本發(fā)明屬于軸承潤(rùn)滑狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

滾子軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的關(guān)鍵零部件之一，廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大型軋鋼機(jī)以及高速電主軸等重要設(shè)備中。滾子軸承依靠潤(rùn)滑膜將相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)摩擦副表面隔開(kāi)，避免摩擦副表面間的直接接觸，其潤(rùn)滑狀態(tài)決定了軸承的潤(rùn)滑性能、承載能力、運(yùn)行平穩(wěn)性和壽命等行為能力，是軸承的關(guān)鍵所在。滾子軸承潤(rùn)滑膜厚度檢測(cè)能夠?yàn)闈L子軸承潤(rùn)滑理論研究提供實(shí)證數(shù)據(jù)，并為滾子軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供定量化的信息，具有重要的理論和工程意義。

目前潤(rùn)滑膜厚檢測(cè)方法主要有電測(cè)法、光測(cè)法和超聲波法。其中，電測(cè)法需要傳感器與潤(rùn)滑膜上下表面接觸，會(huì)對(duì)軸承結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑膜的形成產(chǎn)生破壞和干擾，是一種介入式方法；光測(cè)法則需要被測(cè)對(duì)象為透光材料或?yàn)閭鞲衅魈峁┮粋€(gè)透明窗口，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際金屬材質(zhì)軸承的潤(rùn)滑膜厚檢測(cè)；超聲波法由于超聲波具有良好的直線傳播特性和強(qiáng)穿透性，能夠應(yīng)用于實(shí)際金屬材質(zhì)軸承潤(rùn)滑膜厚的檢測(cè)，是一種優(yōu)良的非介入式膜厚檢測(cè)手段，該膜厚檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)受到較多研究與應(yīng)用。

然而，對(duì)于滾子軸承來(lái)說(shuō)，其線接觸狀態(tài)下接觸區(qū)的寬度極小。通常，滾子軸承接觸區(qū)的寬度小于200μm，在輕載時(shí)甚至小至50μm，而目前超聲波傳感器無(wú)法達(dá)到如此高的空間分辨率，直接采用傳感器的實(shí)測(cè)反射系數(shù)計(jì)算潤(rùn)滑膜厚值，獲得的是名義接觸區(qū)(即傳感器有效作用面積內(nèi))的平均膜厚。由于接觸區(qū)附近膜厚值要遠(yuǎn)大于接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚，該平均膜厚并不能真實(shí)地反映接觸區(qū)的潤(rùn)滑狀態(tài)。因此，發(fā)展一種能夠在傳感器空間分辨率不足情況下獲取接觸區(qū)準(zhǔn)確膜厚的檢測(cè)方法將有利于滾子軸承潤(rùn)滑狀態(tài)的檢測(cè)，具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)裝置及方法，結(jié)合滾子軸承線接觸狀態(tài)下的理論潤(rùn)滑膜形狀和超聲波傳感器的聲場(chǎng)分布，從傳感器實(shí)測(cè)反射系數(shù)中提取接觸區(qū)的反射系數(shù)并獲得接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的精確值。

為了達(dá)到上述目的，一種滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)裝置，包括第一電主軸，第一電主軸通過(guò)扭矩傳感器連接滾子，滾子與第二電主軸的內(nèi)圈接觸，內(nèi)圈上設(shè)置有超聲傳感器，第二電主軸連接有集流環(huán)和編碼器，集流環(huán)和編碼器通過(guò)脈沖發(fā)射接收儀連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接PC。

所述超聲傳感器設(shè)置在內(nèi)圈的內(nèi)表面。

一種滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟一，通過(guò)彈流潤(rùn)滑理論獲得滾子與內(nèi)圈接觸區(qū)的壓力分布，并通過(guò)接觸區(qū)以外的間隙方程獲得滾子軸承的理論潤(rùn)滑膜形狀；

