薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法，该方法在基本刚度模型法需要取得轴瓦-空气界面参考反射回波信号的基础上，由厚衬层轴瓦试件或理论计算得到基体-衬层界面的回波信号幅值谱，然后分别取得参考回波、不同膜厚回波时叠加信号与基体-衬层界面回波的频域幅值比，并按叠加信号频谱分析方法得到包含膜厚信息的回波成分与基体-衬层界面回波在一具体频率处的幅值比，由此得到膜厚测量中的反射系数值并最终确定润滑膜厚度值。本发明实现了反射回波信号叠加时的流体润滑滑动径向与推力轴承亚微米及微米级润滑膜厚度的测量。
【专利说明】薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法
【【技术领域】】
[0001]本发明属于工业设备运行状态监测以及摩擦学元件的设计与实验检验领域，具体涉及一种薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法。
【【背景技术】】
[0002]滑动轴承广泛应用于高速、精密、重载等场合，并已成为大型火电、水电机组、核电站主循环泵、高速精密机床等设备中的重要核心部件。流体润滑滑动轴承是依靠流体润滑膜将轴瓦和轴颈表面隔开的，其润滑膜的特性和状态决定了滑动轴承的承载能力、运行平稳性和寿命等运行能力，因此对流体润滑膜厚度等状态的检测无论是对于流体润滑理论的实验对比研究，还是对于滑动轴承的运行状态监测都具有重要意义。
[0003]滑动轴承润滑膜厚度是滑动轴承的基本参数之一。通常在滑动轴承设计与性能计算中，需要通过物理上的假设及数学上的近似，得到滑动轴承的最小润滑膜厚度以及厚度分布，并确定滑动轴承设计中的其它重要参数，如润滑膜压力、承载能力、宽径比等。而理论计算中的假设条件与实际情况并不完全一致，并且在轴承制造过程以及运行过程中产生的因素使得润滑膜存在区域及其厚度难以准确描述。因此，为了确定各种假设条件的影响，以及运行中润滑膜厚度的实际分布，都需要研究并提出润滑膜厚度的检测方法。
[0004]滑动轴承润滑膜存在于相对运动的两界面间，厚度通常在亚微米至数十微米之间，且具有实时变化的特点，这些使得流体润滑膜厚度的测量具有很大的挑战性。传统基于电阻法、电容法和光学方法的润滑膜厚度检测方法需要破坏摩擦副表面，或者需要一面摩擦副为透光物质。相对于这些方法，超声波检测法无需对摩擦副表面进行改动，其具有的穿透能力弥补了光学方法要求透光性的不足，基于超声波技术的检测方法对于滑动轴承润滑膜厚度的检测具有明显的优越性。
[0005]通常基于超声波时差法、共振法的薄介质层厚度测量方法，受测量模型原理上的制约，其测厚范围一般在数十微米及`以上的量级。超声波刚度模型法根据中间介质层刚度与超声波反射系数的关系，将中间流体层厚度的测量范围扩展到十微米至亚微米的量级，为润滑膜厚超声波检测的实际应用奠定了理论基础。超声波刚度模型法给出了轴瓦-流体膜-轴颈三层结构时润滑膜厚的具体测量方法。这种方法将轴瓦-流体膜界面的反射波幅度与轴瓦-空气界面的反射波进行比较，得出由膜厚、材料声学参数等决定的反射系数值，然后根据反射系数与膜厚之间的关系得出流体膜厚度值。
[0006]然而，滑动轴承轴瓦通常由基体和摩擦材料层两部分通过浇铸或轧制形成，摩擦材料层通常由合金材料制成，起到减摩、嵌藏磨粒、便于维修等作用，摩擦材料层也称作轴承衬层。衬层厚度通常在十分之几毫米到6_范围内，这样，在保证超声测厚法原有不破坏轴承结构优越性的前提下，三层结构的测量模型就变成了轴瓦基体-衬层-流体膜-轴颈四层的结构形式。以短脉冲超声波测量为例，通常超声波在被测材料内占有3个波长以上的脉冲宽度，当频率为IOMHz的超声波入射钢-巴氏合金结构的轴瓦时，超声波在巴氏合金层的脉冲宽度约为1mm,而当采用5MHz的长脉冲换能器时,这一宽度值变为4.6mm,当轴瓦衬层厚度小于这一脉冲宽度的一半时，超声波脉冲在四层结构测量模型的第一和第二界面的反射回波就会发生叠加现象，这即本发明中“薄摩擦材料层”或“薄衬层”的含义。“厚衬层”与“薄衬层”轴瓦超声反射回波信号分别如图1和图2所示，其中，Pb为轴瓦基体-衬层界面回波，P:、P2、P3等分别为衬层-流体膜界面回波在衬层间的反复透射、反射形成，Pffl则为薄衬层情况时以上各次回波的叠加信号。当反射回波发生叠加时，就无法再利用基本的刚度模型法得到轴瓦-流体膜界面的反射系数，因此难以对实际工程应用中多数情况下的滑动轴承润滑膜厚度进行测量。
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【发明内容】
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[0007]本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供了一种薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法，该方法根据时域叠加信号的频谱分析方法，对薄摩擦材料层情况时轴瓦衬层-流体膜界面的含有膜厚信息的反射回波与轴瓦基体-衬层界面反射回波相叠加的信号进行频域分析，提取出回波中与流体膜厚度变化有关的信息，进而得到流体层界面反射系数与润滑膜厚度值。
