CN108196259A - 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法 - Google Patents

一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108196259A
CN108196259A CN201711278386.2A CN201711278386A CN108196259A CN 108196259 A CN108196259 A CN 108196259A CN 201711278386 A CN201711278386 A CN 201711278386A CN 108196259 A CN108196259 A CN 108196259A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic
ultrasonic sensor
bearing
outer ring
instantaneous velocity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711278386.2A
Other languages
English (en)
Inventor
刘恒
王�琦
李猛
李丁成
刘意
唐皓辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201711278386.2A priority Critical patent/CN108196259A/zh
Publication of CN108196259A publication Critical patent/CN108196259A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Rolling Contact Bearings (AREA)

Abstract

本发明公开了一种在线监测滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法，实现了在高速运行过程中滚动轴承保持架瞬时速度的实时监测，进而能够判断轴承是否打滑和打滑程度。该方法无需对轴承做任何处理，对油雾等环境因素不敏感，使得该方法能应用于实际高速轻载工况下的滚动轴承保持架瞬时速度的在线监测。本发明针对滚动轴承保持架瞬时速度的测量，在轴承外圈沿圆周方向并排安置两个超声波传感器探头，通过同步采集两个超声波传感器探头在滚子与轴承外圈内侧接触界面之间的反射回波信号，得到同一滚子滚过两个超声波传感器探头聚焦区域的时间差,根据该时间差与两个超声波传感器探头的中心距可以得到保持架的瞬时速度。

