克服的主要技术难点：

①可用于实际工况

要在实际工况下使用，滑动轴承润滑膜的检测就必须在不破坏滑动轴承工作时的现有结构和环境下的条件下进行。

②具有较高空间分辨率

要获得滑动轴承的局部润滑情况，要求采用的润滑膜厚检测手段必须能够检测轴承很小空间范围内的润滑膜厚值即膜厚测量技术需要有很高的空间分辨率。

③可检测极薄的润滑膜厚度

通常情况下，滑动轴承的润滑膜厚度值在10微米到100微米之间，但在恶劣工况下，滑动轴承的润滑膜厚将达到几微米甚至发生局部碰磨，因此能够准确检测极薄的润滑膜厚度显得尤为关键。

④能够获得滑动轴承润滑膜厚度的全貌信息

要准确地检测滑动轴承各区域内的润滑状态，需要获得滑动轴承润滑膜厚度的全貌信息。

(三)缺乏能够检测滑动轴承全域润滑膜厚度分布的技术方案

迄今为止，虽然存在多种润滑膜厚检测技术，但均存在各自的局限性，不能有效获得工业实际中轴承全域润滑膜厚分布。目前常用的润滑膜厚度检测手段主要有电测法、光测法以及声测法。

电测法(电阻法、电容法)只能获取整个轴承润滑膜厚的平均值，无法满足高空间分辨率的要求。

光测法(光干涉法、光衍射法)由于需要为传感器提供光路，必须要在轴承上开窗或采用透明材料，显然无法满足可用于实际工况中的要求。

传统的声测法(超声波飞行时间法、超声波薄膜共振法)由于模型的限制使得超声波只能够测量10微米以上的润滑膜厚值，无法满足检测极薄润滑膜厚度的要求。

声测法虽然由于超声波弹簧模型法的最新出现克服了传统超声波方法(超声波飞行时间法、超声波薄膜共振法)由于模型的限制导致不能检测10微米以下极薄润滑膜厚度的局限性，但是，迄今为止，声测法也只用于检测轴承局部某点的润滑膜厚度，无法满足获得轴承润滑膜厚度全貌信息的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，该方法结合传感器分布技术以及超声波膜厚测量技术，使其能够用于实时检测实际工况中滑动轴承全域(轴向和周向)膜厚分布情况，能够有效获得滑动轴承润滑膜厚度的全貌信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，包括以下步骤：

(1)分布式测点的确定

根据润滑膜厚理论分布确定分布式测点在瓦背上的位置：对于膜厚值小于理论最大膜厚值1/5的区域以10mm左右的间距密排传感器；对于膜厚值大于理论最大膜厚值1/5的区域与20～40mm的间距稀疏排列传感器；

(2)超声波传感器的安装

在各测点位置嵌入式安装圆薄片式超声波传感器；

(3)信号的消噪

经过带通滤波器滤波消除各测点超声波传感器中的噪声；

(4)各测点膜厚值的超声测量

根据膜厚值所处范围的不同，利用超声波膜厚测量装置分别采用超声波飞行时间法、超声波薄膜共振法、超声波弹簧模型法获得各测点的润滑膜厚值；

(5)通过插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布

获得各测点位置润滑膜厚值后，根据各测点的位置坐标以及对应膜厚值组成的三维坐标组，采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

进一步的，上述步骤(1)中，通过有限差分法数值求解滑动轴承润滑基本方程来获得轴承的理论膜厚分布，具体为：联立滑动轴承的润滑基本方程包括雷诺方程、能量方程、粘温方程和油膜厚度方程；通过有限差分法迭代求解方程组获得滑动轴承的理论润滑膜厚分布。

进一步的，上述步骤(2)中，在轴承瓦背上测点位置加工凹槽，将圆薄片式超声波传感器用粘合剂粘在瓦背上，然后用环氧树脂将传感器封装在瓦背上。

进一步的，上述步骤(4)中：

对于厚度范围在100微米以上的润滑膜，采用超声波飞行时间法：通过超声波在润滑层上下界面反射波的时间间隔乘以超声波在润滑膜中的传播速度来获取润滑膜的厚度。

对于膜厚值在100微米到10微米的润滑膜厚，采用超声波薄膜共振法：通过测定超声波在润滑夹层上的反射系数出现极小值时的频率，然后根据公式获得润滑膜的厚度。其中c为超声波在润滑膜层中的传播速度；m为谐振频率的模数；f_m为m阶谐振频率。

