滑动轴承油膜厚度分布的测量方法及系统

1.本发明涉及机械工程测量领域，具体涉及一种滑动轴承油膜厚度分布的测量方法及系统。


背景技术：

2.轴承作为一种常见的支承元件，常见于各种旋转机械，如：风机、发动机、汽轮机等。按照支承方式的不同，轴承又可分为滚动轴承和滑动轴承。由于滑动轴承在液体润滑条件下，滑动表面能够被润滑油分开而不发生直接接触，具有工作平稳、可靠、无噪声的优点，近年来得到了广泛应用。为了提高滑动轴承的使用寿命，常常在其摩擦副间添加油、水等流体进行润滑。当润滑油膜厚度过大或过小时都会引起润滑质量下降，因此需要对膜厚进行测量。目前常见的测量方法主要有电学法、电磁法、光学法和超声法。由于超声波能够进行非接触式、非侵入式的测量方式，以及超声传感器尺寸小巧，所受空间限制较小等原因，使得超声法具有更好的工业适用性。
3.在滑动轴承中，轴承油膜的形成受轴的转速、轴承负荷、轴承结构的影响，并且由于压力分布不均，会导致轴瓦倾斜，从而使得油膜厚度分布不均，随着轴瓦的摆动会形成不同的油楔，最小油膜往往出现在出油口处。然而，由于超声探头的聚焦区域往往大于最小膜厚处(楔口)的空间尺度，这导致最小膜厚难以测量。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种滑动轴承油膜厚度分布的测量方法及系统。
5.为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种滑动轴承油膜厚度分布的测量方法，包括以下步骤：
6.以轴瓦支承件中心作为坐标原点，构建三维空间坐标系；
7.于推力轴承座与轴瓦之间设置至少三个超声探头，确定超声探头的坐标，利用所述超声探头测量得到初步滑动轴承油膜厚度h
oi
；
8.根据超声测距原理和几何关系得到超声探头在轴瓦聚焦中心点，计算所述聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标；
9.根据聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标与初步滑动轴承油膜厚度确定推力头下表面空间平面函数；
10.构建轴瓦上表面空间平面函数，将聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标代入轴瓦上表面空间平面函数中，得到轴瓦上表面空间平面函数系数；
11.重复执行上述步骤n次，得到n组轴瓦上表面空间平面函数系数，n为正整数；
12.从n组所述轴瓦上表面空间平面函数系数中提取最优的轴瓦上表面空间平面函数系数，确定最优轴瓦上表面空间平面函数；
13.根据推力头下表面空间平面函数以及所述最优轴瓦上表面空间平面函数，得到油
膜厚度的空间分布。
14.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法不破坏滑动轴承本身结构，测量结果准确性高，能够解决由于超声探头聚焦区域大于最小膜厚区域面积导致膜厚测量困难的问题，能够得到油膜区域的全部空间分布，能够为推力轴承的健康运维提供有效依据和参考。
15.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：构建原始轴瓦侧面空间函数，将原始轴瓦侧面空间函数作为油膜厚度的空间分布函数的定义域，将油膜厚度的空间分布函数定义域内的最小值作为轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度。
16.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：设置超声探头时，以坐标原点为中心，在轴瓦下方周向均匀布置所述超声探头。
17.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：初步滑动轴承油膜厚度的计算公式为其中ρ2为待测油膜的密度，c2为待测油膜的声速，f为超声探头的频率，z为推力头与轴承座的声阻抗，ri为第i个探头测得的轴瓦-待测油膜界面处超声波的反射系数；i为正整数，其不大于超声探头总数量。
18.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标的计算步骤为：
19.测量超声探头顶部与轴瓦在竖直方向的距离hi，其中，c0为滑动轴承内润滑油的声速，t
0i
