CN111024813A - 一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，该方法通过在轴承外圈安置一个高频聚焦探头(或微型高频直探头)，获取滚子与套圈接触面的超声反射回波，根据反射波幅值与相位信息的综合提取和判别，进而判定轴承润滑状态。实际工况下滚动轴承润滑状态的检测是判断轴承运行状态好坏的最直接方法，是轴承接触润滑研究领域中非常关键的基础检测手段。因此，本发明能够检测真实工况下滚动轴承的润滑状态，进而判断轴承滚子与套圈间的润滑状态(干摩擦、混合润滑或弹流全膜润滑)。

Description

一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法
技术领域
本发明属于滚动轴承真实工况下运行状态检测技术领域，具体涉及一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法。
背景技术
滚动轴承由于具有径向承载能力大适用于承受重载荷和冲击载荷以及摩擦系数小等优点，广泛应用于各种大型旋转机械设备中，如航空发动机、燃气轮机、变速器、机床等等。其运行性能与稳定性与内外圈和滚子之间的接触润滑状态密切相关。轴承在润滑油润滑条件下工作时，滚子与滚道间会形成润滑油膜，由于工程实际中表面粗糙度、高温、低速、重载、化学反应、流变特性等因素的存在，会使得滚子与滚道间的全膜润滑状态失效或难以形成，变为流体润滑和粗糙峰接触共存的混合润滑状态，轴承在润滑不充分的状态下持续工作会使得寿命和安全性显著下降，因此轴承润滑状态检测一直是轴承检测技术领域的核心问题。然而由于实际工况以及技术水平的限制，造成目前大量试验检测手段无法真正应用于滚动轴承润滑状态的检测中去，导致现有的理论发展严重缺乏实测数据的验证和校验，难以真正指导实际应用，这已是我国轴承行业发展过程中亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，该方法是通过在轴承外圈安置一个高频聚焦探头(或微型高频直探头)，获取滚子与套圈接触面的超声反射回波，根据反射波幅值与相位信息的综合提取和判别，进而判定轴承润滑状态。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，包括以下步骤：
(1)选择、安装及调节超声传感器
根据试验轴承的型号、试验所处的工作环境、转速范围，对试验所需的超声传感器进行选型，选型参数包括超声传感器的中心频率、聚焦直径、焦距和许用的温度范围；将超声传感器安装在轴承座上，通过调节装置调节超声传感器到合适的位置，同时保证轴承外圈外表面与超声传感器发射端面之间保持良好接触，减少超声波的衰减，增强反射回波信号；
(2)超声反射回波信号的关键特征提取
通过超声脉冲发射-接收板卡，激励超声传感器发射超声波并且接收超声反射回波信号，在轴承有油升速和无油升速的工作状态，分别采集超声反射回波信号，分别由幅值法和相位法计算超声反射率；
(3)滚动轴承实际工况下润滑状态的判断
根据相位法和幅值法获得超声反射率的特点，在无油状态下，相位法获得的滚子经过超声传感器下方时超声反射率很大，而幅值法获得的超声反射率较小，且幅值反射率小于相位法获得的反射率，此时利用相位法和幅值法得到的反射率差值最大，此时为干摩擦状态；在有油状态下，当相位法获得的反射率小于幅值法获得的反射率，并且两种方法获得的反射率差值保持不变时，此时为弹流全膜润滑状态；当相位法获得的反射率与幅值反射率差值介于上述两种情况之间时，表示混合润滑状态。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，为了在接触区获得足够的数据点，假设至少获得N个完整的超声反射回波信号，则要求超声传感器的脉冲发射重复频率f1大于N*f2，f2表示滚子通过超声传感器正下方的频率。
本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，调节装置为电动或手动多自由度调节平台。
本发明进一步的改进在于，步骤(2)中，超声传感器与轴承外圈之间通过耦合剂作为媒介，最大限度减少超声波从超声传感器发射出来后的衰减效应，从而最大限度增强信号的强度。
本发明进一步的改进在于，步骤(3)中，根据幅值法和相位法在计算反射率的特点，通过比较幅值法和相位法对反射回波信号处理得到的反射率相对大小关系以及相位法获得的反射率的大小，从而判断轴承的润滑状态。
本发明进一步的改进在于，超声传感器为高频水浸式聚焦探头、聚焦探头或微型直探头。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明为滚动轴承真实工况下润滑状态检测提供了有效的检测方法，可以实时监测滚动轴承在实际工况下的混合润滑状态。本发明具备了以下特点：第一：本发明检测中，不会对轴承进行任何破坏，属于一种无损检测方法，不会影响轴承的动态性能；第二：对所检测的轴承所处的工作环境无特殊要求；第三：本发明能在线实时监测滚动轴承混合润滑状态，可以有效地实时判断轴承是否工作在许用的接触润滑状态中，从而避免由于轴承润滑不良而造成的整机损坏、财产损失和人员伤害。
附图说明
图1为本发明本例中超声传感器安装示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为本发明本例中无油、定转速不同载荷下幅值法和相位法得到的反射率；
图4为本发明本例中有油、定转速不同载荷下幅值法和相位法得到的反射率；
图5为本发明本例中有油、定载荷不同转速下幅值法和相位法得到的反射率。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，包括以下步骤：
(1)选择、安装及调节超声传感器
根据试验轴承的型号、试验所处的工作环境、转速范围，对试验所需的超声传感器进行选型，主要参数包括超声传感器的中心频率、聚焦直径(直探头为其晶片直径)、焦距、许用的温度范围等等。将超声传感器安装在轴承座上，通过调节装置(电动或手动多自由度调节平台等)调节超声传感器到合适的位置，同时保证轴承外圈外表面与超声传感器发射端面之间保持良好接触，减少超声波的衰减，增强反射回波信号。
(2)超声反射回波信号的关键特征提取
通过超声脉冲发射-接收板卡，激励超声传感器发射超声波并且接收超声反射回波信号，在轴承有油升速和无油升速的工作状态，分别采集超声反射回波信号，分别由幅值法和相位法计算超声反射率。
(3)滚动轴承实际工况下润滑状态的判断
根据相位法和幅值法获得超声反射率的特点，在无油状态下，相位法获得的滚子经过超声传感器下方时超声反射率很大，而幅值法获得的超声反射率较小，且幅值反射率小于相位法获得的反射率，此时利用相位法和幅值法得到的反射率差值最大，此时为干摩擦状态；在有油状态下，当相位法获得的反射率小于幅值法获得的反射率，并且两种方法获得的反射率差值基本保持不变时，此时为弹流全膜润滑状态；当相位法获得的反射率与幅值反射率差值介于上述两种情况之间时，表示混合润滑状态。
具体方式为：
参见图1和图2，为本发明本例中高频水浸聚焦探头安装示意图。一个超声传感器1安装在试验轴承外圈，正对滚子3，周向为水介质2。保证超声传感器发射端面与轴承外圈表面具有良好的耦合接触，超声传感器发射超声波并且接收反射回波，分别采用幅值法和相位法对反射回波进行处理，得到由各自方法处理的超声信号反射率，通过对各自方法处理的特点以及反射率信号进行分析，得到滚动轴承在实际工况下润滑状态以及润滑油膜形成的过程。
参见图3，为本发明本例中滚动轴承在无油定转速变载荷下分别由幅值法和相位法对反射回波信号处理得到的反射率，从图中可以看出在无油状态下，由幅值法得到的反射率下降明显，并且随着载荷的增大，由幅值法得到的反射率逐渐减小，且变化明显；而在无油状态下，由相位法得到的反射率下降很小，且随着载荷的增大，由相位法得到的反射率也会减小，但减小量很小。由此得到在干摩擦状态下由幅值法和相位法获得超声反射率的特点。
参见图4，为本发明本例中滚动轴承在有油定转速变载荷下分别由幅值法和相位法对反射回波信号处理得到的反射率，从图中可以看出在有油状态下，由幅值法得到的反射率下降明显，并且随着载荷的增大，由幅值法得到的反射率逐渐减下，且变化明显；而在有油状态下，由相位法得到的反射率下降也比较明显，且随着载荷的增大，由相位法得到的反射率也会减下，且减小明显。由此得到在全膜弹流润滑状态下由幅值法和相位法获得超声反射率的特点。
参见图5，为本发明本例中有油定载荷变转速下，分别用幅值法和相位法对反射回波信号进行处理，得到的反射率，从图中可以看出前六张图为混合润滑状态，而最后两张图表示此时为全膜润滑状态。

