CN114061785A - 一种轴承内部温度场的测量方法及系统 - Google Patents

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韩素立
刘玉健
郭峰
梁鹏
邵晶
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    • G01K1/143—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations for measuring surface temperatures

Abstract

本发明涉及一种轴承内部温度场的测量方法及系统，属于轴承检测技术领域，该方法包括如下过程：在轴承的内圈或外圈表面安装超声探头，通过超声探头发射超声波信号，其中超声波信号穿过轴承的外圈或者内圈经轴承内滚道和空气界面反射回来，对反射回来的超声波信号进行分析得到轴承内部平均温度；在轴承的内圈或者外圈安装温度测量装置测量轴承表面平均温度；建立轴承热传导模型，通过所述轴承内部平均温度和轴承表面平均温度以及轴承热传导模型得出轴承的内圈内部温度场或者外圈内部温度场。通过该测量方法能够提供完整、直接且有效的测量结果，对建立轴承内回转元件上温度和润滑油膜的热失效的关系提供有效技术手段。

Description

一种轴承内部温度场的测量方法及系统
技术领域
本发明属于轴承测量技术领域，具体是涉及一种轴承内部温度场的测量方法及系统。
背景技术
在各种设备应用中，滚动轴承需要长时间连续无故障运行，因温度热累计效应产生的失效问题日渐严重。在高表面速度和润滑剂温度作用下，不仅弹流润滑薄膜失效并且表面故障多发。
现有技术中公布了“一种风电机组主轴承内部温度间接测量方法”，专利号(CN201910396199.7)，该方法主要是构建主轴承温度测量的数学模型,通过主轴承内部温度与主轴承外层温度、环境温度和风机转速之间的函数关系拟合得到主轴承内部温度，间接实现主轴承内部温度的检测。
但是目前对滚动轴承内部温度场尚没有完整的直接测量结果，温度场和弹流润滑薄膜热失稳的关系密切，对于多物理参数耦合条件下的多界面滚动轴承动态油膜的内部温度测量问题有待研究。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种轴承内部温度场的测量方法及系统，通过该测量方法能够提供完整、直接且有效的测量结果，对建立轴承内回转元件上温度和润滑油膜的热失效的关系提供有效技术手段。
本发明实施例提供了一种轴承内部温度场的测量方法，该方法包括如下过程：在轴承的内圈或外圈表面安装超声探头，通过超声探头发射超声波信号，其中超声波信号穿过轴承的外圈或者内圈经轴承内滚道和空气界面反射回来，对反射回来的超声波信号进行分析得到轴承内部平均温度；在轴承的内圈或者外圈安装温度测量装置测量轴承表面平均温度；建立轴承热传导模型，通过所述轴承内部平均温度和轴承表面平均温度以及轴承热传导模型得出轴承的内圈内部温度场或者外圈内部温度场。
进一步地，通过内圈测量轴承内部平均温度的时候，将所述超声探头放置在于所述被测轴承相配合的轴体上。
进一步地，将所述与轴承相配合的轴体上加工出沟槽，所述超声探头放置在所述沟槽内。
进一步地，所述超声探头为N个，且均匀安装在轴承外圈的外壁面或者所述轴体上，将所述N个超声探头统一通过信号分析器连接到上位机上。
进一步地，建立轴承热传导模型的过程为：
假设所测轴承内部温度场记为T(x)，其中
T(x)＝ax+b (1)
a,b为待测参数；记轴承套筒外表面为冷端面，由温度测量装置直接测得，则边界条件为：T(x)|x＝L＝T冷，带入式(1)得：
T(x)＝a(x-L)+T冷 (2)
超声从发射到内滚道-空气界面反射脉冲超声传播时间tL,其中:
Figure BDA0003360021420000021
根据加入杨氏模量随温度变化关系后的波速方程可得：
Figure BDA0003360021420000022
其中，V是超声波的声速，E0为0℃时的金属弹性模量，η为弹性模量的温度系数，T(x)为轴承外圈或者内圈的温度场，ρ为金属密度，σ为泊松比；
结合(1)(2)(3)(4)式以及边界条件，求得所述轴承外圈或者内圈的温度场T(x)分布。
进一步地，计算超声探头从发射超声信号到接收超声信号的时间，根据所述计算的时间得出超声波速度，利用超声波速度和轴承材料温度关系得到轴承内部平均温度。
进一步地，利用回波信号的相似性对接收超声信号进行噪声滤波。
进一步地，还包括标定过程，将轴承滚子取下，充一层均匀发热的供热装置，并将轴承内圈或者外圈制作出剖面，在剖面上安装多个温度传感器，将温度传感器连接于温度测量装置上，设置供热装置温度值，结合温度测量装置检测出轴承内部各点的温度值，直接建立轴承内部温度场T’(x)，对实测值T(x)进行标定。