为第i个超声探头发出超声波的时间，t
1i
为第i个超声探头接收到润滑油浴-轴瓦界面处的反射波时间；
20.超声探头所发超声波竖直入射轴瓦下表面，并经轴瓦上表面射出，所射出点即为探头聚焦中心在轴瓦上表面的投影点，其坐标为：其中，θi为第i个超声探头聚焦在轴瓦上的点处时测量得到的轴瓦倾角，hw为轴瓦厚度，h
t
为探头长度，hz为轴瓦未倾斜时超声探头顶部与轴瓦的垂直距离，xi,yi为第i个超声探头安装位置的横坐标与纵坐标。
21.该优选方案可快速且准确的得到聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标，不受轴瓦倾斜影响。
22.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：轴瓦上表面空间平面函数系数计算步骤为：
23.设轴瓦上表面空间平面函数为ajx bjy cjz dj＝0，其中，j＝1,2,
…
,n，指第j次测试；
24.将第j次测试计算得到的探头聚焦中心在轴瓦上表面的投影坐标代入轴瓦上表面空间平面函数中，求得第j次测试时的轴瓦上表面平面函数系数。
25.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：最优轴瓦上表面空间平面函数系数计算步骤为：
26.计算第j次测试获得的轴瓦上表面空间平面函数与其他测试所获得的轴瓦上表面
空间平面函数在相同坐标点(x,y)的z坐标误差平方和，记为lj，将最小lj对应的轴瓦上表面平面函数系数作为最优轴瓦上表面空间平面函数系数；
27.其中，其中，zj表示第j次计算求得的轴瓦上表面空间平面函数中的z坐标的集合；x、y分别为满足x2 y2≤r2的横坐标x和纵坐标y的集合，r为轴瓦半径。
28.该优选方案通过多次计算得到的轴瓦上表面空间平面函数，从中寻找到最优轴瓦上表面空间平面函数，使得测量结果更合理，更加接近真实值。
29.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：将任一超声探头的聚焦中心点在轴瓦上表面处投影点的z坐标以及初步滑动轴承油膜厚度之和作为推力头下平面函数。
30.该滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的优选方案：根据所述最优轴瓦上表面空间平面函数、原始轴瓦侧面函数和推力头下平面函数，计算得到油膜厚度分布函数其中a
opt
、b
opt
、c
opt
、d
opt
为最优轴瓦上表面空间平面函数。
31.本发明还提出了一种滑动轴承油膜厚度分布的测量系统，包括设置于推力轴承座与轴瓦之间的至少三个超声探头，所述超声探头的信号输出端连接一处理单元，所述处理单元根据上述的滑动轴承油膜厚度分布的测量方法得到滑动轴承油膜厚度的空间分布以及轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度。该滑动轴承油膜厚度分布的测量系统具备上述滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的所有优点；且该系统采用推力轴承座与轴瓦之间的润滑油作为耦合剂实现声波传递的功能，无需专门定制耦合剂浴槽，在轴承已有的结构上创新性的布置传感器，使超声测试更加轻量化。
32.优选的，所述超声探头以轴瓦支承件中心为中心，周向均匀分布于轴瓦下方。这样可为滑动轴承油膜厚度的空间分布以及轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度的计算提供了便利。
33.本发明的有益效果是：
34.1.本发明将超声探头布置在推力轴承座与轴瓦之间的腔体内，采用腔体内部润滑油作为耦合剂实现声波传递的功能，无需专门定制耦合剂浴槽，在轴承已有的结构上创新性的布置传感器，使超声测试更加轻量化。
35.2.本发明通过至少三点式布置超声探头，计算多次轴瓦上表面空间平面函数，从中寻找到最优轴瓦上表面空间平面函数，使得测量结果更合理，更加接近真实值。
36.3.本发明基于弹簧模型测量油膜初始厚度，并通过探头聚焦中心在轴瓦上表面的投影坐标建立轴瓦空间平面函数，与推力头下表面空间函数、初始轴瓦侧面空间函数联立，能够求得油膜厚度的空间分布情况，并由此计算得到最小油膜厚度。该发明能够解决由于超声探头聚焦区域大于最小膜厚区域面积导致膜厚测量困难的问题，并且能够得到油膜区域的全部空间分布，能够为推力轴承的健康运维提供有效依据和参考。
