CN114577153B - 一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统 - Google Patents

一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统，根据超声压电陶瓷传感器的安装位置，针对两种被测量结构(钢‑油层‑衬层‑钢结构与钢‑衬层‑油层‑钢结构)，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域的分析和处理，采用基于多层结构反射系数的两种四层结构对应的膜厚计算公式计算油膜厚度。通过高精度标定实验台进行验证，结果表明利用中心频率为10MHz的超声压电陶瓷传感器能够实现油膜厚度在100微米范围内的准确测量。本发明解决了具有薄衬层结构的推力滑动轴承润滑油膜厚测量误差大，测量范围小的问题，从而满足实际工业中滑动轴承启动阶段润滑油膜厚大尺度连续变化的要求。

Description

一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统
技术领域
本发明属于机器系统摩擦副润滑状态检测技术领域，具体涉及一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统。
背景技术
在机械运转过程中，两个运动表面之间通常会形成一层薄薄的润滑层用于分离和润滑摩擦副，从而控制或减少摩擦副之间的摩擦和磨损。因此，准确、实时地测量润滑油膜厚度对于揭示摩擦副的润滑状况至关重要。
超声技术作为一种无损测量技术，在薄膜厚度测量中受到越来越多的关注。针对常见的摩擦副结构(钢-油-钢三层结构)，目前已经建立不同的测量模型。对于推力滑动轴承来说，为了改善其摩擦性能，通常在轴瓦表面浇筑有一层合金衬层例如巴氏合金衬层。合金衬层的厚度按照不同的轴承直径通常设计在零点几毫米到六毫米范围内。这样，原有的钢-润滑膜-钢三层结构变成了钢-合金衬层-润滑膜层-钢四层结构。相对于超声波在衬层介质中的单个波包长度，当合金衬层很厚时(衬层厚度大于超声波波包长度的一半时)，超声波在基底-衬层界面的反射信号与超声波在润滑层上的反射信号彼此分离，此时超声波在润滑膜层上反射信号可以直接获得，四层结构可以简化成三层结构。以上三层结构的模型都可用于此结构下的膜厚计算。
但当合金衬层很薄时(衬层厚度小于超声波波包长度的一半时)，超声波在基底-合金衬层界面的反射信号与超声波在润滑膜层的反射信号将发生重叠。此时，超声波在基底-合金衬层界面的反射信号将对超声波在润滑膜层上的反射信号产生干扰，使得超声波在润滑膜层上反射信号的频谱受到污染，进而无法有效获得代表润滑油膜厚度的信息。
目前，针对具有薄衬层结构的轴承润滑油膜厚超声检测方法主要有比值法和回波分离法。比值法通过重叠反射信号与基底-巴氏合金层界面反射信号的幅值比同参考信号与基底-巴氏合金层界面反射信号的幅值比的关系获得润滑油膜厚度值[7]，但这种方法需要预先加工相同材料的厚衬层结构轴瓦试块来获得超声波在基底-巴氏合金界面的反射信号，这增加了实验的难度且难以保证从厚衬层中获得的基底-巴氏合金界面处的反射信号与薄衬层结构中基底-巴士合金界面处的反射信号完全一致。
回波分离法提出将重叠反射信号表示为高斯回波的叠加，通过分离算法将重叠反射信号进行准确分离，进而去除超声波在基底-巴氏合金层界面反射信号对膜厚超声测量的影响，但是该方法存在以下几个问题：
1、由于耦合剂以及脉冲激励的影响，实际的超声信号并不能够准确的用高斯回波表示；
2、润滑膜的反射信号是多个回波的叠加，并不能够用一个高斯回波准确表示；
3、当回波重叠严重时，回波分离算法将会发生失效。
以上的方法都不能够精确去除超声波在基底-巴氏合金层界面反射信号对膜厚超声测量的影响从而获得油膜厚度信息，且实现的油膜厚度测量范围小(利用中心频率为10MHz的超声压电陶瓷传感器只可实现10微米内的油膜厚度测量)。因此缺少一种可以精确实现具有薄衬层结构的推力滑动轴承油膜厚度大尺度测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统，解决具有薄衬层结构的滑动轴承中(衬层厚度小于超声波波包长度的一半)膜厚测量误差大、测量范围小的问题，满足工业实际中具有薄衬层结构的滑动轴承润滑油膜厚大尺度连续变化时的测量需求。
本发明采用以下技术方案：
一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，包括以下步骤：
S1、根据传感器的安装位置对测量结构进行分类，分别计算对应的润滑油膜厚；
S2、在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域分析和处理，得到油膜信号的反射系数复数谱；
