CN115307586A

CN115307586A - 轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法

Info

Publication number: CN115307586A
Application number: CN202210986354.2A
Authority: CN
Inventors: 古乐; 汪剑云; 贺彦博; 张传伟; 李臻; 郑德志; 王黎钦
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: CN115307586B

Abstract

一种轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，属于润滑油膜厚度测量领域。针对现有润滑油膜厚度测量方法无法实现两层介质油膜厚度测量的问题提出本发明。包括：使超声波经钢介质层入射到油膜吸附层；分别建立钢介质层和油膜吸附层入射波和反射波的叠加位移场，并求导获得应力场；再根据超声传播在界面处的位移与应力连续性理论建立钢介质层和油膜吸附层叠加位移场和应力场的对应关系；以及根据自由界面理论得到油膜吸附层应力场针对油膜吸附层厚度的表达式；由以上建立的关系式求解得到包含吸附油膜层厚度信息的钢介质层反射系数的表达式，进一步分析得到油膜吸附层厚度。本发明用于薄吸附油膜厚度的测量。

Description

轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法

技术领域

本发明涉及轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，属于润滑油膜厚度测量领域。

背景技术

轴承是发动机和主轴等设备的核心支撑部件，良好的润滑状态是轴承寿命与可靠性的核心保障。

在苛刻工况下，润滑失效会导致滚动轴承发生早期失效问题。润滑油膜厚度作为轴承润滑状态的直接判据，对其实时监测是轴承性能预测的可靠有效手段，对设备故障的早期诊断具有重要意义和工程适用价值。对于断油等极端工况，整个轴承滚道的润滑膜厚监测有助于了解断油瞬间到轴承抱死过程中润滑油的状态分布，为故障分析及系统的改进设计提供数据分析。通常断油时，滚道吸附膜厚由两部分组成，一种来源于断油时轴承腔体内气压的降低，使一部分油气液化吸附在滚道上；另一种来源于滚动体带动轴承下方存余微小油量进入轴承上方滚道。吸附膜厚虽然量小，但对轴承的抗断油性能具有重要影响，因此测量吸附膜厚具有重要意义。

作为一种无损检测方法，超声膜厚测量方法具有很好的工程应用性，已被用于轴承膜厚的测量。目前超声膜厚测量方法主要有飞行时间法、谐振模型法和准静态弹簧模型法。其中飞行时间法多用于测量1mm以上膜厚；谐振模型方法多用于测量100μm以上膜厚；弹簧模型方法多用于测量10μm以下膜厚，测量范围较小。对于轴承滚道界面吸附膜厚，当其吸附膜厚较大时，可以采用飞行时间法测量润滑油膜厚度；但轴承滚道界面吸附膜厚通常在1mm以下，而谐振模型法以及弹簧模型法多针对三层介质(钢-油-钢三层介质)，不适用针对两层介质的油膜厚度测量。光学类测量方法也能实现吸附油膜层的高精度测量，尤其是白光干涉方法，但光学类方法由于需要光学镜头正对油膜层，在工程上不适用。

发明内容

针对现有润滑油膜厚度超声测量方法无法实现两层介质油膜厚度测量的问题，本发明提供一种轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法。

本发明的一种轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，包括，

使超声波经钢介质层入射到油膜吸附层；

建立钢介质层入射波和反射波的叠加位移场；

再建立油膜吸附层入射波和反射波的叠加位移场；

对钢介质层叠加位移场和油膜吸附层叠加位移场求导，获得钢介质层应力场和油膜吸附层应力场；

再根据超声传播在界面处的位移与应力连续性理论建立钢介质层和油膜吸附层叠加位移场和应力场的对应关系；以及根据自由界面理论得到油膜吸附层应力场针对油膜吸附层厚度的表达式；

由以上建立的关系式求解得到包含吸附油膜层厚度信息的钢介质层反射系数的表达式，进一步分析得到油膜吸附层厚度。

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，设定钢介质层入射波的位移场u_si为：

式中I_a表示钢介质层入射波幅值，f表示超声波频率，t表示时间，c_s表示钢介质层超声波声速；x表示以钢介质层和油膜吸附层的界面处为原点，向钢介质层为负方向，向油膜吸附层为正方向的坐标轴的坐标位置；