37.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
38.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
39.图1是滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的流程图；
40.图2是超声探头在滑动轴承上的位置示意图；
41.图3是弹簧模型理论油膜厚度测量示意图；
42.图4是弹簧模型理论应用于滑动轴承油膜厚度测量示意图；
43.图5是油膜厚度测量示意图；
44.图6是油膜厚度分布计算示意图。
具体实施方式
45.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
47.如图1和图5所示，本发明提供了一种滑动轴承油膜厚度分布的测量方法的实施例，包括以下步骤：
48.如图2所示，以轴瓦支承件中心作为坐标原点，构建三维空间坐标系。然后在推力轴承座与轴瓦之间设置至少三个超声探头，确定超声探头的坐标，利用所述超声探头测量得到初步滑动轴承油膜厚度h
oi
。
49.本实施例中以设置三个超声探头为例，进行详细介绍。
50.将三个超声探头布置在推力轴承座与轴瓦之间的腔体，直接利用该腔体中的润滑油作为超声探头的耦合剂。在设置超声探头时，以坐标原点为中心，在轴瓦下方周向均匀布置所述超声探头，即两两超声探头之间的间隔120
°
。
51.如图3所示，给出了基于弹簧模型理论的油膜测量原理示意图，该模型将待测油膜等效为弹簧模型。三个超声探头发出三路超声波，超声波信号首先到达润滑油浴-轴瓦界面，这里称该界面为界面0，该界面0处的透射波为i0，反射波为r0；而后经由轴瓦到达轴瓦-待测油膜界面，这里称该界面为界面1，该界面1处的透射波为i1，反射波为r1；经过界面1后的透射波i1经由待测油膜到达待测油膜-推力头界面，这里称该界面为界面2，该界面2处的透射波为t3。
52.根据透射波i1、反射波为r1以及透射波为t3，如图4所示，基于弹簧模型理论计算公式，计算超声探头测量的初步滑动轴承油膜厚度，这里由于推力头与轴承座的声学性质近似相同，因此初步滑动轴承油膜厚度的计算公式为其中，ρ2为待测油膜的密度，c2为待测油膜的声速，f为超声探头的频率，z为推力头与轴承座的声阻抗，ri为第i
个探头测得的轴瓦-待测油膜界面处超声波的反射系数；i为正整数，其不大于超声探头总数量。
53.将超声探头所发超声波沿竖直方向入射轴瓦下表面，与轴瓦下表面的交点称之为聚焦中心点。根据超声测距原理和几何关系得到超声探头在轴瓦上的聚焦中心点，计算所述聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标。
54.具体地，
55.本实施例中，三个超声探头的安装位置坐标分别为(x1,y1,0),(x2,y2,0)和(x3,y3,0)，该坐标为已知量；定义轴瓦未倾斜时，超声探头顶部与轴瓦的垂直距离为hz，该值为已知量；定义第i个超声探头发出超声波的时间为t
0i
，第i个超声探头接收到润滑油浴-轴瓦界面处的反射波r0的时间为t
1i
，则超声探头在轴瓦倾斜后，测量得到的第i个超声探头顶部与轴瓦在竖直方向的距离，第i个超声探头顶部与轴瓦在竖直方向的距离其中，c0为滑动轴承内润滑油的声速，hi为第i个超声探头顶部与轴瓦在竖直方向的距离。本实施例中，根据超声测距原理和几何关系得到超声探头在轴瓦上的聚焦中心点时，采用现有计算方法即可。
56.第i个超声探头所发超声波竖直入射轴瓦下表面，并经轴瓦上表面射出，所射出点即为即为该超声探头聚焦中心点在轴瓦上表面的投影点，其坐标为：其中，θi为第i个超声探头聚焦在轴瓦上的点处时测量得到的轴瓦倾角，hw为轴瓦厚度，h
t
为探头长度，hz为轴瓦未倾斜时超声探头顶部与轴瓦的垂直距离，xi,yi为第i个超声探头安装位置的横坐标与纵坐标。
57.构建轴瓦上表面空间平面函数，将聚焦中心点的在轴瓦上表面处投影点的坐标代入轴瓦上表面空间平面函数中，得到轴瓦上表面空间平面函数系数。
58.重复执行上述步骤n次，得到n组轴瓦上表面空间平面函数系数，n为正整数。
59.这里，第j次测试计算得到的轴瓦上表面空间平面函数系数的计算步骤为：
60.设轴瓦上平面空间平面函数为ajx bjy cjz dj＝0，其中，j＝1,2,
…