步驟二，采用矩形超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量獲取滾子與內(nèi)圈名義接觸區(qū)的實(shí)測(cè)平均反射系數(shù)；

步驟三，采用超聲波聲場(chǎng)仿真軟件計(jì)算獲得接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面平面內(nèi)的理論聲場(chǎng)分布以及名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布，根據(jù)名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布計(jì)算得到不同油膜厚度下對(duì)應(yīng)的名義接觸區(qū)反射系數(shù)，比對(duì)名義接觸區(qū)反射系數(shù)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值，從而獲得最終接觸區(qū)潤(rùn)滑膜的厚度。

所述步驟一中，根據(jù)彈流潤(rùn)滑理論，假定接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度為h₀，則接觸區(qū)以外的間隙方程為：

其中b為接觸半寬，p₀為最大接觸應(yīng)力，E'為當(dāng)量彈性模量，其中：

其中W為載荷；R’為當(dāng)量曲率半徑；L為接觸區(qū)長(zhǎng)度；E’為當(dāng)量彈性模量；b為接觸半寬；E₁，E₂為滾子與內(nèi)圈彈性模量；μ₁，μ₂為滾子與內(nèi)圈泊松比，其中，當(dāng)量曲率半徑可表示為：

其中R₁和R₂分別表示滾子和內(nèi)圈的半徑；

接觸區(qū)的壓力分布為：

所述步驟三中，名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布采用Field II聲場(chǎng)仿真軟件獲得，其具體方法如下：首先將超聲波傳感器劃分成0.2mm×0.2mm的小矩形單元表示，然后設(shè)置超聲波傳感器的激勵(lì)；最后計(jì)算各場(chǎng)點(diǎn)的超聲波聲場(chǎng)，獲得超聲波傳感器接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面內(nèi)的聲場(chǎng)分布和超聲波傳感器在傳感器寬度方向的聲場(chǎng)分布。

所述步驟三中，根據(jù)名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布計(jì)算得到不同油膜厚度下對(duì)應(yīng)的名義接觸區(qū)的反射系數(shù)，比對(duì)名義接觸區(qū)反射系數(shù)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的具體方法如下：將超聲波傳感器將按寬度方向以每1μm劃分成一個(gè)單元，首先根據(jù)彈流理論計(jì)算接觸半寬b、各單元的理論壓力和各單元的體積模量，并根據(jù)矩形超聲波傳感器的聲場(chǎng)分布獲得各單元位置處的聲壓值；然后假定接觸區(qū)膜厚為零，根據(jù)理論潤(rùn)滑膜形狀獲得各單元的膜厚，結(jié)合各單元的體積模量、膜厚以及聲壓值計(jì)算各單元的反射系數(shù)，并根據(jù)各單元的反射系數(shù)獲得矩形超聲傳感器在名義接觸內(nèi)的平均反射系數(shù)；將該平均反射系數(shù)與矩形超聲波傳感器的實(shí)測(cè)反射系數(shù)比較；若計(jì)算獲得的平均反射系數(shù)小于實(shí)測(cè)反射系數(shù)，則增加接觸區(qū)的膜厚值并重復(fù)以上步驟，直至計(jì)算獲得的名義接觸區(qū)的平均反射系數(shù)大于等于實(shí)測(cè)反射系數(shù)；輸出接觸區(qū)的反射系數(shù)及接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過(guò)第一電主軸帶動(dòng)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)，第二電主軸帶動(dòng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，超聲傳感器采集獲得名義接觸區(qū)的反射信號(hào)，并發(fā)送至PC中進(jìn)行處理，本裝置能夠結(jié)合滾子軸承線接觸狀態(tài)下的理論潤(rùn)滑膜形狀和超聲波傳感器的聲場(chǎng)分布，從傳感器實(shí)測(cè)反射系數(shù)中提取接觸區(qū)的反射系數(shù)并獲得接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的精確值。