在稳态下省略时间项，得到钢介质层叠加位移场如下：

式中u_s(x)表示钢介质层叠加位移场；R_s表示钢介质层反射系数，为钢介质层反射波与入射波的幅值比；

同理得到油膜吸附层叠加位移场如下：

式中u_o(x)表示油膜吸附层叠加位移场，T_o表示油膜吸附层透射系数，c₀表示油膜吸附层超声波声速；R_o表示油膜吸附层反射系数。

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，对钢介质层叠加位移场和油膜吸附层叠加位移场求导，获得钢介质层应力场σ_s(x)和油膜吸附层应力场σ_o(x)如下：

式中E_s为钢介质层杨氏模量，E_o为油膜吸附层杨氏模量：

式中ρ_o为油膜吸附层密度，ρ_s为钢介质层密度。

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，根据超声传播在界面处的位移与应力连续性理论得到：

根据自由界面理论得到：

σ_o(h)＝0 (9)

式中h表示油膜吸附层厚度。

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，联立(2)～(8)式得到：

联立式(9)和式(5)得到：

将式(11)代入式(10)得到：

求解式(12)，得到钢介质层反射系数R_s的表达式：

由此得到油膜吸附层厚度h为：

式中r表示超声波从钢介质层入射到钢-油界面再反射到钢介质层的钢介质-油界面反射系数：

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，带有油膜吸附层时钢介质层反射系数R_s的获得方法包括：

式中A_m为超声波从钢介质层入射到油膜吸附层的反射波信号的傅里叶变换值，A_ref为参考信号的傅里叶变换值，所述参考信号为没有油膜吸附层时钢介质层参考界面反射波信号；

R_ref为钢介质层的参考界面的反射系数。

根据本发明的轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，钢介质层反射波和油膜吸附层反射波的测量方法包括：

使脉冲发生接收器发出电压激励信号作用于接触式超声直探头，接触式超声直探头发出超声波经钢介质层入射到钢界面或者油膜吸附层；

钢介质层参考界面反射波和从钢层入射到油膜层的反射波被接触式超声直探头接收到，再通过脉冲发生接收器线性放大后被信号采集卡采集并存储到电脑中。

本发明的有益效果：本发明方法通过分析接收到的超声波信号与油膜厚度的关系，建立了两层介质下油膜厚度的计算模型，推导了油膜厚度与测量信号的结果的量化关系，能够实现两层介质中薄吸附油膜厚度的精确测量，并进行工程应用。

附图说明

图1是超声波在两层介质中的传播示意图；图中s表示钢介质层，o表示油膜吸附层；T_s表示钢介质层透射波幅值；

图2是本发明所述测量方法中的钢介质层反射波和油膜吸附层反射波的测量过程示意图；

图3是在没有油膜吸附层时，测量得到的参考信号幅值图；

图4是在有油膜吸附层时，测量得到的油膜吸附层反射波信号幅值图；

图5是对参考信号和油膜吸附层反射波信号进行傅里叶变换得到的幅值图；

图6是对参考信号和油膜吸附层反射波信号进行傅里叶变换得到的相位图；

图7是由图5得到的参考信号幅值衰减一半带宽范围图；

图8是油膜吸附层厚度与频率的分布图；

图9是具体实施例中油膜吸附层厚度的测量试验平台示意图；

图10是具体实施例一的油膜吸附层厚度测量结果示意图；

图11是具体实施例二的油膜吸附层厚度测量结果示意图；

图12是具体实施例三的油膜吸附层厚度测量结果示意图。

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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种轴承滚道界面薄吸附油膜厚度的测量方法，包括，

使超声波经钢介质层入射到油膜吸附层；

建立钢介质层入射波和反射波的叠加位移场；

再建立油膜吸附层入射波和反射波的叠加位移场；

本实施方式适用于0-100μm范围内油膜吸附层厚度的测量。

如图1所示，对于薄油膜吸附层，当一个超声脉冲入射到钢-油界面时，一部分波透射进入油膜层，一部分波反射回钢层：

进一步，设定钢介质层入射波的位移场u_si为：

考虑到在稳态下可省略时间项，得到钢介质层叠加位移场如下：

同理得到油膜吸附层叠加位移场如下：

对钢介质层叠加位移场和油膜吸附层叠加位移场求导，获得钢介质层应力场σ_s(x)和油膜吸附层应力场σ_o(x)如下：

式中E_s为钢介质层杨氏模量，E_o为油膜吸附层杨氏模量：

式中ρ_o为油膜吸附层密度，ρ_s为钢介质层密度。

根据超声传播在界面处的位移与应力连续性理论得到：

再根据自由界面理论得到：

σ_o(h)＝0 (9)

