CN114624026B - 一种高速轴承动态监测方法及阵列超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速轴承动态监测方法，属于轴承检测领域，包括将阵列超声换能器的换能器阵元贴合轴承外圈，阵列超声换能器通过引线连接外部硬件系统；当轴承处于低速或静止状态，使用逐线扫描的方式实现低帧频成像；当轴承处于高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量等步骤，通过上述步骤，能够对轴承的油膜区域进行实时动态的图像观测，防止出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。本发明还涉及实施上述高速轴承动态监测方法的阵列超声换能器。
Description
技术领域
本发明涉及轴承检测领域，尤其是涉及高速轴承动态监测方法以及检测高速轴承的阵列超声换能器。
背景技术
润滑不良是造成滚动轴承失效的主要原因之一。润滑不良导致轴承的滚珠或滚柱的接触面无法形成良好的油膜，从而形成粘着磨损，使工作表面状态恶化，致使表面出现磨损、胶合、塑性变形以及点蚀等失效形式；而且粘着磨损产生的撕裂物易进入保持架，使保持架产生异常载荷，从而造成保持架断裂，最后导致轴承的最终失效。因此，对轴承的润滑情况进行实时动态监测对于保证轴承的正常运行具有重要作用。
超声检测方法具有成本低、设备体积小、检测实时性高、无放射危害、检测精度高等优势，适用于对轴承的润滑情况进行实时动态监测。传统的超声无损检测方法使用A型回波方法对其进行检测，当超声波束自零件表面由探头通至检查对象内部，遇到缺陷与零件底面时发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。
但是这种方法不直观，对操作人员的经验要求较高，容易产生漏检或检验不充分。利用阵列换能器对物体进行B型成像观测无疑更直观，能够有效提高检测准确度。但是，常规超声成像使用逐线扫描的方法进行成像，形成一帧超声图像的发射次数直接受限于一帧扫查区域范围内包含的扫描线数，受声波传播速度的限制，其成像帧率被限制在每秒20到50帧左右，无法满足轴承这一类高速运转的运动目标的检测，因此仍需找到一种更快帧频的检测手段。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高速轴承动态监测方法，能够对高速运转的轴承的油膜区域进行实时动态的图像监测，防止其出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之二在于提供一种阵列超声换能器，能够对高速运转的轴承的油膜区域进行实时动态的图像监测，防止其出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种高速轴承动态监测方法，包括以下步骤：
安装阵列超声换能器：将阵列超声换能器的换能器阵元贴合轴承外圈，阵列超声换能器通过引线连接外部硬件系统；
监测成像：当轴承处于低速或静止状态，使用逐线扫描的方式实现低帧频成像；当轴承处于高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量。
进一步的，所述换能器阵元的数量大于16。
进一步的，所述换能器阵元的工作频率为1MHz-20MHz。
进一步的，所述阵列超声换能器内径与所述轴承的外圈直径相同，使所述阵列超声换能器具有聚焦效果，从而在聚焦区域获得较高的空间分辨率。
进一步的，所述轴承的待检测区域位于聚焦区域内。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种用于实施上述任意一种高速轴承动态监测方法的阵列超声换能器，包括背衬块以及若干换能器阵元，所述背衬块呈圆弧形，若干所述换能器阵元位于所述背衬块的内圈上，所述背衬块以及若干所述换能器阵元由耐高温材料制作而成。
进一步的，所述换能器阵元的数量大于16。
进一步的，所述换能器阵元的工作频率为1MHz-20MHz。
相比现有技术，本发明高速轴承动态监测方法通过将阵列超声换能器的换能器阵元贴合轴承外圈，阵列超声换能器通过引线连接外部硬件系统；当轴承处于低速或静止状态，使用逐线扫描的方式实现低帧频成像；当轴承处于高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量，能够对轴承的油膜区域进行实时动态的图像观测，防止出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。
附图说明
图1为本发明阵列超声换能器的结构示意图；
图2为图1的阵列超声换能器A处的放大图；
图3为本发明高速轴承动态监测方法的实施过程示意图；
图4为逐线扫描示意图；
图5为平面波快速成像示意图；
图6为阵列超声换能器逐线扫描时的声场分布；
图7为阵列超声换能器使用平面波成像时的声场分布。
