一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法

摘要

一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法，其装置包括发射电路：用于产生超声脉冲波；接收放大电路：用于放大轴的底面反射信号；整形比较电路：用于将交变高频信号整形变为单向脉冲；温度补偿电路：用以校正温度对超声波速度的影响；厚度闸门控制电路：用于接收发射电路、经放大了的底面反射信号和温度补偿信号,输出一个宽度与传播时间成正比的方波,用以控制闸门电路的启闭；通过使用上述装置，测量轴颈截面的相互垂直方向的厚度来确定轴颈的轴心位置,从而确定轴颈的截面位置,将之与轴瓦的大小进行比较,得到润滑油膜的厚度。本发明的目的是为了提供一种基于超声波技术的、能很好的对滑动轴承液体润滑油膜厚度进行测定的技术。

说明书

技术领域

本发明涉及一种厚度检测技术，尤其涉及一种对油膜的厚度进行测定的技术，尤其涉及一种基于超声波技术的对滑动轴承液体润滑油膜厚度进行测定的系统及方法。

背景技术

液体滑动轴承是一种依靠轴颈转动所造成的流体动压形成的油膜或外界供给有一定压力的流体形成的油膜将轴瓦和轴颈表面隔开的，不发生金属与金属直接接触的滑动轴承。它具有运转精度高、承受冲击载荷大、寿命长的特点，特别适用于高速、重载转动场合。但其润滑油膜的厚度在很大程度上反映着滑动轴承的润滑性能，为确保滑动轴承的良好运行而对润滑油膜的厚度进行动态在线监测和控制就显得十分必要。

目前，监测油膜厚度的方法有多种，如电阻法、放电电压法、电容法、X光透射法、激光衍射法和干涉法等。然而这些方法都有其局限性，由于各种原因，人们至今未找到一种对滑动轴承油膜厚度的动态变化信息进行有效检测的成熟方法。目前用于检测油膜厚度的超声波只能检测平均油膜厚度，而且因滑动轴承间的润滑油很薄，标定困难，从而限制了超声波在检测滑动轴承油膜厚度方面的应用。本发明利用超声波是一种频率高于20000 Hz的机械波，具有方向性好、穿透能力强、能在界面上产生反射、折射的特点提出一种新的用于润滑轴承间的润滑油膜厚度的超声波测定法。

发明内容

本发明的目的在于针对目前超声波在检测滑动轴承油膜厚度过程中标定困难和应用受限的问题，提供的一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定系统及方法，结合超声波技术，可精确地对滑动轴承液体润滑油膜厚度进行测定。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法，采用以下步骤：

步骤1：发射电路产生脉冲信号，使探头发射同频率的超声波脉冲；

步骤2：脉冲经润滑液传到被测轴颈表面，其中有部分超声波由轴颈表面反射回来，构成表面反射波S，其余超声波射入轴颈，再从轴颈的底面反射回来，构成底面反射波B；

步骤3：反射波B和反射波S都被超声波探头接收并转换为电信号输入接收放大电路，经放大整形后，变为单向脉冲，再经过比较电路滤去幅度较小的噪声信号，同发射脉冲一起触发厚度闸门控制电路，输出一个宽度与超声波传播时间成正比的方波，控制闸门电路的启闭；

步骤4：高频振荡器输出的一系列高频振荡信号，在闸门电路开启时间，这些高频信号通过闸门进入计数电路而被计数，进一步得到超声波在轴颈中运行的距离，再通过轴颈中相互垂直方向的超声波运行距离计算得到轴心的位置。

它还包括步骤5：根据步骤4的结果，使显示器显示出轴心随时间变化的轨迹图，动态轴颈图与固定的轴瓦图之差图即为各点油膜厚度。

通过测量轴颈截面的相互垂直方向的厚度来确定轴颈的轴心位置，从而确定轴颈的截面位置，将之与轴瓦的大小进行比较，即可知道润滑油膜的厚度。

在滑动轴承的相互垂直的直径方向布置多个探头，多个探头指向轴承的圆心，以在线检测轴心的动态变化。

轴心的轨迹及油膜的厚度根据以下步骤测定：

步骤1)获得超声波在液体或轴颈中运行的距离如下：

d＝1/2ct＝1/2cnτ；

其中：c为材料中的超声波速度；n为计数器的计数；τ为高频振荡器产生的高频信号周期；

步骤2)获得超声波在垂直两方向的轴颈内运行长度dm、dn和液体内运行长度Lm、Ln；以轴承的圆心为原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，构建坐标系；