对于膜厚值小于10微米的膜厚，采用超声波弹簧模型法：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式获得润滑膜厚。其中ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑膜层中的传播速度；Z为润滑膜层两侧固体的声阻抗；|R(f)|为不同频率超声波在润滑膜层上的反射系数幅值的大小。

进一步，步骤(4)中，所述超声波膜厚测量装置为英国Tribosonics公司生产的FMS100油膜厚度测量系统。

进一步的，上述步骤(5)中，采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布具体为：将各测点的位置坐标和对应的润滑膜厚度值组成一个三维矩阵，调用Matlab中三次样条插值命令获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

进一步的，上述步骤(1)中，所述轴承的理论膜厚分布是通过有限差分法数值求解滑动轴承润滑基本方程来获得的。

本发明具有以下有益效果：

本发明结合传感器分布技术和超声波膜厚测量技术获得滑动轴承多个关键点的膜厚值，然后对实测点的膜厚值插值获得实际工况下轴承润滑膜厚全域分布情况。该方法能够实时检测实际工况下滑动轴承润滑状况，有利于及时发现局部润滑失效甚至碰磨情况。

附图说明

图1轴承全域膜厚分布检测原理图；

图2可倾瓦推力轴承理论膜厚分布计算程序流程图；

图3超声波膜厚测量装置结构示意图；

图4a径向滑动轴承周向测点分布示意图；

图4b超声波传感器在径向滑动轴承轴瓦上的分布情况示意图；

图5径向滑动轴承润滑膜厚分布情况；

图6a超声波传感器在单个推力瓦上的分布示意图；

图6b超声波传感器在推力轴承瓦背上安装情况的截面图；

图7可倾瓦推力轴承试验台。

其中：1为径向滑动轴承轴瓦；2为润滑油膜；3为轴；4为超声波传感器；5为推力轴承可倾瓦；6为电机；7为联轴器；8为支撑轴承；9为轴承端盖；10为加载盘；11为推力盘；12为轴承上座；13为挡油板；14为油毡密封；15为卡套式管接头。

具体实施方式

本发明的滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，包括以下步骤：

(1)分布式测点的确定

根据润滑膜厚理论分布确定分布式测点在瓦背上的位置：对于膜厚值小于理论最大膜厚值1/5的区域以10mm左右的间距密排传感器；对于膜厚值大于理论最大膜厚值1/5的区域与20～40mm的间距稀疏排列传感器。

本步骤中通过有限差分法数值求解滑动轴承润滑基本方程来获得轴承的理论膜厚分布具体为：以滑动轴承中结构较为复杂、理论膜厚分布较难计算的可倾瓦推力轴承为例，联立可倾瓦推力轴承的润滑基本方程包括雷诺方程、能量方程、粘温方程和油膜厚度方程。采用有限差分法迭代求解方程组获得可倾瓦推力轴承的理论润滑膜厚分布，具体计算程序的流程图如图2。

(2)超声波传感器的安装

在各测点位置嵌入式安装圆薄片式超声波传感器。具体为：在轴承瓦背上测点位置加工凹槽，将圆薄片式超声波传感器用粘合剂粘在瓦背上，然后用环氧树脂将传感器封装在瓦背上。

(3)信号的消噪

经过带通滤波器滤波消除各测点超声波传感器中的噪声；

(4)各测点膜厚值的超声测量

根据膜厚值所处范围的不同，利用超声波膜厚测量装置分别采用超声波飞行时间法、超声波膜厚共振法、超声波弹簧模型法获得各测点的润滑膜厚值。

本发明的最佳实施例中，超声波膜厚测量装置为英国Tribosonics公司生产的FMS100油膜厚度测量系统。

对于厚度范围在100微米以上的润滑膜，采用超声波飞行时间法：通过超声波在润滑层上下界面反射波的时间间隔乘以超声波在润滑膜中的传播速度来获取润滑膜的厚度。

对于膜厚值在100微米到10微米的润滑膜厚，采用超声波薄膜共振法：通过测定超声波在润滑夹层上的反射系数出现极小值时的频率，然后根据公式获得润滑膜的厚度。其中，c为超声波在润滑膜层中的传播速度；m为谐振频率的模数；f_m为m阶谐振频率。