[0008]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法，包括下述步骤:
[0010]I)通过超声检测系统测量出与薄摩擦材料层结构滑动轴承相同材料的厚摩擦材料层轴瓦试块的轴瓦基体-衬层界面的时域回波信号Pb (t)，并对时域回波信号Pb (t)经快速傅里叶变换得到的其频域幅值谱IPb(O) I，然后测量所要检测的薄摩擦材料层滑动轴承在轴瓦-空气界面时的参考回波信号Pa (t)，以及测量薄摩擦材料层滑动轴承轴瓦-流体膜界面叠加回波信号Pm (t)，其中，薄摩擦材料层为其厚度小于超声换能器超声波脉冲宽度一半的轴瓦衬层，厚摩擦 材料层为其厚度大于等于超声换能器超声波脉冲宽度一半的轴瓦衬层；
[0011]2)分别对步骤I)中得到参考回波信号pa(t)和叠加回波信号？?>(0进行快速傅里叶变换，得到参考回波信号的频域幅值谱IPa(O)I和叠加回波信号的频域幅值谱|Ρπ(ω) I，其结果再分别与步骤I)中得到的轴瓦基体-衬层界面的频域幅值谱IPb(CO) I相t匕，得到参考回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qa(O)和叠加回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qm(O)；
[0012]3)依据步骤2)得到的参考回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qa(CO)结合其峰值频率Oas，计算出峰值频率COas至(1+10%) COas频率区域内及两个端点的参考回波信号中不同界面回波成分幅度比ka(coa)，其计算公式如下:
[0013]!?(ωα) + (4 cos2 (oj.{) - 2).ka{(oa) + [1- Q:{(ou )] = 0(I)
[0014]式中:h为超声波通过薄衬层厚度所用时间；
[0015]4)依据步骤2)得到的叠加信号回波与基体-衬层界面回波的幅度KQm(CO)结合其峰值频率Oms，计算出峰值频率COms处的叠加回波信号中不同界面回波成分幅度比kmOms)，其计算公式如下:
[0016]k;n (O)ms) + Ikm (ω_ ) + [l-Ql (ω_ )]=0、2 )
[0017]5)将步骤4)中得到的叠加回波信号中不同界面回波成分幅度Kkm(Coms)与步骤3)中得到的频率《ms处参考回波信号中不同界面回波成分幅度比ka(?ms)相比，得到润滑膜厚测量时回波信号的反射系数R，最后根据基本刚度模型法膜厚公式结合反射系数R得到薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚h。
[0018]本发明进一步改进在于，步骤5)中，基本刚度模型法膜厚公式为:
【权利要求】
1.薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，包括下述步骤: 1)通过超声检测系统测量出与薄摩擦材料层结构滑动轴承相同材料的厚摩擦材料层轴瓦试块的轴瓦基体-衬层界面的时域回波信号Pb (t)，并对时域回波信号Pb (t)经快速傅里叶变换得到的其频域幅值谱|Pb(?) |，然后测量所要检测的薄摩擦材料层滑动轴承在轴瓦-空气界面时的参考回波信号Pa (t)，以及测量薄摩擦材料层滑动轴承轴瓦-流体膜界面叠加回波信号pm(t)，其中，薄摩擦材料层为其厚度小于超声换能器超声波脉冲宽度一半的轴瓦衬层，厚摩擦材料层为其厚度大于等于超声换能器超声波脉冲宽度一半的轴瓦衬层； 2)分别对步骤1)中得到参考回波信号Pa(t)和叠加回波信号Pm(t)进行快速傅里叶变换，得到参考回波信号的频域幅值谱IPa(W) 1和叠加回波信号的频域幅值谱|Ρπ(ω) I，其结果再分别与步骤1)中得到的轴瓦基体-衬层界面的频域幅值谱|pb(?) 1相比，得到参考回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qa(?)和叠加回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qm(?)； 3)依据步骤2)得到的参考回波信号与基体-衬层界面回波的幅度比Qa(co)结合其峰值频率Oas，计算出峰值频率Coas至(1+10%) Oas频率区域内及两个端点的参考回波信号中不同界面回波成分幅度Kka(coa)，其计算公式如下:
2.如权利要求1所述薄摩擦材料层结构滑动轴承润滑膜厚度的超声检测方法，其特征在于，步骤5)中，基本刚度模型法膜厚公式为:
【文档编号】G01B17/02GK103822600SQ201410037924
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】孟庆丰, 耿涛, 张凯, 袁小阳 申请人:西安交通大学