式中h表示油膜吸附层厚度。

联立(2)～(8)式得到：

联立式(9)和式(5)得到：

将式(11)代入式(10)得到：

求解式(12)，得到钢介质层反射系数R_s的表达式：

由此得到油膜吸附层厚度h为：

带有油膜吸附层时钢介质层反射系数R_s的获得方法包括：

R_ref为钢介质层的参考界面的反射系数。例如可以是由钢介质层和空气界面形成的参考界面，其反射系数近似为0.99999。

通过测量计算获得钢介质层反射波幅值R_s，再依据公式(14)计算得到油膜吸附层厚度h。

实现本发明方法的具体步骤包括：

进行信号；

再进一步，结合图2所示，钢介质层反射波和油膜吸附层反射波的测量方法包括：

首先使脉冲发生接收器发出高电压激励信号作用于接触式超声直探头，接触式超声直探头发出超声波经钢介质层入射到钢界面或者油膜吸附层；

然后带有油膜吸附层厚度信息的钢介质层参考界面反射波和从钢层入射到油膜层的反射波被接触式超声直探头接收到，再通过脉冲发生接收器线性放大后传递到信号采集卡中，再进一步传输到电脑上进行分析处理可得到油膜厚度。

下面以20MHz中心频率的接触式超声直探头的测量过程进行具体说明：

1)首先在没有油膜时，测量得到参考信号如图3所示；

2)然后在有吸附油膜时，测量得到带有油膜层厚度信息的反射波信号，如图4所示；

3)对步骤1)和步骤2)得到的结果进行傅里叶变换，傅里叶变换结果的幅值图、相位图如图5和图6所示；依据图5得到信号衰减一半带宽范围，如图7所示。

4)对步骤3)得到的结果，按照式(16)进行处理，得到带宽范围内，不同频率下的R_s；

5)按照式(14)对步骤4)结果进行处理，得到带宽范围内一系列频率对应的油膜厚度h；如图8所示；

6)将步骤5)得到的油膜厚度进行均值化处理得到最终油膜厚度为9.95μm。

具体实施例：

如图9所示，以吸附油膜层膜厚测量试验平台说明本发明所述测量方法的有效性。图9中油膜置于试件上方，直探头与试件接触，试件的材料为钢。油膜层由吸水纸控制形成不同膜厚，并以白光干涉仪测量值作为参考。超声探头发出超声波作用于不同厚度的油膜层，进而接收到对应的反射波信号，采集卡采集反射波信号传递到电脑上进行数据分析得到润滑膜厚。

实施例一：

1)在没有油膜时，利用超声测量设备获取参考信号；

2)将4050润滑油滴在试件上，用吸油纸吸附直到油膜厚度约为0-10μm左右。接着利用白光干涉仪测量油膜厚度作为对照；

3)利用超声测量设备获取带有油膜层厚度信息的反射波信号，并对膜厚进行计算；

4)重复步骤2)，3)多次，设置不同膜厚进行测量。

得到的结果如图10所示，可以看到，本发明所述方法能够测量薄的吸附层膜厚，且结果良好，与白光干涉方法得到的参考油膜厚度吻合度高。

实施例二：

1)在没有油膜时，利用超声测量设备获取参考信号；

2)将航空煤油滴在试件上，并用吸油纸吸附直到油膜厚度约在0-15μm。接着利用白光干涉仪测量油膜厚度作为对照；

4)重复步骤2)，3)多次，设置不同膜厚进行测量。

得到的结果如图11所示，可以看到，本发明所述方法能够测量薄的吸附层膜厚，且结果良好，与白光干涉方法得到的油膜厚度吻合度高。

实施例三：

1)在没有油膜时，利用超声测量设备获取参考信号；

2)将水滴在试件上，并用吸水纸吸附直到水吸附层约为0-20μm。接着利用白光干涉仪测量水膜厚度作为对照；

3)利用超声测量设备获取带有水层厚度信息的反射波信号，并对膜厚进行计算；

4)重复步骤2)，3)多次。

得到的结果如图12所示，可以看到，本发明所述方法能够测量薄的吸附层膜厚，且结果良好，与白光干涉方法得到的油膜厚度吻合度高。

经上述实施例证明，本发明方法的测量结果与现有高精度白光干涉法测量的结果吻合，能够实现薄吸附油膜层厚度的精确测量

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。