[发明专利]一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于轴承润滑状态检测技术领域，具体涉及一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法。

背景技术

滚子轴承是旋转机械的关键零部件之一，广泛应用在航空发动机、大型轧钢机以及高速电主轴等重要设备中。滚子轴承依靠润滑膜将相互运动的两个摩擦副表面隔开，避免摩擦副表面间的直接接触，其润滑状态决定了轴承的润滑性能、承载能力、运行平稳性和寿命等行为能力，是轴承的关键所在。滚子轴承润滑膜厚度检测能够为滚子轴承润滑理论研究提供实证数据，并为滚子轴承润滑状态监测提供定量化的信息，具有重要的理论和工程意义。

目前润滑膜厚检测方法主要有电测法、光测法和超声波法。其中，电测法需要传感器与润滑膜上下表面接触，会对轴承结构和润滑膜的形成产生破坏和干扰，是一种介入式方法；光测法则需要被测对象为透光材料或为传感器提供一个透明窗口，无法应用于实际金属材质轴承的润滑膜厚检测；超声波法由于超声波具有良好的直线传播特性和强穿透性，能够应用于实际金属材质轴承润滑膜厚的检测，是一种优良的非介入式膜厚检测手段，该膜厚检测技术近年来受到较多研究与应用。

然而，对于滚子轴承来说，其线接触状态下接触区的宽度极小。通常，滚子轴承接触区的宽度小于200μm，在轻载时甚至小至50μm，而目前超声波传感器无法达到如此高的空间分辨率，直接采用传感器的实测反射系数计算润滑膜厚值，获得的是名义接触区(即传感器有效作用面积内)的平均膜厚。由于接触区附近膜厚值要远大于接触区的润滑膜厚，该平均膜厚并不能真实地反映接触区的润滑状态。因此，发展一种能够在传感器空间分辨率不足情况下获取接触区准确膜厚的检测方法将有利于滚子轴承润滑状态的检测，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置及方法，结合滚子轴承线接触状态下的理论润滑膜形状和超声波传感器的声场分布，从传感器实测反射系数中提取接触区的反射系数并获得接触区润滑膜厚度的精确值。

为了达到上述目的，一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测装置，包括第一电主轴，第一电主轴通过扭矩传感器连接滚子，滚子与第二电主轴的内圈接触，内圈上设置有超声传感器，第二电主轴连接有集流环和编码器，集流环和编码器通过脉冲发射接收仪连接数据采集卡，数据采集卡连接PC。

所述超声传感器设置在内圈的内表面。

一种滚子轴承接触区润滑膜厚度的超声检测方法，包括以下步骤：

步骤一，通过弹流润滑理论获得滚子与内圈接触区的压力分布，并通过接触区以外的间隙方程获得滚子轴承的理论润滑膜形状；

步骤二，采用矩形超声波传感器通过测量获取滚子与内圈名义接触区的实测平均反射系数；

步骤三，采用超声波声场仿真软件计算获得接触区润滑膜下界面平面内的理论声场分布以及名义接触区宽度方向的声场分布，根据名义接触区宽度方向的声场分布计算得到不同油膜厚度下对应的名义接触区反射系数，比对名义接触区反射系数的实测值与计算值，从而获得最终接触区润滑膜的厚度。

所述步骤一中，根据弹流润滑理论，假定接触区的润滑膜厚度为h₀，则接触区以外的间隙方程为：

其中b为接触半宽，p₀为最大接触应力，E'为当量弹性模量，其中：

其中W为载荷；R’为当量曲率半径；L为接触区长度；E’为当量弹性模量；b为接触半宽；E₁，E₂为滚子与内圈弹性模量；μ₁，μ₂为滚子与内圈泊松比，其中，当量曲率半径可表示为：

其中R₁和R₂分别表示滚子和内圈的半径；

接触区的压力分布为：

所述步骤三中，名义接触区宽度方向的声场分布采用Field II声场仿真软件获得，其具体方法如下：首先将超声波传感器划分成0.2mm×0.2mm的小矩形单元表示，然后设置超声波传感器的激励；最后计算各场点的超声波声场，获得超声波传感器接触区润滑膜下界面所在平面内的声场分布和超声波传感器在传感器宽度方向的声场分布。