,n，指第j次测试。将第j次测试计算得到的超声探头聚焦中心在轴瓦上表面的投影坐标代入轴瓦上表面空间平面函数中，求得第j次测试时的轴瓦上表面空间平面函数系数。
61.由于本实施例中是采用三个超声探头，因此三个超声探头的聚焦中心点在轴瓦上表面的投影点分别为：表面的投影点分别为：代入轴瓦上表面空间平面函数后，求得第j轮测试时轴瓦上表面空间平面函数系数：aj＝y1[hw/(cosθ
2-cosθ3)] y2[hw/(cosθ
3-cosθ1)] y3[hw/(cosθ
1-cosθ2)]；bj＝(h
t
hz hw/cosθ1)(x
2-x3) (h
t
hz hw/cosθ2)(x
3-x1) (h
t
hz hw/cosθ3)(x
1-x2)；cj＝x1(y
2-y3) x2(y
3-y1) x3(y
1-y2)，
[0062][0063]
从n组轴瓦上表面空间平面函数系数中提取最优轴瓦上表面空间平面函数系数，确定最优轴瓦上表面空间平面函数。
[0064]
本实施例中，基于最小二乘法，确定最优轴瓦上表面空间平面函数。
[0065]
将第j次测试获得的轴瓦上表面空间平面函数的z坐标的集合简记为zj＝fj(x,y),subject to x2 y2≤r2∧x∈x,y∈y，x、y分别为满足x2 y2≤r2的横坐标x和纵坐标y的集合，r为轴瓦半径，计算第j次测试获得的轴瓦上表面空间平面函数与其他测试所获得的轴瓦上表面空间平面函数在相同坐标点(x,y)z坐标的误差平方和，记为lj，将最小lj对应的轴瓦上表面空间平面函数系数作为最优轴瓦上表面空间平面函数系数；
[0066]
其中，{1,2,...,n}-j表示n次测试中除第j次测试外的其他测试。
[0067]
最后，如图6所示，根据原始轴瓦侧面空间函数、推力头下表面空间平面函数以及所述最优轴瓦上表面空间平面函数，得到油膜厚度的空间分布以及轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度。
[0068]
而推力头下平面函数由任一超声探头的聚焦中心点在轴瓦上表面处投影点的z坐标以及初步滑动轴承油膜厚度之和得到。
[0069]
以超声探头1为例，推力头下表面空间平面函数为其中，是超声探头1测得的超声探头1的聚焦中心在轴瓦上表面投影点的z坐标，h
o1
为超声探头1测得的初步滑动轴承油膜厚度。
[0070]
由于推力头为一平面，因此实际上也可以用其它超声探头的测量结果来表示。
[0071]
因此推力头下表面空间平面函数可表示为θi为第i个超声探头聚焦在轴瓦上的点处时测量得到的轴瓦倾角，hw为轴瓦厚度，h
t
为探头长度，hi为第i个超声探头顶部与轴瓦在竖直方向的距离，h
oi
为超声探头i测得的初步滑动轴承油膜厚度。
[0072]
具体地，油膜厚度的空间分布函数为：其中a
opt
、b
opt
、c
opt
、d
opt
为最优轴瓦上表面空间平面函数系数。
[0073]
构建原始轴瓦侧面空间函数，在构建原始轴瓦侧面空间函数时，以轴瓦支承件中心为坐标原点，建立左手坐标系，其中， x方向与坐标原点到一个超声探头的连线重合。原始轴瓦侧面空间为平行于z轴的圆柱面，原始轴瓦侧面空间函数为x2 y2＝r2，其中r为轴瓦
半径，该值为已知量。
[0074]
将原始轴瓦侧面空间函数作为油膜厚度的空间分布函数的定义域，将油膜厚度的空间分布函数定义域内的最小值作为轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度，即
[0075]
至此，得到了滑动轴承油膜厚度的空间分布以及轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度。
[0076]
本发明还提出了一种滑动轴承油膜厚度分布的测量系统的实施例。该系统包括设置于推力轴承座与轴瓦之间的至少三个超声探头，所述超声探头的信号输出端连接一处理单元，所述处理单元根据上述的滑动轴承油膜厚度分布的测量方法得到滑动轴承油膜厚度的空间分布以及轴瓦与推力头产生的油楔的最小油膜厚度。其中，超声探头的数量优选但不限于为三个，并以轴瓦支承件中心为中心，周向均匀分布于轴瓦下方，超声探头优选但不限于采用水浸式高温超声探头。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0078]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。