基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，包括以下步骤：根据待测轴承的材料选择相应的延迟块超声探头，并进行脉冲发射仪相应参数设置；采集延迟块探头表面的一次回波作为参考信号后，将延迟块超声探头放置于待测轴承背面指定区域，采集轴承上下表面时域回波信号；建立超声信号在高分子轴承中的传播模型，基于传播模型进行理论超声反射系数谱的计算；进行实测超声反射系数谱计算；构建目标函数，通过差分进化算法求解目标函数。本发明专利技术提出的高分子推力轴承磨损测量方法，同时求解出高分子轴承多个参数的方法来满足磨损监测的要求。法来满足磨损监测的要求。法来满足磨损监测的要求。

【技术实现步骤摘要】
基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法


[0001]本专利技术涉及轴承磨损检测
，尤其涉及一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法。

技术介绍

[0002]轮缘推进装置(Rim Driven Thruster，RDT)是近年来备受关注的一种先进的电力直驱式船(舰)推进技术，它创造性地将驱动电机、螺旋桨、轴承、导管和舵等部件集成一体，螺旋桨安装在电机转子环内，定子线圈安装在导管内，通电时定子驱动镶嵌有永磁铁的转子旋转从而带动螺旋桨产生推力，并由两端的轴承承载，为船(舰)航行提供动力。这种直驱模式具有功率密度高、高效、节省船舱空间和振动噪声低等显著优点。目前国内外有多家研究机构和公司在从事该推进器的研制，但缺乏健康管理的有效方法和技术。水润滑推力轴承是RDT的关键功能保障部件，用来承担螺旋桨产生的推力，也是限制RDT大功率化的瓶颈之一。其特点有：1)通常由高分子复合材料制成(如橡胶、赛龙、飞龙)2)工作条件恶劣，一方面载荷较大，兆瓦级RDT水润滑推力轴承比压超过0.6MPa，而水润滑艉轴承比压一般不超过0.3MPa；另一方面转速较低，转速范围为10
‑
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‑1，同时受到水中泥沙等杂质的侵扰。水的低粘度特性导致水膜较薄，承载力较小，在低速、重载、冲击、泥沙等因素的作用下，RDT水润滑推力轴承处于混合润滑状态，易发生局部接触摩擦和磨损，产生异常噪声和振动，从而降低整个推进器的可靠性。因此有必要开展其状态监测的研究和工程应用。
[0003]RDT水润滑推力轴承常见的失效模式为磨损失效，磨损量的大小可以直接反应轴承的健康状态。通常磨损测量方法可分为非原位测量和原位测量，非原位测量通常包括称重法、磨痕测量法、直接测量法、化学分析法等。这些方法需要拆卸轴承装配结构，重新装配后轴承状态和工况难以完全恢复，而且这种离散的测量并不能实时发现磨损量异常导致轴承的故障，因此需要发展水润滑轴承磨损量原位测量方法。线磨损量测量的核心在于获取被测点的厚度变化，即距离参数的测量。目前，学者已基于声、光、电原理发展出各种原位测量距离的方法，电学方法如电感法、电阻法，电感法具有较高识别精度，但电学方法对测量对象的材料要求具有导电性，而水润滑轴承通常由高分子复合材料制成，不能满足其导电性；光学方法的距离识别精度高，但是需要材料具有较好透光性，因此多在实验室场合使用，难以用于实际轴承中。超声法具有灵敏度高、穿透性强度等特点，更适合水润滑推力轴承磨损的原位测量，但是传统的超声测厚法具有以下问题需要克服：时域法依赖准确的声速先验知识，以及高信噪比的时域波形，但高分子轴承制作过程中会添加其他成分来增强性能，导致声衰减大，回波信噪比较低，运行过程中温度的分布不均匀，声波的传播速度难以确定，同时轴承存在热弹性变形，几何参数和物性参数都是可变的，因此需要发展一种能够同时求解出高分子轴承多个参数的方法来满足磨损监测的要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨
损测量方法，旨在能够同时求解出高分子轴承多个参数的方法来满足磨损监测的要求。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，包括以下步骤：
[0006]根据待测轴承的材料选择相应的延迟块超声探头，并进行脉冲发射仪相应参数设置，延迟块超声探头与脉冲发射仪连接，脉冲发射仪与数字示波器连接；
[0007]采集延迟块探头表面的一次回波作为参考信号后，将延迟块超声探头放置于待测轴承背面指定区域，采集轴承上下表面时域回波信号；
[0008]建立超声信号在高分子轴承中的传播模型，基于传播模型进行理论超声反射系数谱的计算；
[0009]根据采集到所述轴承上下表面时域回波信号，进行实测超声反射系数谱计算；
[0010]根据实测超声反射系数谱和理论超声反射系数谱，构建目标函数来表征实测回波信息与理论计算的相似程度，通过差分进化算法求解目标函数，当相关系数最大，均方根误差最小时，理论和实测反射系数幅度谱的相似程度最大，此时目标函数对应的自变量即为高分子轴承的参数值。
[0011]优选地，进行脉冲发射仪相应参数设置时，设置脉冲重复频率、脉冲能量、阻尼、增益、以及滤波器带宽参数。
[0012]优选地，建立超声信号在高分子轴承中的传播模型时，将轴承简化成均质、界面光滑的层状材料，介质I为延迟块，介质II为层状高分子材料，介质III为空气或者水，三者的声阻抗分别为Z1、Z2、Z3，其中，声阻抗在数值上等于介质密度乘以声速，当声压为1，频率为f的超声脉冲波沿z轴负方向垂直入射到三层介质中，接收到的反射波表示为：
[0013][0014]其中，P1为高分子层上界面的反射回波，P2为透射进高分子层在下界面反射1次后透射出上界面的声波，P3为透射进高分子层在下界面反射2次后透射出上界面的声波，P
n
为透射进高分子层在下界面反射n次后透射出上界面的声波，r
12
和r
23
分别为超声波沿z轴负方向传播至界面1和2处的高分子层反射系数，r
21
为超声波沿z轴正方向传播至界面1处的高分子层反射系数，t
12
和t
21
为界面1处沿不同方向的声压透射系数，n为反射回波的次数，d和c2分别是高分子层的厚度和声速，α为高分子层的衰减系数，k
