一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置及测量方法，该方法通过采用安装方便、耦合剂适应性良好的非聚焦式超声直探头替代传统的水浸式聚焦超声探头，通过建立一种基于直探头有效测量区域占比的与空间分辨率相关的修正系数，对超声测量结果进行修正，减少回波反射区域声压平均效应对测量结果的影响，从而最大限度提高了测量结果的空间分辨率和精度，解决了超声检测方法在滚动轴承膜厚测量中对超声探头使用的局限性问题。本发明专利技术使基于超声的膜厚测量方法能真实应用于实际工业环境下的滚动轴承膜厚测量，可以更加准确的获取轴承的实际润滑状态，进而指导轴承润滑工业设计及应用，避免由于轴承润滑不良而造成的机器损坏、财产损失和人员伤害。财产损失和人员伤害。财产损失和人员伤害。

【技术实现步骤摘要】
一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及轴承油膜厚度测量领域，具体涉及一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]滚动轴承作为工业关节，广泛应用于各类旋转机械系统中，其运行性能稳定性与滚子和内外圈间的润滑状态密切相关。滚动轴承接触区域内的润滑油膜厚度可直观反映轴承的润滑接触状态。目前，基于刚度等效的超声法广泛应用于滚动轴承亚微米级油膜厚度测量试验研究中。在实际测试过程中，超声探头接收的回波信号反应的是接触界面声波反射区域的平均声压变化，称为探头的平均效应。考虑到滚动轴承滚动体与外圈实际接触区域十分狭小，为减少平均效应对超声测量结果的影响，现有的在线膜厚测量主要采用水浸式高频聚焦探头。然而，水浸式聚焦探头实际应用过程中，不仅需要将焦点对准接触界面导致安装固定十分困难，同时耦合剂水的使用也极易产生密封泄露、蒸发气泡阻碍超声传播、环境腐蚀等问题。因此，基于水浸式聚焦探头的滚动轴承膜厚测试目前仍只能应用于试验室环境中，难以真正应用于实际的工业现场环境。
[0003]针对实际工业现场的安装需求和环境条件，本专利技术采用安装方便、耦合剂适应性良好的非聚焦式超声直探头替代传统的水浸式聚焦探头，用于滚动轴承膜厚在线测量。然而，直探头声场发散的特点使得其空间分辨率不足，平均效应相对聚焦探头显著增大，导致膜厚测量结果误差也较大，难以满足实际测试需求。因此，直探头虽可应用于实际工业现场环境，但其空间分辨率差，“平均”效应不可忽略，需要重点研究解决由此带来的膜厚测量结果误差较大的问题。

