CN106871829A - 一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置，结合滚子轴承理论润滑膜形状和超声波传感器的声场分布从传感器实测反射系数中提取接触区的反射系数并获得接触区的润滑膜厚度，该方法能够用于精确检测传感器空间分辨率不足情况下滚子轴承接触区的润滑膜厚度，能够为润滑理论研究提供实证数据并为滚子轴承润滑状态监测提供定量化信息。

Description

一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法

技术领域

本发明属于轴承润滑状态检测技术领域，具体涉及一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法。

背景技术

滚子轴承是旋转机械的关键零部件之一，广泛应用在航空发动机、大型轧钢机以及高速电主轴等重要设备中。滚子轴承依靠润滑膜将相互运动的两个摩擦副表面隔开，避免摩擦副表面间的直接接触，其润滑状态决定了轴承的润滑性能、承载能力、运行平稳性和寿命等行为能力，是轴承的关键所在。滚子轴承润滑膜厚度检测能够为滚子轴承润滑理论研究提供实证数据，并为滚子轴承润滑状态监测提供定量化的信息，具有重要的理论和工程意义。

目前润滑膜厚检测方法主要有电测法、光测法和超声波法。其中，电测法需要传感器与润滑膜上下表面接触，会对轴承结构和润滑膜的形成产生破坏和干扰，是一种介入式方法；光测法则需要被测对象为透光材料或为传感器提供一个透明窗口，无法应用于实际金属材质轴承的润滑膜厚检测；超声波法由于超声波具有良好的直线传播特性和强穿透性，能够应用于实际金属材质轴承润滑膜厚的检测，是一种优良的非介入式膜厚检测手段，该膜厚检测技术近年来受到较多研究与应用。

然而，对于滚子轴承来说，其线接触状态下接触区的宽度极小。通常，滚子轴承接触区的宽度小于200μm，在轻载时甚至小至50μm，而目前超声波传感器无法达到如此高的空间分辨率，直接采用传感器的实测反射系数计算润滑膜厚值，获得的是名义接触区(即传感器有效作用面积内)的平均膜厚。由于接触区附近膜厚值要远大于接触区的润滑膜厚，该平均膜厚并不能真实地反映接触区的润滑状态。因此，发展一种能够在传感器空间分辨率不足情况下获取接触区准确膜厚的检测方法将有利于滚子轴承润滑状态的检测，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法，结合滚子轴承线接触状态下的理论润滑膜形状和超声波传感器的声场分布，从传感器实测反射系数中提取接触区的反射系数并获得接触区润滑膜厚度的精确值。

为了达到上述目的，一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置，包括第一电主轴，第一电主轴通过扭矩传感器连接滚子，滚子与第二电主轴的内圈接触，内圈上设置有超声传感器，第二电主轴连接有集流环和编码器，集流环和编码器通过脉冲发射接收仪连接数据采集卡，数据采集卡连接PC。

所述超声传感器设置在内圈的内表面。

一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，包括以下步骤：

步骤一，通过弹流润滑理论获得滚子与内圈接触区的压力分布，并通过接触区以外的间隙方程获得滚子轴承的理论润滑膜形状；

步骤二，采用矩形超声波传感器通过测量获取滚子与内圈名义接触区的实测平均反射系数；

步骤三，采用超声波声场仿真软件计算获得接触区润滑膜下界面平面内的理论声场分布以及名义接触区宽度方向的声场分布，根据名义接触区宽度方向的声场分布计算得到不同油膜厚度下对应的名义接触区反射系数，比对名义接触区反射系数的实测值与计算值，从而获得最终接触区润滑膜的厚度。

所述步骤一中，根据弹流润滑理论，假定接触区的润滑膜厚度为h₀，则接触区以外的间隙方程为：

其中b为接触半宽，p₀为最大接触应力，E'为当量弹性模量，其中：

其中W为载荷；R’为当量曲率半径；L为接触区长度；E’为当量弹性模量；b为接触半宽；E₁，E₂为滚子与内圈弹性模量；μ₁，μ₂为滚子与内圈泊松比，其中，当量曲率半径可表示为：