Description

一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法
技术领域
本发明属于轴承测速及运行状态检测领域，利用滚动轴承外圈圆周方向并排安置两个超声波传感器探头，依据两个超声波传感器探头发射信号的反射率，计算得到滚动轴承保持架的瞬时速度，具体涉及到一种检测滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法。
背景技术
滚动轴承由于其径向承载能力大及摩擦系数小的特性而被广泛运用于电力、能源、化工、航空和船舶等现代工业中，负责实现力与力矩的传递，是旋转机械的核心部件。作为该类轴承一个非常关键的零部件，保持架的动态性能及可靠性会影响到整个轴承的工作性能，其运动不稳定性易造成轴承早期失效。在高速轻载工况下航空发动机的主轴轴承经常会出现打滑现象，而这种打滑现象在高速滚动轴承一般表现形式就是保持架转速的降低，因此，准确实时测量保持架的速度尤为重要。
航空发动机主轴轴承转速比较高，一般工作在油雾比较大的封闭环境中，这使得以往的测量保持架转速的光电式数字测试装置无法准确测量，易造成误码。而用电涡流传感器测量时，则需要修改轴承保持架的结构，影响了被测轴承的性能和使用寿命。最新提出的光学测量法是目前常用的测量保持架转速的方法，虽能较准确地测量保持架转速，但需要在保持架承上贴反光材料，影响滚子的动态性能，且要保证光路不被遮挡，有时在实际工业应用中难以实现。超声法在实际工况中测量保持架的瞬时速度具有可行性。
发明内容
本发明提出了用并列超声波传感器探头测量保持架瞬时速度的方法，该方法对环境因素不敏感，且不需要对轴承做任何处理，可以运用于实际工况下保持架瞬时速度的测量以及对高速轻载工况下保持架打滑的实时监测。
一种基于超声的滚动轴承保持瞬时速度的测量方法，包括以下步骤：
(1)超声波传感器探头的选择
超声波传感器探头的选择主要考虑元件直径和焦距，其中元件直径小于等于两个滚子之间的距离，焦距大于轴承外圈厚度；
(2)超声波传感器探头工作参数的确定
超声波传感器探头的工作参数为超声波传感器的脉冲发射频率f1，记滚子通过超声传感器探头聚焦区域的频率为f2，为了保证至少获得N个有效超声反射回波信号，超声脉冲发射频率f1大于N*f2，N一般大于3个；
(3)超声波传感器的安装与调节
在圆柱滚子轴承外圈正上方位置，沿圆周方向左右并排安装超声波传感器探头，同时保证超声传感器探头与轴承外圈之间良好的耦合条件，调节超声传感器探头的空间角度，使其尽量垂直于轴承外圈，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励两个超声波传感器发射超声信号，并同步接收超声回波反射信号，在轴承静止状态下，通过示波器观察，当超声波在轴承外圈内侧界面的反射回波信号幅值调至最大时，即为最佳角度位置；
(4)超声反射回波信号的采集
圆柱滚子轴承加载后，稳定运行工况下，同步采集两个超声波传感器探头在轴承外圈内侧的超声回波反射信号，记滚子经过的第一个超声波传感器探头为P1，第二个为P2，记录轴承在运行工况下两个超声波传感器探头P1、P2在轴承外圈内侧界面反射回波信号对应的幅值信息A1、A2；
(5)圆柱滚子轴承保持架瞬时速度的计算
根据超声波在不同接触界面间的反射原理，得到滚子经过超声传感器探头聚焦区域时，超声反射回波的幅值A1、A2先减小后增大，当滚子与外圈完全接触时，超声反射回波幅值最小，利用公式(1)可以得到同一滚子先后经过超声传感器探头P1、P2时，反射回波幅值最小的两帧信号之间的时间间隔Δt，利用公式(2)可以计算得到保持架的瞬时速度则保持架的瞬时速度w'c
Δt＝N/fr (1)
w'c＝d/Δt＝d·fr/N (2)
式中，fr是超声发射脉冲的重复频率，N为同一滚子滚过两个超声探头的距离间隔内，接收到的第二次超声回波的次数；d为并列安装的两个高频超声探头的中心距。
本发明为实际工况的滚动轴承保持架瞬时速度检测提供了切实可行的实验手段，同时可以用作滚动轴承高速轻载打滑的实时监测。在实现功能的同时，本发明更是具备了以下特点：第一，对测量的目标轴承工作环境无任何特殊要求，如光电法在油雾环境下无法准确测量等；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，如光学法需要在轴承上贴反光材料，影响滚子的动态性能；第三，本发明能在线监测滚动轴承保持架的瞬时速度，可以有效地实时判断保持架的打滑以及打滑程度，本发明在实际工况中也具有效性。