所获得的轴心的坐标位置(x

轴心的象限位置可通过Lm-Δ，Ln-Δ的正负来确定(其中Δ为轴颈与轴瓦的平均间隙)；

所获得的润滑油膜最小厚度为：

任意α角度处的润滑油膜厚度为：

式中：D为轴瓦内径；d为轴颈的直径；β为轴心与轴瓦圆心连线的角度；

一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定系统，包括：

发射电路：用于产生超声脉冲波；

接收放大电路：用于放大轴的底面反射信号；

整形比较电路：用于将交变高频信号整形变为单向脉冲；

温度补偿电路：用以校正温度对超声波速度的影响；

厚度闸门控制电路：接收经放大了的底面反射信号和温度补偿信号，输出一个宽度与传播时间成正比的方波，用以控制闸门电路的启闭。

闸门电路：它由厚度闸门控制电路输出的方波控制启闭，让高频振荡器产生的高频信号通过并进入计数运算电路；

计数运算电路：计数高频信号数，计算超声波经过的轴的厚度d以及探头到轴的距离L液，再由dm和dn，Lm和Ln确定出轴心的坐标位置。

还包括显示器：显示出以轴承圆心为原点、以水平方向和垂直方向为X、Y轴的坐标系中随时间变化的轴心位置及轴颈的大小，同时显示轴瓦的固定大小，轴瓦与轴颈之间的差即为润滑油膜的厚度。

在计数运算电路前设置方波信号扩展电路，使震荡频率至少为1000MHz，测量精度达到0.1μm。

部署有如权利要求5所述的滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法。

与现有技术相比，本发明所具有的技术效果为：

1)本发明能很好地解决超声波只能测润滑油膜平均厚度的问题，实现液体滑动轴承润滑油膜厚度的在线精确检测，测量精度达到0.1μm

2)本发明能很好地解决滑动轴承间润滑油膜厚度薄，很难标定的问题；

3)本发明通过测量轴颈截面的相互垂直方向的厚度来确定轴颈的轴心位置，从而确定轴颈的截面位置，将之与轴瓦的大小进行比较，实现对油膜厚度的标定；在滑动轴承的相互垂直的直径方向布置2个经过精确调整的探头，不断发射超声波，实现在线检测润滑油膜的厚度，以检测油膜厚度的动态变化情况；在计数电路前加二级方波信号扩展电路，提高开门时间准确度，将振荡频率提高到1000MHz以上，可使测量精度达到0.1 μm。

附图说明

图1是本发明中超声波脉冲反射式测厚系统框图；

图2本发明中液体滑动润滑油膜厚度测量系统框图；

图3本发明中轴承运行中的轴心轨迹示意图。

具体实施方式

一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法，采用以下步骤：

步骤1：主控器发出脉冲触发，经发射电路产生较窄的脉冲信号，使探头发射同频率的超声波脉冲；

步骤2：脉冲经润滑液传到被测轴颈表面，其中有部分超声波由轴颈表面反射回来，构成表面反射波S，其余超声波射入轴颈，再从轴颈的底面反射回来，构成底面反射波B；

步骤3：反射波B和反射波S都被超声波探头接收并转换为电信号输入接收放大电路，经放大整形后，变为单向脉冲，再经过比较电路滤去幅度较小的噪声信号，同发射脉冲一起触发厚度闸门控制电路，输出一个宽度与超声波传播时间成正比的方波，控制闸门电路的启闭；

步骤4：高频振荡器输出的一系列高频振荡信号，在闸门电路开启时间，这些高频信号通过闸门进入计数电路而被计数，进一步得到超声波在轴颈中运行的距离，再通过轴颈中相互垂直方向的超声波运行距离计算得到轴心的位置。

如图2所示，控制器1发出脉冲经过复位电路2使控制器1由初始状态开始工作；然后经过触发电路3到达发射电路4；发射电路4产生的较窄的脉冲信号使探头A和探头B发出同频率的超声波脉冲；经过反射过程产生的两种反射波被超声波探头接收并转换为电信号分别输入到第一接收放大电路5和第二接收放大电路6；然后分别经过第一整形比较电路7和第二整形比较电路8变为滤去幅度较小噪声信号的单向脉冲；

温度传感器9采集的信号经过放大电路10输入到由主控器1控制的补偿延迟电路11以校正温度对超声波速度的影响；经过校正之后的发射脉冲一起分别触发第一厚度闸门控制电路12和第二厚度闸门控制电路13，输出一个宽度与超声波传播时间成正比的方波，控制第一闸门电路14的启闭；

高频振荡器15输出的一系列高频振荡信号在闸门电路开启时分别通过第一闸门电路14和第二闸门电路16进入第一运算电路17和第二运算电路18，对这些高频信号进行计数；

最后经运算将数据显示在显示器19上；复位电路显示在显示屏上的作用是与第一运算电路17和第二运算电路18运算出的数据进行比较。

具体的，在电路的连接关系上：

控制器1包括第一输出口、第二输出口，控制器1的第一输出口按顺序依次与复位电路2、触发电路3、发射电路4的输入端连接，发射电路4的第一输出端按顺序依次与第一接收放大电路5、第一整形比较电路7、第二厚度闸门控制电路13、第一闸门电路14、第一运算电路17连接；