其中R₁和R₂分别表示滚子和内圈的半径；

接触区的压力分布为：

所述步骤三中，名义接触区宽度方向的声场分布采用Field II声场仿真软件获得，其具体方法如下：首先将超声波传感器划分成0.2mm×0.2mm的小矩形单元表示，然后设置超声波传感器的激励；最后计算各场点的超声波声场，获得超声波传感器接触区润滑膜下界面所在平面内的声场分布和超声波传感器在传感器宽度方向的声场分布。

所述步骤三中，根据名义接触区宽度方向的声场分布计算得到不同油膜厚度下对应的名义接触区的反射系数，比对名义接触区反射系数的实测值与计算值的具体方法如下：将超声波传感器将按宽度方向以每1μm划分成一个单元，首先根据弹流理论计算接触半宽b、各单元的理论压力和各单元的体积模量，并根据矩形超声波传感器的声场分布获得各单元位置处的声压值；然后假定接触区膜厚为零，根据理论润滑膜形状获得各单元的膜厚，结合各单元的体积模量、膜厚以及声压值计算各单元的反射系数，并根据各单元的反射系数获得矩形超声传感器在名义接触内的平均反射系数；将该平均反射系数与矩形超声波传感器的实测反射系数比较；若计算获得的平均反射系数小于实测反射系数，则增加接触区的膜厚值并重复以上步骤，直至计算获得的名义接触区的平均反射系数大于等于实测反射系数；输出接触区的反射系数及接触区的润滑膜厚度。

与现有技术相比，本发明通过第一电主轴带动滚子转动，第二电主轴带动内圈转动，超声传感器采集获得名义接触区的反射信号，并发送至PC中进行处理，本装置能够结合滚子轴承线接触状态下的理论润滑膜形状和超声波传感器的声场分布，从传感器实测反射系数中提取接触区的反射系数并获得接触区润滑膜厚度的精确值。

本发明结合滚子轴承理论润滑膜形状和超声波传感器的声场分布从传感器实测反射系数中提取接触区的反射系数并获得接触区的润滑膜厚度，该方法能够用于精确检测传感器空间分辨率不足情况下滚子轴承接触区的润滑膜厚度，能够为润滑理论研究提供实证数据并为滚子轴承润滑状态监测提供定量化信息。

附图说明

图1为本发明的滚子轴承实验台的结构示意图；

图2为本发明中滚子与内圈的接触示意图；

图3为本发明中滚子与内圈间简化的润滑膜形状和简化的润滑膜压力分布图；

图4为本发明中采用Field II进行声场仿真时的程序框图；

图5为本发明中实验用传感器划分成小矩形单元表示的示意图；

图6为本发明中超声波传感器在滚子轴承接触区润滑膜下界面所在平面上的声场分布；

图7为本发明中超声波传感器在接触区润滑膜下界面所在平面内名义接触区宽度方向上的声场分布图；

图8为本发明中接触区反射系数和接触区润滑膜厚度获取的程序框图；

图9为本发明中滚子轴承接触区润滑膜厚实测结果与理论计算值对比图；

图中，1、第一电主轴；2、扭矩传感器；3、滚子；4、内圈；5、超声传感器；6、第二电主轴；7、集流环和编码器；8、脉冲发射接收仪；9、数据采集卡；10、PC。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置包括第一电主轴1，第一电主轴1通过扭矩传感器2连接滚子3，滚子3与第二电主轴6的内圈4接触，内圈4的内表面上设置有超声传感器5，第二电主轴6连接有集流环和编码器7，集流环和编码器7通过脉冲发射接收仪8连接数据采集卡9，数据采集卡9连接PC 10。