附图说明
图1为超声波传感器探头安装示意图
其中：1为超声探头；2为超声耦合剂；3为轴承座；4为保持架；5为滚子；6为轴承内圈；7为轴承外圈
图2为超声波射入轴承内部时的反射波示意图
其中：1为轴承外圈外侧；2为轴承外圈内侧；3为滚子
图3(a)两个并列超传感器反射信号示意图；(b)为同一滚子经过两个超声传感器反射信号变化示意图。
具体实施方式
参照附图对本发明作进一步的详细说明。
一种基于超声的滚动轴承保持瞬时速度的测量方法，包括以下步骤：
(1)超声波传感器探头的选择
超声波传感器探头的选择主要考虑元件直径和焦距，其中元件直径小于等于两个滚子之间的距离，焦距大于轴承外圈厚度；
(2)超声波传感器探头工作参数的确定
超声波传感器探头的工作参数为超声波传感器的脉冲发射频率f1，记滚子通过超声传感器探头聚焦区域的频率为f2，为了保证至少获得N个有效超声反射回波信号，超声脉冲发射频率f1大于N*f2，N一般大于3个；
(3)超声波传感器的安装与调节
在圆柱滚子轴承外圈正上方位置，沿圆周方向左右并排安装超声波传感器探头，同时保证超声传感器探头与轴承外圈之间良好的耦合条件，调节超声传感器探头的空间角度，使其尽量垂直于轴承外圈，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励两个超声波传感器发射超声信号，并同步接收超声回波反射信号，在轴承静止状态下，通过示波器观察，当超声波在轴承外圈内侧界面的反射回波信号幅值调至最大时，即为最佳角度位置；
(4)超声反射回波信号的采集
圆柱滚子轴承加载后，稳定运行工况下，同步采集两个超声波传感器探头在轴承外圈内侧的超声回波反射信号，记滚子经过的第一个超声波传感器探头为P1，第二个为P2，记录轴承在运行工况下两个超声波传感器探头P1、P2在轴承外圈内侧界面反射回波信号对应的幅值信息A1、A2；
(5)圆柱滚子轴承保持架瞬时速度的计算
根据超声波在不同接触界面间的反射原理，得到滚子经过超声传感器探头聚焦区域时，超声反射回波的幅值A1、A2先减小后增大，当滚子与外圈完全接触时，超声反射回波幅值最小，利用公式(1)可以得到同一滚子先后经过超声传感器探头P1、P2时，反射回波幅值最小的两帧信号之间的时间间隔Δt，利用公式(2)可以计算得到保持架的瞬时速度则保持架的瞬时速度w'c
Δt＝N/fr (1)
w'c＝d/Δt＝d·fr/N (2)
式中，fr是超声发射脉冲的重复频率，N为同一滚子滚过两个超声探头的距离间隔内，接收到的第二次超声回波的次数；d为并列安装的两个高频超声探头的中心距。
具体方式为：
参见图1所示，为超声波传感器探头安装示意图。在良好的耦合条件下，两个超声波传感器探头沿圆周方向并列安装在轴承外圈正上方的位置。
参见图2所示，为超声波射入轴承内部时的反射波示意图。超声波由外圈透过耦合剂入射到滚动轴承时会在耦合剂、轴承外圈外侧与外圈内侧之间分别产生多次反射和透射。超声波传感器探头接收到的第一个反射信号是在耦合剂-轴承外圈界面的反射信号，第二个反射信号是轴承外圈内侧界面的反射信号，由于滚子在钢-空气界面的反射率大于在钢-钢界面的反射率，所以，无滚子滚过时第二个反射回波的幅值大于有滚子滚过时的情况。当滚子经过探头正下方聚焦区域时，所得到的超声波传感器探头第二次反射波信号幅值下降，呈缺口状，到达最低点后反射信号幅值又逐渐升高。
如图3(a)所示，为同一滚子先后滚过两个超声波传感器聚焦区域时，超声反射回波幅值的变化，每一个“凹坑”代表一个滚子经过，当滚子进入与外圈内侧的接触区域时，反射率降低。图3(b)为每个凹坑附近的信号的放大。
由滚动轴承的运动学原理可知，保持架的理论旋转速度为：
式中，wi为内圈的旋转速度；wo为外圈的旋转速度；γ为轴承无量纲参数，dm为滚动体的节圆直径；α为滚动轴承的接触角；D为滚动体的直径。
当w′c<wc时，滚动轴承发生打滑。
根据打滑度公式：
可以得到打滑度S，即可以实时判断滚动轴承打滑的严重程度。