本发明实施例还提供了一种实现上述所述的轴承内部温度场的测量方法的测量系统，该测量系统包括安装在轴承外圈或者内圈壁面上的超声探头和温度检测器，所述超声探头连接信号采集器，所述信号采集器连接信号控制器，所述信号控制器连接上位机，所述温度检测器连接上位机。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的轴承内部温度场的测量方法及系统在不改变轴承现有结构的基础上，通过测量超声信号到滚道-空气界面传播速度和时间得到轴承内部对应点温度平均值，并结合轴承内外圈表面温度计算轴承内外圈内部温度场分布，进而为建立轴承回转元件上温度和润滑油膜的热失效的关系提供技术手段。
附图说明
图1为本发明实施例提供的滚动轴承内部温度场的无损测量方法实验系统示意图；
图2为本发明实施例提供的滚动轴承内部温度场的无损测量方法标定系统示意图；
图3为本发明实施例提供的超声回波信号波形图，不同温度对应不同回波时间；
图中，1.被测轴承，2.轴承外圈，3.超声探头阵列，4.信号控制装置，5.信号采集装置，6.信号处理装置，7.上位机，8.轴承表面温度测量装置，9.供热装置，10.轴承内圈，11.轴承外圈剖面，12.轴承内圈剖面，13.温度传感器，14.温度测量装置。
具体实施方式
参见图1所示，本发明实施例提供了一种滚动轴承内部温度场的测量系统，该测量系统包括检测装置，所述检测装置主要包括安装轴承的外表面或者内表面上的若干个超声探头3，这些超声探头3间隔放置。
所述超声探头3连接信号控制装置4，通过该信号控制装置4来控制这些超声探头3中超声信号的发射和接收。
所述信号控制装置4连接信号采集装置5，所述信号采集装置5连接信号处理装置6，所述信号处理装置6连接上位机7，这样通过所述信号采集装置5采集超声探头3发射的信号，并通过信号处理装置6进行信息处理，最终通过上位机7得到轴承内部的平均温度。
在所述轴承外圈或者内圈的表面放置表面温度测量装置8用于采集相对应的表面温度信息，从而获得轴承表面的平均温度，所述表面温度测量装置8连接上位机7。
下面详细说明一下基于上述测量装置针对被测轴承内部温度场的测量方法，主要包括如下步骤：
步骤一：在被测轴承的内圈或外圈表面安装超声探头3，通过超声探头3发射超声波信号，其中超声波信号穿过被测轴承的外圈或者内圈经轴承内滚道和空气界面反射回来，对反射回来的超声波信号进行分析得到轴承内部平均温度；
具体地，参见图1所示，所述信号处理装置6利用回波信号的相似性对反射回来的超声波信号进行噪声滤波，剔除噪声干扰，将处理后的超声信号经放大后传至上位机77计算超声从发射到回波信号时间，根据回波时间计算超声波速度，利用计算得到的超声波速度和被测轴承内部材料温度关系检测得到滚动轴承内部平均温度。
需要说明的就是，通过超声探头3从被测轴承内圈开始发射的时候，为了实现超声探头3的安装，可以在与被测轴承相配合的轴体表面圆周方向上加工出一沟槽，然后将超声探头3放置在所述沟槽内，最后被测轴承套在所述轴体上，使得轴体上的超声探头3与被测轴承内圈相贴合即可。
步骤二：在被测轴承的内圈或者外圈安装表面温度测量装置8测量轴承表面平均温度；
进一步地，通过超声探头3测量得到轴承内部平均温度后，将所述超声探头3拆下，然后在轴承的外表面上均匀安装若干个表面温度测量装置8测量被测轴承表面温度。
所述温度测量装置可以选用温度传感器，所述温度测量装置的输出端连接上位机7，通过上位机7得到轴承外圈表面的平均温度。
作为本领域的技术人员来说，容易知道的是，如果测量轴承内圈表面温度，也可以使用上述方法，例如在轴承内圈表面安装温度传感器，最终得到轴承内圈表面的平均温度。
步骤三：建立轴承热传导模型，通过所述被测轴承内部平均温度和被测轴承表面平均温度以及轴承热传导模型得出被测轴承的外圈内部温度场或者内圈内部温度场。
具体地，在本实施例中由信号控制装置4激发超声信号，超声信号由滚动轴承外表面进入，经轴承内滚道-空气界面反射后回波，由信号处理装置6利用超声激发及回波信号的相似性进行滤波，排除噪声干扰后超声回波信号波形图如图3所示。
设x为距被测轴承外套筒表面距离，将上述所得的所测轴承外圈内部温度场记为T1(x)，已知在轴承钢等金属材料中温度与超声声速呈线性分布，可将T1(x)写为(1)式形式
T1(x)＝ax+b (1)
其中，a,b为待测参数；记轴承套筒外表面为冷端面，可由表面温度测量装置8直接测得，则边界条件为：T1(x)|x＝L＝T冷，带入式(1)得：
T1(x)＝a(x-L)+T冷 (2)
由于温度变化，回波信号的超声声时发生变化，超声从发射到内滚道-空气界面反射脉冲超声传播时间tL,如式(3)所示。
Figure BDA0003360021420000071
至此，只要得到脉冲传播速度，便可求出参数a、b，求的温度场分布T1(x)，根据加入杨氏模量随温度变化关系后的波速方程可得：
Figure BDA0003360021420000072