1、理论润滑膜形状的计算；

针对待测滚子轴承采用弹流润滑理论计算获得轴承的理论润滑膜形状和理论压力分布。以图1所示滚子轴承实验台为例，滚子与内圈的接触示意图如图2所示。图3展示了滚子与内圈间简化的理论润滑膜形状和简化的润滑膜压力分布。根据弹流润滑理论，假定接触区的润滑膜厚度为h₀，则接触区以外的间隙方程为：

其中b为接触半宽，p₀为最大接触应力，E'为当量弹性模量。其中：

其中W为载荷；R’为当量曲率半径；L为接触区长度；E’为当量弹性模量；b为接触半宽；E₁，E₂为滚子与内圈弹性模量；μ₁，μ₂为滚子与内圈泊松比。其中，当量曲率半径可表示为：

其中R₁和R₂分别表示滚子和内圈的半径。

接触区的压力分布为：

2、实测平均反射系数的获取；

由于滚子轴承为线接触，选取矩形超声波压电元件作为超声波传感器，通过测量获取滚子与内圈名义接触区的实测平均反射系数。

3、接触区润滑膜厚度的获取；

第一步：根据超声波在轴承材料中的声速和轴承的尺寸参数，通过超声波声场仿真软件Field II获得所用超声波传感器在接触区润滑膜下界面所在平面内的声场分布并进而获得名义接触区宽度方向的声场分布。采用Field II进行声场仿真时的具体步骤为：首先将超声波传感器划分成0.2mm×0.2mm的小矩形单元表示；然后设置超声波传感器的激励；接着计算各场点的超声波声场；最后获得超声波传感器接触区润滑膜下界面所在平面内的声场分布和超声波传感器在名义接触区宽度方向的声场分布，其程序框图如图4所示。图5展示了宽度为0.6mm，长度为6mm的超声波传感器在采用Field II软件进行声场仿真时划分成小矩形单元表示的示意图。图6展示了该矩形超声波传感器在本发明实验台所用滚子轴承接触区润滑膜下界面所在平面上的声场分布，图7展示了该矩形超声波传感器在接触区润滑膜下界面所在平面内名义接触区宽度方向上的声场分布。

第二步：结合滚子轴承滚子与内圈间的理论润滑膜形状和超声波传感器在接触区下界面所在平面内名义接触区宽度方向的声场分布，提取获得接触区润滑膜的反射系数和接触区的润滑膜厚度。具体为：将超声波传感器将按宽度方向以每1μm划分成一个单元，首先根据弹流理论计算接触半宽b、各单元的理论压力和各单元的体积模量，并通过矩形超声波传感器的声场分布获得各单元位置处的声压值；然后假定接触区膜厚为零，根据理论润滑膜形状获得各单元的膜厚，结合各单元的体积模量、膜厚以及声压值计算各单元的反射系数，并根据各单元的反射系数获得矩形超声传感器在名义接触区宽度内的平均反射系数；将该平均反射系数与矩形超声波传感器的实测反射系数比较；若计算获得的平均反射系数小于实测反射系数，则增加接触区的膜厚值并重复以上步骤，直至计算获得的名义接触区的平均反射系数大于等于实测反射系数；输出接触区的反射系数及接触区的润滑膜厚度，其程序框图如图8所示。

实施例：

以图1的滚子轴承模拟实验台在不同载荷和转速下接触区的实际测量为例，说明了本发明所述测试方法的有效性。针对滚子轴承滚子与内圈接触区膜厚检测的需求，设计了一个宽为0.6mm，长为6mm的矩形超声波传感器，将其安装在滚子轴承内圈内表面上。采用杠杆加载方式对滚子与内圈施加不同的载荷，通过可调速电机使转速在0～900r·min^-1范围内变化，测试滚子轴承的接触区润滑膜的厚度，得到了不同转速和载荷下滚子轴承接触区的润滑膜厚度，其结果与弹流计算值的对比结果如图9所示。

Claims (6)