Claims (1)

1.一种基于超声的滚动轴承保持瞬时速度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)超声波传感器探头的选择
超声波传感器探头的选择主要考虑元件直径和焦距，其中元件直径小于等于两个滚子之间的距离，焦距大于轴承外圈厚度；
(2)超声波传感器探头工作参数的确定
超声波传感器探头的工作参数为超声波传感器的脉冲发射频率f1，记滚子通过超声传感器探头聚焦区域的频率为f2，为了保证至少获得N个有效超声反射回波信号，超声脉冲发射频率f1大于N*f2，N一般大于3个；
(3)超声波传感器的安装与调节
在滚动轴承外圈正上方位置，沿圆周方向左右并排安装超声波传感器探头，同时保证超声传感器探头与轴承外圈之间良好的耦合条件，调节超声传感器探头的空间角度，使其尽量垂直于轴承外圈，通过超声信号脉冲发射-接收装置，同步激励两个超声波传感器发射超声信号，并同步接收超声回波反射信号，在轴承静止状态下，通过示波器观察，当超声波在轴承外圈内侧界面的反射回波信号幅值调至最大时，即为最佳角度位置；
(4)超声反射回波信号的采集
滚动轴承加载后，稳定运行工况下，同步采集两个超声波传感器探头在轴承外圈内侧的超声回波反射信号，记滚子经过的第一个超声波传感器探头为P1，第二个为P2，记录轴承在运行工况下两个超声波传感器探头P1、P2在轴承外圈内侧界面反射回波信号对应的幅值信息A1、A2；
(5)圆柱滚子轴承保持架瞬时速度的计算
根据超声波在不同接触界面间的反射原理，得到滚子经过超声波传感器探头聚焦区域时，超声反射回波的幅值A1、A2先减小后增大，当滚子与外圈完全接触时，超声反射回波幅值最小，利用公式(1)可以得到同一滚子先后经过超声波传感器探头P1、P2时，反射回波幅值最小的两帧信号之间的时间间隔Δt，利用公式(2)可以计算得到保持架的瞬时速度则保持架的瞬时速度w'c
Δt＝N/fr (1)
w'c＝d/Δt＝d·fr/N (2)
式中，fr是超声发射脉冲的重复频率，N为同一滚子滚过两个超声探头的距离间隔内接收到的第二次超声回波的次数；d为并列安装的两个超声波传感器探头的中心距。
CN201711278386.2A 2017-12-06 2017-12-06 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法 Pending CN108196259A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711278386.2A CN108196259A (zh) 2017-12-06 2017-12-06 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711278386.2A CN108196259A (zh) 2017-12-06 2017-12-06 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108196259A true CN108196259A (zh) 2018-06-22