本發(fā)明結(jié)合滾子軸承理論潤(rùn)滑膜形狀和超聲波傳感器的聲場(chǎng)分布從傳感器實(shí)測(cè)反射系數(shù)中提取接觸區(qū)的反射系數(shù)并獲得接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度，該方法能夠用于精確檢測(cè)傳感器空間分辨率不足情況下滾子軸承接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度，能夠?yàn)闈?rùn)滑理論研究提供實(shí)證數(shù)據(jù)并為滾子軸承潤(rùn)滑狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供定量化信息。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的滾子軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中滾子與內(nèi)圈的接觸示意圖；

圖3為本發(fā)明中滾子與內(nèi)圈間簡(jiǎn)化的潤(rùn)滑膜形狀和簡(jiǎn)化的潤(rùn)滑膜壓力分布圖；

圖4為本發(fā)明中采用Field II進(jìn)行聲場(chǎng)仿真時(shí)的程序框圖；

圖5為本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)用傳感器劃分成小矩形單元表示的示意圖；

圖6為本發(fā)明中超聲波傳感器在滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面上的聲場(chǎng)分布；

圖7為本發(fā)明中超聲波傳感器在接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面內(nèi)名義接觸區(qū)寬度方向上的聲場(chǎng)分布圖；

圖8為本發(fā)明中接觸區(qū)反射系數(shù)和接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度獲取的程序框圖；

圖9為本發(fā)明中滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算值對(duì)比圖；

圖中，1、第一電主軸；2、扭矩傳感器；3、滾子；4、內(nèi)圈；5、超聲傳感器；6、第二電主軸；7、集流環(huán)和編碼器；8、脈沖發(fā)射接收儀；9、數(shù)據(jù)采集卡；10、PC。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，一種滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)裝置包括第一電主軸1，第一電主軸1通過(guò)扭矩傳感器2連接滾子3，滾子3與第二電主軸6的內(nèi)圈4接觸，內(nèi)圈4的內(nèi)表面上設(shè)置有超聲傳感器5，第二電主軸6連接有集流環(huán)和編碼器7，集流環(huán)和編碼器7通過(guò)脈沖發(fā)射接收儀8連接數(shù)據(jù)采集卡9，數(shù)據(jù)采集卡9連接PC 10。

1、理論潤(rùn)滑膜形狀的計(jì)算；

針對(duì)待測(cè)滾子軸承采用彈流潤(rùn)滑理論計(jì)算獲得軸承的理論潤(rùn)滑膜形狀和理論壓力分布。以圖1所示滾子軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例，滾子與內(nèi)圈的接觸示意圖如圖2所示。圖3展示了滾子與內(nèi)圈間簡(jiǎn)化的理論潤(rùn)滑膜形狀和簡(jiǎn)化的潤(rùn)滑膜壓力分布。根據(jù)彈流潤(rùn)滑理論，假定接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度為h₀，則接觸區(qū)以外的間隙方程為：

其中b為接觸半寬，p₀為最大接觸應(yīng)力，E'為當(dāng)量彈性模量。其中：

其中W為載荷；R’為當(dāng)量曲率半徑；L為接觸區(qū)長(zhǎng)度；E’為當(dāng)量彈性模量；b為接觸半寬；E₁，E₂為滾子與內(nèi)圈彈性模量；μ₁，μ₂為滾子與內(nèi)圈泊松比。其中，當(dāng)量曲率半徑可表示為：

其中R₁和R₂分別表示滾子和內(nèi)圈的半徑。

接觸區(qū)的壓力分布為：

2、實(shí)測(cè)平均反射系數(shù)的獲取；

由于滾子軸承為線接觸，選取矩形超聲波壓電元件作為超聲波傳感器，通過(guò)測(cè)量獲取滾子與內(nèi)圈名義接觸區(qū)的實(shí)測(cè)平均反射系數(shù)。