图中：100、阵列超声换能器；10、背衬块；20、换能器阵元；21、外圈；22、滚珠；23、内圈。
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，所描述的实施例仅仅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。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1至图2为本发明阵列超声换能器100的结构示意图，阵列超声换能器100包括背衬块10以及若干换能器阵元20。
背衬块10以及换能器阵元20均由耐高温材料制成，以防止轴承运转时发热导致换能器失效。
背衬块10为圆弧形，便于与轴承贴合。
换能器阵元20的数量为多个。具体的，换能器阵元20的数量大于16，以确保快速成像。换能器阵元20的工作频率为Fc＝1MHz-20MHz，以适应不同类型的轴承。
若干换能器阵元20固定于背衬块10的内侧，呈圆弧形排布。若干换能器阵元20所形成的圆弧的半径与轴承外圈21的外径相同，使若干换能器阵元20能够更好地贴合轴承外圈21，同时阵列超声换能器100曲率半径使得换能器具有聚焦效果，从而在聚焦区域获得较高的空间分辨率，应尽量保证待检测区域位于聚焦区域之内，达到提高检测精度的目的。
阵列超声换能器100通过引线连接到外部的硬件系统。成像时，若监测对象工作于低速或静止状态，可以使用逐线扫描的方式实现低帧频成像，如图4所示，阵列超声换能器100逐线扫描时的声场分布如图6所示；当监测对象高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，如图5所示，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量，阵列超声换能器100使用平面波成像时的声场分布如图7所示；两种方式能够自由切换，兼顾成像质量与成像速度。
本发明还涉及采用上述阵列超声换能器100实施的一种高速轴承动态监测方法，高速轴承动态监测方法用于检测轴承的油膜区域进行实时动态的图像观测，防止其出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。
待检测的轴承包括外圈21、滚珠22以及内圈23，滚珠22位于外圈21以及内圈23之间。
一种高速轴承动态监测方法包括以下步骤：
安装阵列超声换能器100：将阵列超声换能器100的换能器阵元20贴合轴承外圈21(如图3所示)，阵列超声换能器100通过引线连接外部硬件系统；
监测成像：当轴承处于低速或静止状态，使用逐线扫描的方式实现低帧频成像；当轴承处于高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量。
具体的，换能器阵元20的数量大于16。换能器阵元20的工作频率为1MHz-20MHz。阵列超声换能器100内径与轴承的外圈21直径相同，使阵列超声换能器100具有聚焦效果，从而在聚焦区域获得较高的空间分辨率。轴承的待检测区域位于聚焦区域内，达到提高检测精度的目的。
本发明高速轴承动态监测方法能够对轴承的油膜区域进行实时动态的图像观测，防止出现润滑不良的状况，达到预防或预警轴承失效的目的。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高速轴承动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
安装阵列超声换能器：将阵列超声换能器的换能器阵元贴合轴承外圈的外圆周面，阵列超声换能器通过引线连接外部硬件系统；
监测成像：当轴承处于低速或静止状态，使用逐线扫描的方式实现低帧频成像；当轴承处于高速运转时，使用平面波成像的方法实现高帧频快速成像，并通过多角度发射平面波进行相干复合成像提高图像的质量。
2.根据权利要求1所述的高速轴承动态监测方法，其特征在于：所述换能器阵元的数量大于16。
3.根据权利要求1所述的高速轴承动态监测方法，其特征在于：所述换能器阵元的工作频率为1MHz-20MHz。
4.根据权利要求1所述的高速轴承动态监测方法，其特征在于：所述阵列超声换能器内径与所述轴承的外圈直径相同，使所述阵列超声换能器具有聚焦效果，从而在聚焦区域获得较高的空间分辨率。
5.根据权利要求4所述的高速轴承动态监测方法，其特征在于：所述轴承的待检测区域位于聚焦区域内。
6.一种用于实施如权利要求1-5任一项所述的高速轴承动态监测方法的阵列超声换能器，包括背衬块以及若干换能器阵元，所述背衬块呈圆弧形，若干所述换能器阵元位于所述背衬块的内圈上，所述背衬块以及若干所述换能器阵元由耐高温材料制作而成。
7.根据权利要求6所述的阵列超声换能器，其特征在于：所述换能器阵元的数量大于16。
8.根据权利要求6所述的阵列超声换能器，其特征在于：所述换能器阵元的工作频率为1MHz-20MHz。
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