技术实现思路

[0004]为解决以上技术问题，本专利技术的目的在于提供一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置及测量方法，该方法通过使用安装方便、耦合剂适应性良好的非聚焦式超声直探头替代传统的水浸式聚焦探头，满足工业现场的安装及环境需求，通过建立一种基于直探头有效测量区域占比的与空间分辨率相关的修正系数，对超声测量结果进行修正，减少回波反射区域声压平均效应对测量结果的影响，提高测量结果的空间分辨率和精度，为膜厚超声测量技术在实际工业环境下的轴承测试应用提供了技术手段。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以解决。
[0006](一)一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置，包括：非聚焦式超声波传感器、固定支架和超声脉冲发射接收驱动装置；所述非聚焦式超声波传感器包含直探头；
[0007]参考图2，图2为超声传感器的直探头安装位置示意图，其中，1为超声传感器直探头，2为轴承外圈，3为圆柱滚子，4为保持架，5为轴承内圈。所述固定支架用于将直探头1垂直固定在待测的圆柱滚子轴承外圈2外表面，直探头与圆柱滚子轴承外圈外表面之间设置有耦合剂，所述直探头与所述超声脉冲发射接收驱动装置电连接。
[0008](二)一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量方法，基于圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置，包括以下步骤：
[0009]步骤1，根据待测圆柱滚子轴承型号和圆柱滚子轴承的工况条件，确定非聚焦式超声波传感器的几何尺寸和工作参数、超声脉冲发射接收驱动装置的驱动脉冲发射重复频率和耦合剂的使用温度；
[0010]所述非聚焦式超声波传感器的几何尺寸包括直探头直径，其中，直探头直径＜轴承外圈宽度；
[0011]所述非聚焦式超声波传感器的工作参数包括：中心频率、工作温度，其中，中心频率≥10MHz，工作温度＞圆柱滚子轴承在规定工况下轴承外圈的最高温度；
[0012]所述超声脉冲发射接收驱动装置的驱动脉冲发射重复频率应满足：圆柱滚子轴承在最大转速下，两次脉冲发射间隔时间内的直探头相对移动距离＜直探头实际接收的反射区域宽度；
[0013]所述耦合剂的使用温度＞圆柱滚子轴承在设定工况下轴承外圈的最高温度；
[0014]步骤2，在直探头上涂抹耦合剂，并通过固定支架垂直安装至轴承外圈外表面；将直探头与超声脉冲发射接收驱动装置电连接；
[0015]步骤3，计算第一工况下未修正实测中心油膜厚度h；
[0016]步骤4，计算第一工况下的理论油膜厚度h
c
'，作为未修正实测中心油膜厚度的对比值；
[0017]步骤5，重复步骤3获取相同转速和重复频率下的第二工况和第三工况下未修正实测中心油膜厚度，构成未修正实测中心油膜厚度矩阵M；重复步骤4获取第二工况和第三工况下理论油膜厚度，构成理论油膜厚度矩阵T；
[0018]步骤6，确定基于直探头有效测量区域占比的平均效应修正系数X
s
；
[0019]步骤7，通过平均效应修正系数X
s
，获得任意工况下修正后实测中心油膜厚度hc，计算公式为：
[0020]h
c
＝X
s
·
h
[0021]式中，h
c
为修正后实测中心油膜厚度，h为未修正实测中心油膜厚度，X
s
为平均效应修正系数。
[0022]进一步的，计算未修正实测中心油膜厚度包含以下子步骤：
[0023]子步骤4.1，超声脉冲发射接收驱动装置输出激励脉冲，驱动超声换能器并接收接触界面的反射回波；反射回波经放大器放大反射信号，通过示波器或采集卡进行采集、显示及存储；
[0024]子步骤4.2，提取反射回波信号峰值，并结合钢
‑
油界面参考信号，获取接触界面的反射率，基于弹簧刚度等效模型公式，计算未修正实测中心油膜厚度h，计算公式为：
[0025][0026]其中，ρ0为润滑油密度，c0为润滑油中声速，ρ为轴承钢的密度，c为轴承钢中声速，z为轴承钢的声阻抗，其中z＝ρc；R为超声信号反射系数。
[0027]进一步的，步骤5中，获取理论油膜厚度选用Dowson拟合中心膜厚公式：
[0028]h
c
'＝3.533α
0.54
(η0u)
0.7
E'
‑
0.03
R
x0.43
(Q/l)
‑
0.13
[0029]或者杨沛然拟合中心膜厚公式：
[0030]h
c
'＝11.9α
0.4
(η0u)
0.74
E'
‑
0.14
R
x0.46
(Q/l)
‑
0.2
[0031]式中，α为润滑油粘压系数；η0为润滑油在大气压下的动力粘度；u为卷吸速度；E'为材料综合弹性模量；R
x
为外滚道当量曲率半径；Q为接触应力；l为滚子有效长度。
[0032]进一步的，步骤6中，计算平均效应修正系数X
s
的计算公式为：
[0033][0034]其中，d
p
为超声直探头的实际测量区域直径；d
r
为相邻测量区域之间的距离；v
r
为圆柱滚子轴承的滚动体公转速度；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置，其特征在于，包括：非聚焦式超声波传感器、固定支架和超声脉冲发射接收驱动装置；所述非聚焦式超声波传感器包含直探头；所述固定支架用于将直探头垂直固定在待测的圆柱滚子轴承外圈外表面，直探头与圆柱滚子轴承外圈外表面之间设置有耦合剂，所述直探头与所述超声脉冲发射接收驱动装置电连接。2.一种圆柱滚子轴承油膜厚度测量方法，基于权利要求1所述的圆柱滚子轴承油膜厚度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据待测圆柱滚子轴承型号和圆柱滚子轴承的工况条件，确定非聚焦式超声波传感器的几何尺寸和工作参数、超声脉冲发射接收驱动装置的驱动脉冲发射重复频率和耦合剂的使用温度；所述非聚焦式超声波传感器的几何尺寸包括直探头直径，其中，直探头直径＜轴承外圈宽度；所述非聚焦式超声波传感器的工作参数包括：中心频率、工作温度，其中，中心频率≥10MHz，工作温度＞圆柱滚子轴承在规定工况下轴承外圈的最高温度；所述超声脉冲发射接收驱动装置的驱动脉冲发射重复频率应满足：圆柱滚子轴承在最大转速下，两次脉冲发射间隔时间内的直探头相对移动距离＜直探头实际接收的反射区域宽度；所述耦合剂的使用温度＞圆柱滚子轴承在设定工况下轴承外圈的最高温度；步骤2，在直探头上涂抹耦合剂，并通过固定支架垂直安装至轴承外圈外表面；将直探头与超声脉冲发射接收驱动装置电连接；步骤3，计算第一工况下未修正实测中心油膜厚度h；步骤4，计算第一工况下的理论油膜厚度h
c
'，作为未修正实测中心油膜厚度h的对比值；步骤5，重复步骤3获取相同转速和重复频率下的第二工况和第三工况下未修正实测中心油膜厚度，构成未修正实测中心油膜厚度矩阵M；重复步骤4获取第二工况和第三工况下理论油膜厚度，构成理论油膜厚度矩阵T；步骤6，确定基于直探头有效测量区域占比的平均效应修正系数X
s
；步骤7，通过平均效应修正系数X
s
，获得任意工况下修正后实测中心油膜厚度hc，计算公式为：h
c
＝X
s
·
h式中，h
c
为修正后实测中心油膜厚度，h为未修正实测中心油膜厚度，X
s
为平均效应修正系数。3.根据权利要求2所述的圆柱滚子轴承油膜厚度测量方法，其特征在于，步骤4中，计算未修正实测中心油膜厚度包含以下子步骤：子步骤4.1，超声脉冲发射接收驱动装置输出激励脉冲，驱动超声换能器并接收接触界面的反射回波；反射回波经放大器放大反射信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛，刘丽媛，刘恒，庞碧涛，刘意，杨郡，周瑞，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：