2z
为高分子层中沿z方向的波数，exp(2ik
2z
d)为声波在高分子层中往返一次后相位的变化，exp(4ik
2z
d)为声波在高分子层中往返两次后相位的变化，exp(2(n
‑
1)k
2z
d)为声波在高分子层中往返(n
‑
1)次后相位的变化。
[0015]优选地，进行理论超声反射系数谱的计算时，高分子层反射系数R表示：
[0016][0017]高分子层反射系数R为复数，其模是频率的函数，称为超声反射系数幅度谱，表达为：
[0018][0019]高分子层衰减系数表示为：
[0020][0021]其中，A1(f)和A2(f)分别是高分子层上下界面反射回波的幅度谱，w为衰减因子。
[0022]优选地，进行实测超声反射系数谱计算时，将采集到延迟块探头的参考信号进行数据补零，进行FFT变换得到频域幅度谱，截取其
‑
6dB处带宽作为有效频带，将采集到的高分子轴承上下表面反射波进行时域分离，补零后进行FFT变换得到上下界面幅度谱A
12
(f)、上界面幅度谱A1(f)以及下界面幅度谱A2(f)，然后根据以下公式计算出实测超声反射系数幅度谱
[0023][0024]优选地，构建目标函数来表征实测回波信息与理论计算的相似程度时，选择相关系数和均方根误差作为目标函数来衡量理论和实测反射系数幅度谱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，包括以下步骤：根据待测轴承的材料选择相应的延迟块超声探头，并进行脉冲发射仪相应参数设置，延迟块超声探头与脉冲发射仪连接，脉冲发射仪与数字示波器连接；采集延迟块探头表面的一次回波作为参考信号后，将延迟块超声探头放置于待测轴承背面指定区域，采集轴承上下表面时域回波信号；建立超声信号在高分子轴承中的传播模型，基于传播模型进行理论超声反射系数谱的计算；根据采集到所述轴承上下表面时域回波信号，进行实测超声反射系数谱计算；根据实测超声反射系数谱和理论超声反射系数谱，构建目标函数来表征实测回波信息与理论计算的相似程度，通过差分进化算法求解目标函数，当相关系数最大，均方根误差最小时，理论和实测反射系数幅度谱的相似程度最大，此时目标函数对应的自变量即为高分子轴承的参数值。2.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行脉冲发射仪相应参数设置时，设置脉冲重复频率、脉冲能量、阻尼、增益、以及滤波器带宽参数。3.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，建立超声信号在高分子轴承中的传播模型时，将轴承简化成均质、界面光滑的层状材料，介质I为延迟块，介质II为层状高分子材料，介质III为空气或者水，三者的声阻抗分别为Z1、Z2、Z3，其中，声阻抗在数值上等于介质密度乘以声速，当声压为1，频率为f的超声脉冲波沿z轴负方向垂直入射到三层介质中，接收到的反射波表示为：其中，P1为高分子层上界面的反射回波，P2为透射进高分子层在下界面反射1次后透射出上界面的声波，P3为透射进高分子层在下界面反射2次后透射出上界面的声波，P
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为透射进高分子层在下界面反射n次后透射出上界面的声波，r
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和r
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分别为超声波沿z轴负方向传播至界面1和2处的高分子层反射系数，r
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为超声波沿z轴正方向传播至界面1处的高分子层反射系数，t
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为界面1处沿不同方向的声压透射系数，n为反射回波的次数，d和c2分别是高分子层的厚度和声速，α为高分子层的衰减系数，k
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为高分子层中沿z方向的波数，exp(2ik
2z
d)为声波在高分子层中往返一次后相位的变化，exp(4ik
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d)为声波在高分子层中往返两次后相位的变化，exp(2(n
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1)k
2z
d)为声波在高分子层中往返(n
‑
1)次后相位的变化。4.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行理论超声反射系数谱的计算时，高分子层反射系数R表示：
高分子层反射系数R为复数，其模是频率的函数，称为超声反射系数幅度谱，表达为：高分子层衰减系数表示为：其中，A1(f)和A2(f)分别是高分子层上下界面反射回波的幅度谱，w为衰减因子。5.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分子推力轴承磨损测量方法，其特征在于，进行实测超声反射系数谱计算时，将采集到延迟块探头的参考信号进行数据补零，进行FFT变换得到频域幅度谱，截取其
‑
6dB处带宽作为有效频带，将采集到的高分子轴承上下表面反射波进行时域分离，补零后进行FFT变换得到上下界面幅度谱A
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(f)、上界面幅度谱A1(f)以及下界面幅度谱A2(f)，然后根据以下公式计算出实测超声反射系数幅度谱(f)，然后根据以下公式计算出实测超声反射系数幅度谱6.如权利要求1所述的基于超声反射系数幅度谱的高分...

【专利技术属性】
技术研发人员：严新平，宁昶雄，欧阳武，胡飞，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：