对于膜厚值小于10微米的膜厚，采用超声波弹簧模型法：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式获得润滑膜厚；其中，ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑膜层中的传播速度；Z为润滑膜层两侧固体的声阻抗；|R(f)|为不同频率超声波在润滑膜层上的反射系数幅值的大小。

(5)通过插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布

获得各测点位置润滑膜厚值后，根据各测点的位置坐标以及对应膜厚值组成的三维坐标组，采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布具体为：将各测点的位置坐标和对应的润滑膜厚度值组成一个三维矩阵，调用Matlab中三次样条插值命令获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

进一步的，本发明的具体实现主要由分布式测点的优化选择、超声换能器的选择与安装、超声反射信号的高速采集、各测点信号的消噪、各测点膜厚的精确测量、轴承全域膜厚分布的获得几部分组成。

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细描述：

(1)分布式测点位置的优化

针对待测轴承采用有限差分数值计算方法获得轴承润滑膜厚度的理论分布。以滑动轴承中较为复杂的可倾瓦推力轴承为例，图2展示了可倾瓦推力轴承理论润滑膜厚度分布获得的计算程序流程图。然后根据润滑膜厚理论分布确定超声波传感器测点的位置：对于膜厚值小于理论最大膜厚值1/5的区域以10mm左右的间距密排传感器；对于膜厚值大于理论最大膜厚值1/5的区域与20～40mm的间距稀疏排列传感器。这种分布传感器的方式能够以较少的换能器和硬件资源配置实现润滑区域的膜厚分布，并保证了最小膜厚及附近区域的高分辨率检测。图4a展示了径向滑动轴承周向超声传感器分布情况，其中1为径向滑动轴承轴瓦；2为润滑油膜；3为轴；4为超声波传感器。图4b展示了超声波传感器在径向滑动轴承轴瓦上的分布情况。图6a展示了可倾瓦轴承单个轴瓦上测点的分布情况。

(2)超声换能器的选择与安装

本发明采用圆薄片式超声波换能器，该超声波换能器具有结构紧凑、指向性好的特点，一方面便于在轴瓦上安装，且由于指向性好，可以避免换能器间的信号干扰。图6b展示了本发明在分布式测点上的安装方式，其中5为推力轴承可倾瓦。本发明将圆薄片式超声换能器通过固体胶粘在瓦背上，使其嵌入在瓦背上。这种安装方式便于实际工况下轴承润滑膜厚分布的测量。

(3)测点信号的消噪

由于实际测量中，周围环境对测点的超声波信号会产生噪声，为了提高测点超声波信号的信噪比，本发明采用带通滤波器降低测点信号中噪声，提高超声波信号的信噪比。

(4)润滑膜厚度的测量

本发明对于各测点膜厚值的测量采取超声波膜厚测量技术。超声波方法测量润滑膜厚值主要分为三种方法，分别为超声波飞行时间法、超声波薄膜共振法、超声波弹簧模型法。

对于大于100微米的膜厚，采用超声波飞行时间法：通过超声波在润滑层上下界面反射波的时间间隔乘以超声波在润滑膜中的传播速度来获取润滑膜的厚度。

对于膜厚值在100微米到10微米的膜厚，采用超声波薄膜共振法：通过测定超声波在润滑夹层上的反射系数出现极小值时的频率，然后根据公式(1)获得润滑膜的厚度。

$h=\frac{cm}{2f_m}---\left(1\right)$

其中，c为超声波在润滑膜层中的传播速度；m为谐振频率的模数；f_m为m阶谐振频率。

对于膜厚值小于10微米的膜厚，采用超声波弹簧模型法：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式(2)获得润滑膜厚。

$h=\frac{{\mathrm{\ρc}}^2}{\mathrm{\π}fZ}\sqrt{\frac{|R\left(f\right){|}^2}{1-|R\left(f\right){|}^2}}---\left(2\right)$