S3、基于多层结构反射系数建立四层结构模型润滑膜厚计算公式，并代入步骤S2得到的油膜信号反射系数复数谱，计算不同测量结构的油膜厚度，完成推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量。
具体的，步骤S1中，当传感器安装在推力盘背面时，测量结构为：钢-油层-衬层-钢结构模型；当传感器安装在轴瓦的背面时，测量结构为：钢-衬层-油层-钢结构模型。
具体的，步骤S2中，传感器所采集信号的反射系数复数谱V4的计算如下：
Figure BDA0003559441650000031
其中，R4为超声波传感器采集到的测量结构反射信号；I为超声波入射信号。
进一步的，当测量结构为钢-油层-衬层-钢结构模型时，通过采集钢-空气界面的反射信号代替超声波入射信号I；当测量结构为钢-衬层-油层-钢结构模型时，根据钢-衬层-空气结构获得钢基底与衬层界面的入射信号I。
更进一步的，当测量结构为钢-衬层-油层-钢结构模型时，钢基底与衬层界面的入射信号I为：
Figure BDA0003559441650000032
其中，R3为钢-衬层-空气结构的反射信号；V3为钢-衬层-空气结构的反射系数。
再进一步的，钢-衬层-空气结构的反射系数V3的计算公式为：
Figure BDA0003559441650000041
其中，Z1为钢的声阻抗；
Figure BDA0003559441650000042
为衬层的等效输入声阻抗。
具体的，步骤S3中，采用基于多层结构反射系数的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-油层-衬层-钢结构的油膜厚度d2具体为：
Figure BDA0003559441650000043
其中，k2为油层的波数，
Figure BDA0003559441650000044
为油层的等效输入声阻抗；Z2为油层的声阻抗；
Figure BDA0003559441650000045
为衬层的等效输入声阻抗。
具体的，步骤S3中，采用基于连续介质模型的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-衬层-油层-钢结构的油膜厚度d3具体为：
Figure BDA0003559441650000046
其中，k3为油层的波数，
Figure BDA0003559441650000047
为油层的等效输入声阻抗，Z3为油层的声阻抗，
Figure BDA0003559441650000048
为钢的等效输入声阻抗。
进一步的，第m层介质的等效声阻抗
Figure BDA0003559441650000049
计算如下：
Figure BDA00035594416500000410
其中，Zm为第m层介质的声阻抗，m＝2,3,…n-1；km为第m层介质的波数；dm为第m层介质的厚度；
第n层介质的等效声阻抗
Figure BDA00035594416500000411
计算如下：
Figure BDA00035594416500000412
其中，Zn为第n层介质的声阻抗。
第二方面，本发明实施例提供了一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量系统，包括：
分类模块，根据传感器的安装位置对测量结构进行分类，分别计算对应的润滑油膜厚；
分析模块，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域分析和处理，得到油膜信号的反射系数复数谱；
测量模块，基于多层结构反射系数建立四层结构模型润滑膜厚计算公式，并代入分析模块得到的油膜信号反射系数复数谱，计算不同测量结构的油膜厚度，完成推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，针对两种被测量结构(钢-油层-衬层-钢结构与钢-衬层-油层-钢结构)，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域的分析和处理，采用基于多层结构反射系数的两种四层结构对应的膜厚计算公式计算油膜厚度。与现有测量具有薄衬层结构的轴承润滑膜厚的超声方法相比，能够精确去除衬层反射信号对膜厚测量的影响，并提高膜厚测量范围，满足实际工业中滑动轴承启动阶段润滑油膜厚大尺度连续变化的要求。
进一步的，针对实际监测过程中，超声传感器在推力盘背面或轴瓦背面的两种安装位置，分别计算钢-油层-衬层-钢结构和钢-衬层-油层-钢结构的油膜厚度，考虑衬层位于油层前后对超声反射信号的不同影响。