3、接觸區(qū)潤(rùn)滑膜厚度的獲?。?/p>

第一步：根據(jù)超聲波在軸承材料中的聲速和軸承的尺寸參數(shù)，通過(guò)超聲波聲場(chǎng)仿真軟件Field II獲得所用超聲波傳感器在接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面內(nèi)的聲場(chǎng)分布并進(jìn)而獲得名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布。采用Field II進(jìn)行聲場(chǎng)仿真時(shí)的具體步驟為：首先將超聲波傳感器劃分成0.2mm×0.2mm的小矩形單元表示；然后設(shè)置超聲波傳感器的激勵(lì)；接著計(jì)算各場(chǎng)點(diǎn)的超聲波聲場(chǎng)；最后獲得超聲波傳感器接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面內(nèi)的聲場(chǎng)分布和超聲波傳感器在名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布，其程序框圖如圖4所示。圖5展示了寬度為0.6mm，長(zhǎng)度為6mm的超聲波傳感器在采用Field II軟件進(jìn)行聲場(chǎng)仿真時(shí)劃分成小矩形單元表示的示意圖。圖6展示了該矩形超聲波傳感器在本發(fā)明實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用滾子軸承接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面上的聲場(chǎng)分布，圖7展示了該矩形超聲波傳感器在接觸區(qū)潤(rùn)滑膜下界面所在平面內(nèi)名義接觸區(qū)寬度方向上的聲場(chǎng)分布。

第二步：結(jié)合滾子軸承滾子與內(nèi)圈間的理論潤(rùn)滑膜形狀和超聲波傳感器在接觸區(qū)下界面所在平面內(nèi)名義接觸區(qū)寬度方向的聲場(chǎng)分布，提取獲得接觸區(qū)潤(rùn)滑膜的反射系數(shù)和接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度。具體為：將超聲波傳感器將按寬度方向以每1μm劃分成一個(gè)單元，首先根據(jù)彈流理論計(jì)算接觸半寬b、各單元的理論壓力和各單元的體積模量，并通過(guò)矩形超聲波傳感器的聲場(chǎng)分布獲得各單元位置處的聲壓值；然后假定接觸區(qū)膜厚為零，根據(jù)理論潤(rùn)滑膜形狀獲得各單元的膜厚，結(jié)合各單元的體積模量、膜厚以及聲壓值計(jì)算各單元的反射系數(shù)，并根據(jù)各單元的反射系數(shù)獲得矩形超聲傳感器在名義接觸區(qū)寬度內(nèi)的平均反射系數(shù)；將該平均反射系數(shù)與矩形超聲波傳感器的實(shí)測(cè)反射系數(shù)比較；若計(jì)算獲得的平均反射系數(shù)小于實(shí)測(cè)反射系數(shù)，則增加接觸區(qū)的膜厚值并重復(fù)以上步驟，直至計(jì)算獲得的名義接觸區(qū)的平均反射系數(shù)大于等于實(shí)測(cè)反射系數(shù)；輸出接觸區(qū)的反射系數(shù)及接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度，其程序框圖如圖8所示。

實(shí)施例：

以圖1的滾子軸承模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)在不同載荷和轉(zhuǎn)速下接觸區(qū)的實(shí)際測(cè)量為例，說(shuō)明了本發(fā)明所述測(cè)試方法的有效性。針對(duì)滾子軸承滾子與內(nèi)圈接觸區(qū)膜厚檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)寬為0.6mm，長(zhǎng)為6mm的矩形超聲波傳感器，將其安裝在滾子軸承內(nèi)圈內(nèi)表面上。采用杠桿加載方式對(duì)滾子與內(nèi)圈施加不同的載荷，通過(guò)可調(diào)速電機(jī)使轉(zhuǎn)速在0～900r·min^-1范圍內(nèi)變化，測(cè)試滾子軸承的接觸區(qū)潤(rùn)滑膜的厚度，得到了不同轉(zhuǎn)速和載荷下滾子軸承接觸區(qū)的潤(rùn)滑膜厚度，其結(jié)果與彈流計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果如圖9所示。