其中，V是超声波的声速，E0为0℃时的金属弹性模量，η为弹性模量的温度系数，T1(x)为温度，ρ为金属密度，σ为泊松比。
结合(1)(2)(3)(4)式以及边界条件，便可求得所构建的轴承外圈内部温度场T1(x)分布。
同理，可得轴承内圈温度场T2(x)分布。
除此之外，本发明实施例提供的测量系统还包括标定装置，通过该标定装置能够对实测的实测值T1(x)、T2(x)进行标定。
参见图2所示，将所述超声探头3分别安装在被测轴承外圈和内圈上，其中信号控制装置4、信号采集装置5、信号处理装置6、表面温度测量装置8安装和步骤一相同。
现以被测轴承为深沟球轴承为例，轴承工作时主要热量变化由轴承滚子和内外圈间摩擦产生，对轴承内部温度场进行标定时，那么首先将轴承滚子取下，滚子位置填充一层均匀发热的供热装置9，并将轴承内外圈分别制作出轴承内圈剖面12和轴承外圈剖面11，在剖面上沿轴承径向方向上安装多个温度传感器13，将温度传感器13连接于温度测量装置14上，并和上位机7进行连接，通过设置供热装置9温度值，结合温度测量装置14检测出轴承内部各点的温度值，直接建立轴承内部温度场T’1(x)、T’2(x)，对实测值T1(x)、T2(x)进行标定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，
在轴承的内圈或外圈表面安装超声探头，通过超声探头发射超声波信号，其中超声波信号穿过轴承的外圈或者内圈经轴承内滚道和空气界面反射回来，对反射回来的超声波信号进行分析得到轴承内部平均温度；
在轴承的内圈或者外圈安装温度测量装置测量轴承表面平均温度；
建立轴承热传导模型，通过所述轴承内部平均温度和轴承表面平均温度以及轴承热传导模型得出轴承的内圈内部温度场或者外圈内部温度场。
2.如权利要求1所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，通过内圈测量轴承内部平均温度的时候，将所述超声探头放置在于所述被测轴承相配合的轴体上。
3.如权利要求2所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，将所述与轴承相配合的轴体上加工出沟槽，所述超声探头放置在所述沟槽内。
4.如权利要求2所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，所述超声探头为N个，且均匀安装在轴承外圈的外壁面或者所述轴体上，将所述N个超声探头统一通过信号分析器连接到上位机上。
5.如权利要求1所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，建立轴承热传导模型的过程为：
假设所测轴承外圈或者内圈的内部温度场记为T(x)，其中
T(x)＝ax+b (1)
a,b为待测参数；记轴承套筒外表面或内表面为冷端面，由温度测量装置直接测得，则边界条件为：T(x)|x＝L＝T冷，带入式(1)得：
T(x)＝a(x-L)+T冷 (2)
超声从发射到内滚道-空气界面反射脉冲超声传播时间tL,其中:
Figure FDA0003360021410000021
根据加入杨氏模量随温度变化关系后的波速方程可得：
Figure FDA0003360021410000022
其中，V是超声波的声速，E0为0℃时的金属弹性模量，η为弹性模量的温度系数，T(x)为轴承外圈或者内圈的温度场，ρ为金属密度，σ为泊松比；
结合(1)(2)(3)(4)式以及边界条件，求得所述轴承外圈或者内圈的内部温度场T(x)分布。
6.如权利要求5所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，还包括标定过程，将轴承滚子取下，充一层均匀发热的供热装置，并将轴承内圈或者外圈制作出剖面，在剖面上安装多个温度传感器，将温度传感器连接于温度测量装置上，设置供热装置温度值，结合温度测量装置检测出轴承内部各点的温度值，直接建立轴承内部温度场T’(x)，对实测值T(x)进行标定。
7.如权利要求1所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，计算超声探头从发射超声信号到接收超声信号的时间，根据所述计算的时间得出超声波速度，利用超声波速度和轴承材料温度关系得到轴承内部平均温度。
8.如权利要求7所述的一种轴承内部温度场的测量方法，其特征在于，利用回波信号的相似性对接收超声信号进行噪声滤波。
9.一种实现权利要求1所述的轴承内部温度场的测量方法的测量系统，其特征在于，包括安装在轴承外圈或者内圈壁面上的超声探头和温度检测器，所述超声探头连接信号采集器，所述信号采集器连接信号控制器，所述信号控制器连接上位机，所述温度检测器连接上位机。
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