1.一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置，其特征在于，包括第一电主轴(1)，第一电主轴(1)通过扭矩传感器(2)连接滚子(3)，滚子(3)与第二电主轴(6)的内圈(4)接触，内圈(4)上设置有超声传感器(5)，第二电主轴(6)连接有集流环和编码器(7)，集流环和编码器(7)通过脉冲发射接收仪(8)连接数据采集卡(9)，数据采集卡(9)连接PC(10)。

2.根据权利要求1所述的一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置，其特征在于，所述超声传感器(5)设置在内圈(4)的内表面。

3.一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过弹流润滑理论获得滚子(3)与内圈(4)接触区的压力分布，并通过接触区以外的间隙方程获得滚子轴承的理论润滑膜形状；

步骤二，采用矩形超声波传感器(5)通过测量获取滚子(3)与内圈(4)名义接触区的实测平均反射系数；

步骤三，采用超声波声场仿真软件计算获得接触区润滑膜下界面平面内的理论声场分布以及名义接触区宽度方向的声场分布，根据名义接触区宽度方向的声场分布计算得到不同接触区油膜厚度下对应的名义接触区反射系数，比对名义接触区反射系数的实测值与计算值，从而获得最终接触区润滑膜的厚度。

4.根据权利要求3所述的一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤一中，根据弹流润滑理论，假定接触区的润滑膜厚度为h₀，则接触区以外的间隙方程为：

$\begin{array}{cc}{h}_g=\frac{2{\mathrm{bp}}_0}{E^{\′}}\[\frac{x}{b}\sqrt{\frac{x^2}{b^2}-1}-ln(\frac{x}{b}+\sqrt{\frac{x^2}{b^2}-1})\]& \left|x\right|>b\end{array}$

其中b为接触半宽，p₀为最大接触应力，E'为当量弹性模量，其中：

$b={\left(\frac{8{\mathrm{WR}}^{\′}}{{\mathrm{\πLE}}^{\′}}\right)}^{1/2}$

$p_0=\frac{E^{\′}b}{4R^{\′}}$

$\frac{1}{E^{\′}}=\frac{1}{2}(\frac{1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2}{E_1}+\frac{1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2}{E_2})$

其中W为载荷；R’为当量曲率半径；L为接触区长度；E’为当量弹性模量；b为接触半宽；E₁，E₂为滚子与内圈弹性模量；μ₁，μ₂为滚子与内圈泊松比，其中，当量曲率半径可表示为：

$R^{\′}=\frac{R_1{R}_2}{R_1+R_2}$

其中R₁和R₂分别表示滚子和内圈的半径；

接触区的压力分布为：

$p=p_0(1-\frac{x^2}{b^2}).$

5.根据权利要求3所述的一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤三中，名义接触区宽度方向的声场分布采用Field II声场仿真软件获得，其具体方法如下：首先将超声波传感器划分成0.2mm×0.2mm的小矩形单元表示，然后设置超声波传感器的激励；最后计算各场点的超声波声场，获得超声波传感器接触区润滑膜下界面所在平面内的声场分布和超声波传感器在传感器宽度方向的声场分布。

6.根据权利要求3所述的一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，所述步骤三中，根据名义接触区宽度方向的声场分布计算得到不同油膜厚度下对应的名义接触区的反射系数，比对名义接触区反射系数的实测值与计算值的具体方法如下：将超声波传感器将按宽度方向以每1μm划分成一个单元，首先根据弹流理论计算接触半宽b、各单元的理论压力和各单元的体积模量，并根据矩形超声波传感器的声场分布获得各单元位置处的声压值；然后假定接触区膜厚为零，根据理论润滑膜形状获得各单元的膜厚，结合各单元的体积模量、膜厚以及声压值计算各单元的反射系数，并根据各单元的反射系数获得矩形超声传感器在名义接触内的平均反射系数；将该平均反射系数与矩形超声波传感器的实测反射系数比较；若计算获得的平均反射系数小于实测反射系数，则增加接触区的膜厚值并重复以上步骤，直至计算获得的名义接触区的平均反射系数大于等于实测反射系数；输出接触区的反射系数及接触区的润滑膜厚度。