Family

ID=62573917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711278386.2A Pending CN108196259A (zh) 2017-12-06 2017-12-06 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108196259A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110108487A (zh) * 2018-12-04 2019-08-09 北京交通大学 轴承滚滑行为检测用的保持架转速检测结构及检测方法
CN110514443A (zh) * 2019-09-04 2019-11-29 中国航发哈尔滨轴承有限公司 一种航空轴承保持架打滑率的非接触式测量方法
CN111443215A (zh) * 2020-05-14 2020-07-24 中南大学 一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统
CN111721325A (zh) * 2020-06-18 2020-09-29 苏州希声科技有限公司 微型轴转速和角度的测量方法
CN112230224A (zh) * 2020-11-09 2021-01-15 北京信息科技大学 一种镁合金加工用超声汇聚探测定位装置
CN112415223A (zh) * 2020-11-19 2021-02-26 中国科学院大学 一种液态金属内部的速度测量方法、装置及存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101451944A (zh) * 2008-12-25 2009-06-10 大连理工大学 基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法
CN102589489A (zh) * 2012-02-09 2012-07-18 西安交通大学 一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法
CN105203794A (zh) * 2015-09-21 2015-12-30 华自科技股份有限公司 发电机转速测量系统及方法
CN106017372A (zh) * 2016-05-04 2016-10-12 大连理工大学 一种超声无损测量耐磨涂层厚度与弹性模量的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101451944A (zh) * 2008-12-25 2009-06-10 大连理工大学 基于声压反射系数相位谱的涂层密度超声测量方法
CN102589489A (zh) * 2012-02-09 2012-07-18 西安交通大学 一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法
CN105203794A (zh) * 2015-09-21 2015-12-30 华自科技股份有限公司 发电机转速测量系统及方法
CN106017372A (zh) * 2016-05-04 2016-10-12 大连理工大学 一种超声无损测量耐磨涂层厚度与弹性模量的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHI-XIANG LIU ET AL: "Study on the rotational speed of bearing cage based on ultrasonic measurement", 《PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS,PART K：JOURNAL OF MULTI-BODY DYNAMICS》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110108487A (zh) * 2018-12-04 2019-08-09 北京交通大学 轴承滚滑行为检测用的保持架转速检测结构及检测方法
CN110514443A (zh) * 2019-09-04 2019-11-29 中国航发哈尔滨轴承有限公司 一种航空轴承保持架打滑率的非接触式测量方法
CN110514443B (zh) * 2019-09-04 2021-07-23 中国航发哈尔滨轴承有限公司 一种航空轴承保持架打滑率的非接触式测量方法
CN111443215A (zh) * 2020-05-14 2020-07-24 中南大学 一种用于高速高温下的轴承滚子的转速测量系统
CN111721325A (zh) * 2020-06-18 2020-09-29 苏州希声科技有限公司 微型轴转速和角度的测量方法
CN114034322A (zh) * 2020-06-18 2022-02-11 苏州希声科技有限公司 微型轴转速和角度的测量工艺
CN114034323A (zh) * 2020-06-18 2022-02-11 苏州希声科技有限公司 微型轴转速和角度的测量系统
CN114034322B (zh) * 2020-06-18 2024-05-24 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 微型轴转速和角度的测量工艺
CN114034323B (zh) * 2020-06-18 2024-05-24 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 微型轴转速和角度的测量系统
CN112230224A (zh) * 2020-11-09 2021-01-15 北京信息科技大学 一种镁合金加工用超声汇聚探测定位装置
CN112415223A (zh) * 2020-11-19 2021-02-26 中国科学院大学 一种液态金属内部的速度测量方法、装置及存储介质
CN112415223B (zh) * 2020-11-19 2021-09-24 中国科学院大学 一种液态金属内部的速度测量方法、装置及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108196259A (zh) 一种基于超声的滚动轴承保持架瞬时速度的测量方法
CN106989703B (zh) 一种全范围润滑膜厚度超声检测装置及方法
CA1078953A (en) Apparatus for measuring the radial dimensions of a cylindrical tube by ultrasonics
US6736011B2 (en) Inspection of shrunk-on steam turbine disks using advanced ultrasonic techniques
CN102589489B (zh) 一种圆柱滚子轴承润滑油膜厚分布的检测方法
Tang et al. Defect localization on rolling element bearing stationary outer race with acoustic emission technology
Michaels Ultrasonic wavefield imaging: Research tool or emerging NDE method?
CN104535648A (zh) 一种汽轮机叶片超声导波检测方法
CN109752185B (zh) 一种用于滚动轴承滚子左右歪斜摆动状态的测量方法
Zhang et al. Ultrasonic measurement of oil film thickness using piezoelectric element
US9921186B2 (en) Method and device for the non-destructive inspection of a rotationally symmetric workpiece having sections with difference diameters
Xiao et al. Severity evaluation of the transverse crack in a cylindrical part using a PZT wafer based on an interval energy approach
Gruber Defect identification and sizing by the ultrasonic satellite-pulse technique
US20090249879A1 (en) Inspection systems and methods for detection of material property anomalies
US10564128B2 (en) Method and device for the near surface, nondestructive inspection by means of ultrasound of a rotationally symmetric workpiece having a diameter that changes from section to section
Arone et al. Defect characterization in Al welded joints by non-contact Lamb wave technique
US20180356370A1 (en) Combined pulse echo inspection of pipeline systems
US6587213B1 (en) Nondestruction coating adhesion evaluation using surface ultrasonic waves and wavelet analysis
Chen et al. Evaluation of the Running Status of Ball Bearings Using Ultrasonic Signals
Elforjani et al. Assessment of natural crack initiation and its propagation in slow speed bearings
CN114280156A (zh) 一种基于激光超声的亚表面裂纹长度和深度测量方法
CN114136482B (zh) 超声和温度耦合的滚动轴承外圈滚道表面温度测量方法
Nicholas et al. Direct load measurement of a wind turbine high speed shaft bearing in the field
Li et al. Ultrasonic measurement of roller revolution speed for high-speed rolling bearing
Wang et al. Liquid film thickness measurement for gas-liquid two phase flow using ultrasound

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180622