进一步的，根据反射系数定义，两种测量结构的超声反射系数为超声传感器采集到的反射信号与入射信号的比值。
进一步的，对于钢-油层-衬层-钢结构，入射信号为超声波入射到油层界面的信号，在实际过程中入射信号无法直接获得，由于空气界面的反射系数近似为1，采集钢-空气界面反射信号作为超声入射信号；对于钢-衬层-油层-钢结构，入射信号为超声波入射到衬层界面的信号，可通过采集钢-衬层-空气结构的反射回波，利用多层结构反射系数计算其反射系数，进而根据反射系数定义计算反射波与反射系数的比值求得入射波大小，解决了入射信号难获取问题。
进一步的，基于多层结构反射系数公式，钢-衬层-空气结构的反射系数可根据衬层的等效输入声阻抗与钢的声阻抗计算得到。
进一步的，基于多层结构反射系数公式，对于钢-油层-衬层-钢结构，油膜厚度可根据介质的物性参数如等效声阻抗、声阻抗、波数计算得到，从而不需要考虑衬层反射信号与油膜信号叠加的影响。
进一步的，基于多层结构反射系数公式，对于钢-衬层-油层-钢结构，油膜厚度可根据介质的物性参数如等效声阻抗、声阻抗、波数计算得到，从而不需要考虑衬层反射信号与油膜信号叠加的影响。
进一步的，对于n层结构，第m(m＝2,3,…n-1)层介质的等效声阻抗
Figure BDA0003559441650000061
可用第m层介质的声阻抗、波数、厚度以及第m+1层介质的等效声阻抗表示，依次迭代循环计算直到m+1＝n，对于n层结构，第n层介质的等效声阻抗等于该层介质声阻抗。
综上所述，本发明一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，通过建立的两种四层结构计算模型计算膜厚，当轴承衬层为薄衬层时，可避开超声波在衬层界面的反射信号对膜厚超声测量的影响，从而获得油膜厚度的精确信息，并提高了膜厚测量范围，满足实际工业中滑动轴承启动阶段润滑油膜厚大尺度连续变化时的监测需求。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为多层结构超声波传播示意图；
图2为四层结构超声测量示意图，其中，(a)为钢-油层-衬层-钢结构，(b)为钢-衬层-油层-钢结构；
图3为润滑油膜厚标定实验台及超声测量系统示意图；
图4为利用两种四层结构模型对应的膜厚计算公式计算的油膜厚度与压电促动器(DPT)位移比较结果图，其中，(a)为钢-油层-衬层-钢结构，(b)为钢-衬层-油层-钢结构；
图5为润滑油膜计算过程图，其中，(a)为钢-油层-衬层-钢结构，(b)为钢-衬层-油层-钢结构。
其中：1.螺旋测微器；2.压电促动器；3.夹持装置；4.移动钢柱；5.润滑油膜；6.固定钢柱；7.标定台基底；8.超声波压电陶瓷传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，根据超声压电陶瓷传感器的安装位置，针对两种被测量结构(钢-油层-衬层-钢结构与钢-衬层-油层-钢结构)，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域的分析和处理，采用基于多层结构反射系数的两种四层结构对应的膜厚计算公式计算油膜厚度。通过高精度标定实验台进行验证，结果表明利用中心频率为10MHz的超声压电陶瓷传感器能够实现油膜厚度在100微米范围内的准确测量。本发明的特点是解决了具有薄衬层结构的推力滑动轴承(衬层厚度小于超声波波包长度的一半)润滑油膜厚测量误差大，测量范围小的问题(10微米内)，从而满足实际工业中滑动轴承启动阶段润滑油膜厚大尺度连续变化的要求。
请参阅图1，两个半无限层之间有n-2层，分别表示为1和n。这两个半无限层之间的每一层依次表示为2，3，…；当超声波垂直入射到n层时，基于连续介质模型，反射系数Vn表示为：
Figure BDA0003559441650000081
Figure BDA0003559441650000091
…
Figure BDA0003559441650000092
…
Figure BDA0003559441650000093
其中，
Figure BDA0003559441650000094
是第m层介质的等效声阻抗，m＝2,…,n-1；
Figure BDA0003559441650000095
为第n层介质的等效声阻抗；Zm是第m层介质的声阻抗；km是m层的波数，f是超声波的频率；dm为第m层介质的厚度。
本发明一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，包括以下步骤：
S1、确定被测量结构
根据压电陶瓷传感器在滑动轴承上的安装位置，将测量结构分为两类：
S101、当传感器安装在推力盘的背面，被测量结构为：钢-油层-衬层-钢；
请参阅图5(a)，具体计算如下：