其中，ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑膜层中的传播速度；Z为润滑膜层两侧固体的声阻抗；|R(f)|为不同频率超声波在润滑膜层上的反射系数幅值的大小。

(5)轴承全域膜厚分布的获得

图5展示了某工况下径向滑动轴承润滑膜厚分布情况。在获得各测点实测的润滑膜厚度值后，通过三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布情况。

实施例：

以某可倾瓦推力轴承试验台(如图7)在不同转速和载荷下的润滑膜厚分布的实际测量为例，说明了本发明所述测试方法的有效性。其中，图7中，6为电机，7为联轴器，8为支撑轴承，9为轴承端盖，10为加载盘，11为推力盘，12为轴承上座，13为挡油板，14为油毡密封，15为卡套式管接头。针对推力轴承润滑膜分布的特性，设计了图6a所示的测点分布。采用液压加载方式对推力盘施加不同的载荷，通过可调速电机使转速在0～1000r/min范围内变化，测试推力轴承的润滑膜厚分布，得到了不同转速和载荷下推力轴承的润滑膜厚分布图。

Claims (4)

1.一种滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分布式测点的确定

根据滑动轴承润滑膜厚理论分布确定分布式测点在瓦背上的位置：对于膜厚值小于理论最大膜厚值1/5的区域以10mm左右的间距密排传感器；对于膜厚值大于理论最大膜厚值1/5的区域与20～40mm的间距稀疏排列传感器；

通过有限差分法数值求解滑动轴承润滑基本方程来获得轴承的理论膜厚分布，具体为：联立滑动轴承轴承的润滑基本方程包括雷诺方程、能量方程、粘温方程和油膜厚度方程；通过有限差分法迭代求解方程组获得滑动轴承的理论润滑膜厚分布；

(2)超声波传感器的安装

在各测点位置嵌入式安装圆薄片式超声波传感器；具体为：

在轴承瓦背上测点位置加工凹槽，将圆薄片式超声波传感器用粘合剂粘在瓦背上，然后用环氧树脂将传感器封装在瓦背上；

(3)信号的消噪

经过带通滤波器滤波消除各测点超声波传感器中的噪声；

(4)各测点膜厚值的超声测量

根据膜厚值所处范围的不同，利用超声波膜厚测量装置分别采用超声波飞行时间法、超声波薄膜共振法、超声波弹簧模型法获得各测点的润滑膜厚值；具体为：

对于厚度范围在100微米以上的润滑膜，采用超声波飞行时间法：通过超声波在润滑层上下界面反射波的时间间隔乘以超声波在润滑膜中的传播速度来获取润滑膜的厚度；

对于膜厚值在100微米到10微米的润滑膜厚，采用超声波薄膜共振法：通过测定超声波在润滑夹层上的反射系数出现极小值时的频率，然后根据公式获得润滑膜的厚度；其中c为超声波在润滑膜层中的传播速度；m为谐振频率的模数；f_m为m阶谐振频率；

对于膜厚值小于10微米的膜厚，采用超声波弹簧模型法：通过测定超声波在线性区域的反射系数的大小，然后根据公式获得润滑膜厚；其中，ρ为润滑液的密度；c为超声波在润滑膜层中的传播速度；Z为润滑膜层两侧固体的声阻抗；|R(f)|为不同频率超声波在润滑膜层上的反射系数幅值的大小；

(5)通过插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布

将各测点的位置坐标以及对应的实测膜厚值组成三维坐标组，采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

2.根据权利要求1所述的滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述超声波膜厚测量装置为英国Tribosonics公司生产的FMS100油膜厚度测量系统。

3.根据权利要求1所述的滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，其特征在于，步骤(5)中，采用三次样条插值获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布具体为：将各测点的位置坐标和对应的润滑膜厚度值组成一个三维矩阵，调用Matlab中三次样条插值命令获得轴承求解域内润滑膜厚度的全域分布。

4.根据权利要求1所述的滑动轴承全域润滑膜厚分布的检测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述轴承的理论膜厚分布是通过有限差分法数值求解滑动轴承润滑基本方程来获得的。