发射电路4的第二输出端按顺序依次与第二接收放大电路6、第二整形比较电路8、第一厚度闸门控制电路12、第二闸门电路16的第一输入端、第二运算电路18连接；第二闸门电路16的第二输入端与高频振荡器15的输出端连接，高频振荡器15的输出端还与第一闸门电路14连接；

控制器的第二输出口与补偿延迟电路11的第一输入端连接，补偿延迟电路11的第一输出端与第一厚度闸门控制电路12连接，第一厚度闸门控制电路12的输出端按顺序依次与第二闸门电路16、第二运算电路18连接；

温度传感器9的输出端按顺序依次与放大电路10、补偿延迟电路11的第二输入端连接；补偿延迟电路11的第二输出端与第二厚度闸门控制电路13连接；

它还包括步骤5：根据步骤4的结果，使显示器显示出轴心随时间变化的轨迹图，动态轴颈图与固定的轴瓦图之差图即为各点油膜厚度。

通过测量轴颈截面的相互垂直方向的厚度来确定轴颈的轴心位置，从而确定轴颈的截面位置，将之与轴瓦的大小进行比较，即可知道润滑油膜的厚度。

在滑动轴承的相互垂直的直径方向布置多个探头，多个探头指向轴承的圆心，以在线检测轴心的动态变化。

其中，计数电路因计数的多少与开门方波宽度成正比，而方波宽度又正比于轴颈厚度，由此可运算得到超声波在轴颈中运行的距离。

其中，轴心的轨迹及油膜的厚度根据以下步骤测定：

步骤1)获得超声波在液体或轴颈中运行的距离如下：

d＝1/2ct＝1/2cnτ；

其中：c为材料中的超声波速度；n为计数器的计数；τ为高频振荡器产生的高频信号周期；

步骤2)获得超声波在垂直两方向的轴颈内运行长度dm、dn和液体内运行长度Lm、Ln；以轴承的圆心为原点，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，构建坐标系；

所获得的轴心的坐标位置(x

轴心的象限位置可通过Lm-Δ，Ln-Δ的正负来确定(其中Δ为轴颈与轴瓦的平均间隙)；

所获得的润滑油膜最小厚度为：

任意α角度处的润滑油膜厚度为：

式中：D为轴瓦内径；d为轴颈的直径；β为轴心与轴瓦圆心连线的角度；

一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定系统，包括：

发射电路：用于产生高频脉冲，激励探头产生超声脉冲波。可采用两极晶闸管开关电路组成发射电路，用一个555定时器构成的多谐振荡器来完成定时工作；

接收放大电路：用于放大轴的底面反射信号。主要由2个相互稳压二极管2CW15 构成的限幅电路、π型网络衰减电路、一个电压串联型反馈初级放大电路和一个仪表放大器做成的次级放大电路组成；

整形比较电路：主要将交变高频信号整形变为单向脉冲，然后通过一级比较器去掉幅度较小的噪声信号，提高信噪比；

温度补偿电路：当轴承润滑油温度变化时，轴和油液的容变弹性模量B和密度ρ会产生变化，经过轴和油液的声速c＝Bρ也将随之产生变化。本系统采用一个测温范围-5～+150℃，精度可达±0.5℃的AD590电流型温度传感器采集信号，然后经放大，输入到补偿延迟电路，用以校正温度对超声波速度的影响；

厚度闸门控制电路：用于接收发射电路、经放大了的底面反射信号和温度补偿信号，输出一个宽度与传播时间成正比的方波，用以控制闸门电路的启闭。

闸门电路：其作用是由厚度闸门控制电路输出的方波控制启闭，让高频振荡器产生的高频信号通过，进入计数运算电路；

计数运算电路：计数高频信号数，计算超声波经过的轴的厚度d以及探头到轴的距离L液，再由dm和dn，Lm和Ln确定出轴心的坐标位置。

还包括显示器：显示出以轴承圆心为原点、以水平方向和垂直方向为X、Y轴的坐标系中随时间变化的轴心位置及轴颈的大小，同时显示轴瓦的固定大小，轴瓦与轴颈之间的差即为润滑油膜的厚度。

在计数运算电路前设置方波信号扩展电路，使震荡频率至少为1000MHz，测量精度至少为0.1μm。

其中，探头与轴承的接触最好采用液浸法或有合适的偶合剂；探头的压电晶片材料建议采用锆钛酸铅。

本发明中滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定系统可与一种滑动轴承液体润滑油膜厚度的测定方法协同配合来使用。

本发明能很好的利用超声波通过不同介质的界面产生反射和折射的特点进行测厚的测量，具体的，超声波脉冲在材料中的往返传播时间t和速度c，根据式d＝1/2ct 可以求出物体厚度，具体如图1所示。发射电路输出一个上升时间很短，脉冲很窄的周期性电脉冲，加到探头上，激励压电片产生脉冲超声波，探头发出的超声波进入工件，在工件上下两面形成多次反射，反射波经过压电片再变成电信号，经放大器放大，由计算电路测出声波在上下两面间的传播时间t，再由式d＝1/2ct换算成厚度显示出。