S1011、去除钢柱表面的油膜，采集钢-空气界面的超声反射信号作为参考信号；
S1012、向钢-油层-衬层-钢结构发射超声波，并调节膜厚从厚膜减小到薄膜，在这一过程中，采集并存储不同厚度的油膜反射信号作为待测信号；
S1013、对步骤S1011和步骤S1012采集到的参考信号和待测信号分别进行快速傅里叶变换，从而获得各自在频域内的表达；
S1014、将步骤S1013得到的待测信号的复数谱除以参考信号的复数谱从而获得反射系数复数谱；
S1015、根据步骤S1014得到的反射系数复数谱，采用钢-油层-衬层-钢四层结构模型的膜厚计算公式计算润滑油膜厚。
S102、当传感器安装在轴瓦的背面时，被测量结构为：钢-衬层-油层-钢；
请参阅图5(b)，具体计算如下：
S1021、去除钢柱表面的油膜，采集衬层-空气界面的反射信号，并将该反射信号代入钢-衬层-空气结构反射系数表达式，计算出钢基底与衬层界面的入射信号作为参考信号复数谱；
对于钢-衬层-油层-钢结构，入射波为入射到钢-衬层界面的超声波，对于已加工好的合金衬层轴瓦，无法直接从钢-空气界面获得反射回波作为入射信号。钢-衬层界面的入射信号I首先通过钢(介质1)-衬层(介质2)-空气(介质3)结构获得，计算如下：
Figure BDA0003559441650000101
其中，R3为钢-衬层-空气结构的反射信号；V3为钢-衬层-空气结构的反射系数。
钢(介质1)-合金衬层(介质2)-空气(介质3)结构的反射系数V3通过下式计算出来：
Figure BDA0003559441650000102
Figure BDA0003559441650000103
Figure BDA0003559441650000104
其中，Zm为介质m的声阻抗，m＝1,2,3；
Figure BDA0003559441650000105
是第m层介质的等效声阻抗，m＝2,3；k2为介质2的波数；d2为介质2的厚度。
S1022、向钢-衬层-油层-钢结构发射超声波，并调节膜厚从厚膜减小到薄膜，在这一过程中，采集并存储不同厚度的油膜反射信号作为待测信号；
S1023、对步骤S1021和步骤S1022采集到的参考信号和待测信号分别进行快速傅里叶变换，从而获得各自在频域内的表达；
S1024、将步骤S1023得到的待测信号的复数谱除以参考信号的复数谱从而获得反射系数复数谱；
S1025、根据步骤S1024得到的反射系数复数谱，采用钢-衬层-油层-钢四层结构模型的膜厚计算公式计算润滑油膜厚。
S2、信号采集与频谱分析
在已知衬层厚度的条件下，针对两种不同的结构，调整润滑油膜厚度变化，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域的分析和处理；
S3、采用计算模型计算膜厚
采用基于多层结构反射系数的两种四层结构对应的膜厚计算公式计算油膜厚度。
请参阅图2，钢-油层-衬层-钢和钢-衬层-油层-钢两种结构的超声测量示意图。
在给定衬层厚度和频率时，反射系数与膜厚一一对应，因此利用多层结构反射系数的幅值和相位信息能够反映出油膜厚度的变化。
钢-油层-衬层-钢结构的油膜厚度d2计算为：
Figure BDA0003559441650000111
Figure BDA0003559441650000112
Figure BDA0003559441650000113
其中，Zm为介质m的声阻抗，m＝1,2,3,4；
Figure BDA0003559441650000114
是第m层介质的等效声阻抗，m＝2,3,4；km为介质m的波数，m＝2,3；d3为介质3的厚度。
钢-衬层-油层-钢结构的油膜厚度d3计算为：
Figure BDA0003559441650000115
Figure BDA0003559441650000121
Figure BDA0003559441650000122
Figure BDA0003559441650000123
Figure BDA0003559441650000124
其中，Zm为介质m的声阻抗，m＝1,2,3,4；
Figure BDA0003559441650000125
是第m层介质的等效声阻抗，m＝2,3,4；km为介质m的波数，m＝2,3；d2为介质2的厚度。
两种四层结构模型的润滑油膜厚计算公式均可以实现具有衬层结构的滑动轴承油膜厚度的高精度测量，衬层厚度从薄(衬层厚度小于超声波波包长度的一半)到厚(衬层厚度大于超声波波包长度的一半)。
本发明再一个实施例中，提供一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量系统，该系统能够用于实现上述推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，具体的，该推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量系统包括分类模块、分析模块以及测量模块。