Claims (6)

1.一种用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择、安装及调节超声传感器
根据试验轴承的型号、试验所处的工作环境、转速范围，对试验所需的超声传感器进行选型，选型参数包括超声传感器的中心频率、聚焦直径、焦距和许用的温度范围；将超声传感器安装在轴承座上，通过调节装置调节超声传感器到合适的位置，同时保证轴承外圈外表面与超声传感器发射端面之间保持良好接触，减少超声波的衰减，增强反射回波信号；
(2)超声反射回波信号的关键特征提取
通过超声脉冲发射-接收板卡，激励超声传感器发射超声波并且接收超声反射回波信号，在轴承有油升速和无油升速的工作状态，分别采集超声反射回波信号，分别由幅值法和相位法计算超声反射率；
(3)滚动轴承实际工况下润滑状态的判断
根据相位法和幅值法获得超声反射率的特点，在无油状态下，相位法获得的滚子经过超声传感器下方时超声反射率很大，而幅值法获得的超声反射率较小，且幅值反射率小于相位法获得的反射率，此时利用相位法和幅值法得到的反射率差值最大，此时为干摩擦状态；在有油状态下，当相位法获得的反射率小于幅值法获得的反射率，并且两种方法获得的反射率差值保持不变时，此时为弹流全膜润滑状态；当相位法获得的反射率与幅值反射率差值介于上述两种情况之间时，表示混合润滑状态。
2.根据权利要求1所述的用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，步骤(1)中，为了在接触区获得足够的数据点，假设至少获得N个完整的超声反射回波信号，则要求超声传感器的脉冲发射重复频率f1大于N*f2，f2表示滚子通过超声传感器正下方的频率。
3.根据权利要求1所述的用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，步骤(1)中，调节装置为电动或手动多自由度调节平台。
4.根据权利要求1所述的用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，步骤(2)中，超声传感器与轴承外圈之间通过耦合剂作为媒介，最大限度减少超声波从超声传感器发射出来后的衰减效应，从而最大限度增强信号的强度。
5.根据权利要求1所述的用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，步骤(3)中，根据幅值法和相位法在计算反射率的特点，通过比较幅值法和相位法对反射回波信号处理得到的反射率相对大小关系以及相位法获得的反射率的大小，从而判断轴承的润滑状态。
6.根据权利要求1所述的用于实际工况下滚动轴承润滑状态判别的超声检测方法，其特征在于，超声传感器为高频水浸式聚焦探头、聚焦探头或微型直探头。
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