其中，分类模块，根据传感器的安装位置对测量结构进行分类，分别计算对应的润滑油膜厚；
分析模块，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域分析和处理，得到油膜信号的反射系数复数谱；
测量模块，基于多层结构反射系数建立四层结构模型润滑膜厚计算公式，并代入分析模块得到的油膜信号反射系数复数谱，计算不同测量结构的油膜厚度，完成推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，采用精密润滑油膜厚标定试验台验证方法的有效性，实验装置由两部分组成：精确控制润滑油膜厚度的位移台和超声测量系统。
标定位移台主要包括：移动钢柱4以及位于移动钢柱4下方的固定钢柱6，移动钢柱4和固定钢柱6之间的间隙用于形成润滑油膜5。
用于粗调润滑油膜5厚度的螺旋测微器1(高度调节范围为0～18mm，分辨率为10μm)和精确控制润滑油膜5厚度的压电促动器2(高度调节范围为0～120μm，调节精度为1nm)、用于连接螺旋测微器1与压电促动器2的夹持装置3，移动钢柱4通过螺柱螺纹与压电促动器2连接。
含有衬层的固定钢柱6中衬层的厚度为370±10μm，移动钢柱4中衬层的厚度为400±10μm(两者的衬层厚度均小于超声波在衬层中传播时波包长度的一半)，精度由机加工保证。通过含衬层的固定钢柱6-润滑膜-不含衬层的移动钢柱4结构模拟钢-衬层-油层-钢结构，通过不含衬层的固定钢柱6-润滑膜-含衬层的移动钢柱4结构模拟钢-油层-衬层-钢结构。
超声测量系统主要包括超声波压电陶瓷传感器8、超声脉冲发射接收仪、数字采集卡、电脑和压电数字控制器。超声波压电陶瓷传感器8设置在标定台基底7上，超声波压电陶瓷传感器8的中心频率为7MHz，超声波压电陶瓷传感器8使用高温胶安装在标定台基底7静态钢柱背部的凹槽内。超声脉冲发射接收仪向超声波压电陶瓷传感器8发射一系列脉冲串来产生超声脉冲波。脉冲波垂直入射到油膜层，在油膜层发生反射和透射，反射回来的信号被12位100MSps采集卡采集送到电脑进行后处理。
请参阅图4，最终的膜厚计算结果随着压电促动器(DPT)位移的变化。可以看到，利用四层结构模型膜厚计算公式测得的润滑油膜厚度基本上随DPT位移呈线性变化，使用中心频率为10MHz的超声压电元件可以准确测量100微米范围内变化的油膜厚度。利用直线拟合该数据可以得到在钢-油层-衬层结构中的拟合直线的斜率为-0.94，相对均方根误差为1.2％。在钢-衬层-油层-钢结构中拟合直线的斜率为-1.03，相对均方根误差为1.3％。
这表明，本发明膜厚测量方法能够很好地预测含薄衬层的结构大尺度范围变化的润滑油膜的厚度。
综上所述，本发明一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法及系统，针对两种被测量结构(钢-油层-衬层-钢结构与钢-衬层-油层-钢结构)，在已知衬层厚度的条件下，采用基于多层结构反射系数的两种四层结构对应的膜厚计算公式计算油膜厚度，当轴承衬层为薄衬层时，可避开超声波在衬层界面的反射信号对膜厚超声测量的影响，从而获得油膜厚度的精确信息，并提高了膜厚测量范围，满足实际工业中滑动轴承启动阶段润滑油膜厚大尺度连续变化时的监测需求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据传感器的安装位置对测量结构进行分类，分别计算对应的润滑油膜厚；
S2、在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域分析和处理，得到油膜信号的反射系数复数谱；
S3、基于多层结构反射系数建立四层结构模型润滑膜厚计算公式，并代入步骤S2得到的油膜信号反射系数复数谱，计算不同测量结构的油膜厚度，完成推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量；
采用基于多层结构反射系数的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-油层-衬层-钢结构的油膜厚度d2具体为：
Figure FDA0003978728810000011
其中，k2为油层的波数，
Figure FDA0003978728810000012
为油层的等效输入声阻抗；Z2为油层的声阻抗；
Figure FDA0003978728810000013
为衬层的等效输入声阻抗；
采用基于连续介质模型的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-衬层-油层-钢结构的油膜厚度d3具体为：
Figure FDA0003978728810000014
其中，k3为油层的波数，
Figure FDA0003978728810000015
为油层的等效输入声阻抗，Z3为油层的声阻抗，
Figure FDA0003978728810000016
为钢的等效输入声阻抗。
2.根据权利要求1所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，步骤S1中，当传感器安装在推力盘背面时，测量结构为：钢-油层-衬层-钢结构模型；当传感器安装在轴瓦的背面时，测量结构为：钢-衬层-油层-钢结构模型。
3.根据权利要求1所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，步骤S2中，传感器所采集信号的反射系数复数谱V4的计算如下：
Figure FDA0003978728810000021
其中，R4为超声波传感器采集到的测量结构反射信号；I为超声波入射信号。
4.根据权利要求3所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，当测量结构为钢-油层-衬层-钢结构模型时，通过采集钢-空气界面的反射信号代替超声波入射信号I；当测量结构为钢-衬层-油层-钢结构模型时，根据钢-衬层-空气结构获得钢基底与衬层界面的入射信号I。
5.根据权利要求4所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，当测量结构为钢-衬层-油层-钢结构模型时，钢基底与衬层界面的入射信号I为：
Figure FDA0003978728810000022
其中，R3为钢-衬层-空气结构的反射信号；V3为钢-衬层-空气结构的反射系数。
6.根据权利要求5所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，钢-衬层-空气结构的反射系数V3的计算公式为：
Figure FDA0003978728810000023
其中，Z1为钢的声阻抗；
Figure FDA0003978728810000024
为衬层的等效输入声阻抗。
7.根据权利要求1所述的推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量方法，其特征在于，步骤S3中，第m层介质的等效声阻抗
Figure FDA0003978728810000025
计算如下：
Figure FDA0003978728810000026
其中，Zm为第m层介质的声阻抗，m＝2,3,…n-1；km为第m层介质的波数；dm为第m层介质的厚度；
第n层介质的等效声阻抗
Figure FDA0003978728810000031
计算如下：
Figure FDA0003978728810000032
其中，Zn为第n层介质的声阻抗。
8.一种推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量系统，其特征在于，包括：
分类模块，根据传感器的安装位置对测量结构进行分类，分别计算对应的润滑油膜厚；
分析模块，在已知衬层厚度的条件下，对超声波入射信号和润滑油膜的反射信号进行频域分析和处理，得到油膜信号的反射系数复数谱；
测量模块，基于多层结构反射系数建立四层结构模型润滑膜厚计算公式，并代入分析模块得到的油膜信号反射系数复数谱，计算不同测量结构的油膜厚度，完成推力滑动轴承润滑油膜厚度在线超声测量；
采用基于多层结构反射系数的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-油层-衬层-钢结构的油膜厚度d2具体为：
Figure FDA0003978728810000033
其中，k2为油层的波数，
Figure FDA0003978728810000034
为油层的等效输入声阻抗；Z2为油层的声阻抗；
Figure FDA0003978728810000035
为衬层的等效输入声阻抗；
采用基于连续介质模型的四层结构模型润滑膜厚计算公式计算钢-衬层-油层-钢结构的油膜厚度d3具体为：
Figure FDA0003978728810000036
其中，k3为油层的波数，
Figure FDA0003978728810000037
为油层的等效输入声阻抗，Z3为油层的声阻抗，
Figure FDA0003978728810000038
为钢的等效输入声阻抗。
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