可傾瓦推力軸承潤滑膜厚度的超聲檢測技術研究*

曲 璠 李思晗 劉 希 劉雨薇 張俊華2, 賈 謙2,

(1.西安交通大學城市學院電氣與信息工程系 陜西西安 710018；2.西安交通大學城市學院機器人與智能制造陜西省高校工程研究中心 陜西西安 710018；3.西安交通大學城市學院機械工程系 陜西西安 710018；4.廣州海關技術中心 廣東廣州 510623)

滑動軸承依靠潤滑膜實現承載和低摩擦運行，隨著經濟和科技水平的快速發展，含有滑動軸承的重大裝備例如核主泵、燃氣輪機等正在逐漸實現國產化，但是關于軸承設計的核心技術尚未完全掌握，形成了短板[1-2]。特別是有高速、重載等極端服役要求的高參數滑動軸承，其設計及實驗技術對我國發展新一代核電及航空發動機至關重要[3]?？蓛A瓦推力軸承在核主泵、水輪機組等立式設備中起著重要作用，其工作時候的穩定性會直接影響到整個機組的安全，不容忽視[4]。推力軸承的潤滑狀態檢測是一項重要的工作，通常檢測的指標包括潤滑膜的厚度、溫升及壓力等指標，其中潤滑膜厚度數據除了可以監控是否產生摩擦，還可以幫助更好地了解潤滑膜的產生和演化過程[5]。

研究軸承的潤滑膜厚度變化對于改善軸承潤滑性能、提高機組壽命起著關鍵作用。為了對滑動軸承在工作過程中的潤滑膜厚度進行較為精準的測量，研究者們采用多種手段進行了大量的理論和實踐工作。歐陽武等[6-7]建立了一個核主泵半尺寸水潤滑徑向軸承的試驗平臺，該平臺具有對軸承潤滑膜厚度及潤滑狀態的測試功能，相關的研究成果為核主泵水潤滑軸承的設計研究提供了試驗數據。王瑞等人[8]對推力軸承的成膜特性進行了理論和試驗研究，在試驗中進行了水潤滑石墨推力軸承啟停過程潤滑膜厚度的電渦流時變檢測。張平、張小棟等[9-10]在滑動軸承的試驗中構建了基于雙路光纖的油膜厚度動態精密檢測模型，對光纖傳感器的非線性特性進行補償，并對油膜厚度動態信號中的噪聲進行濾除。

采用超聲波作為測量手段可以實現無損檢測，并且超聲檢測的適用范圍非常廣，可用于各種金屬材料和非金屬材料以及各種形狀材料的無損檢測，在制造、加工、材料、航空、兵器、核工業都有廣泛應用。文獻[11-15]采用超聲作為測量手段對滑動軸承的潤滑膜厚度進行了靜態和動態測量研究探索，證明了將超聲技術用于潤滑膜厚度測試的可行性。DWYER-JOYCE[16]對超聲波在微小尺度間隙下薄膜厚度的測量研究已取得了良好結果。

本文作者針對非接觸測試的要求及高速動態測試的需要，采用超聲技術對可傾瓦推力軸承的潤滑膜厚度檢測進行了相關的理論和試驗研究。

1 潤滑膜厚度超聲檢測原理及檢測系統

1.1 潤滑膜厚度的超聲檢測原理

典型的推力滑動軸承摩擦副可以被描述為一種3層結構，即固體1-潤滑油膜-固體2，固體1為推力盤、固體2為軸承瓦塊，如圖1所示。超聲波在固體和潤滑膜之間的界面上垂直入射時會伴隨發生透射和反射現象。因此可以提取反射信號進行分析，進而通過相關的超聲膜厚測量計算模型計算得到油膜的厚度值h。

圖1 滑動軸承摩擦副超聲多層反射原理

當采用頻率在一定范圍內連續變化的正弦波電信號激勵壓電晶片時，晶片向試件內所發射的聲波頻率也是連續變化的。如果潤滑膜的厚度為聲波半波長的整數倍時，會在潤滑膜內形成駐波，與試件產生共振現象，且有

(1)

式中：h為試件厚度；λ為聲波在試件中的波長；n為任一整數。

顯然在共振時，潤滑膜厚度h與共振頻率有如下關系

(2)

(3)

n=1時，fn=f1稱為基波頻率，可得

(4)

在已知厚度共振的2個相鄰的共振頻率時，可由式(5)算出潤滑膜厚度h。

(5)

還可根據試樣共振時振蕩器工作電流相應出現來確定共振頻率fn和fn+m及共振次數m，利用聲速c1就可得到潤滑膜的厚度h,如式(6)所示。

(6)

獲得了潤滑膜厚度值h之后，可根據圖2中所示的判斷方法對推力軸承的潤滑狀態進行判斷。

圖2 推力軸承潤滑狀態的判斷方法

1.2 潤滑膜厚度的超聲檢測系統

推力軸承潤滑膜厚度的超聲檢測系統由硬件及軟件2部分組成，檢測系統的實物圖如圖3(a)所示。硬件部分包括可傾瓦推力軸承試驗臺、多通道數據采集裝置、脈沖信號發生裝置及超聲換能器等，軟件部分包括數據處理與分析單元、信號控制單元及顯示與交互單元。超聲測量信號的處理流程如圖3(b)所示，超聲換能器頭是整個測量系統的關鍵部件，其性能也直接影響著整個試驗系統。

圖3 推力軸承潤滑膜厚度的超聲檢測系統

推力軸承試驗臺的加載方式為液壓加載，載荷的大小可在0～10 kN范圍內變化，試驗轉速可設定為400、800、1 200、1 800 r/min。文中研究選用的測試載荷為8 kN、轉速為400 r/min 。系統中的信號發生模塊和接收模塊都是為了使換能器可以正常工作而設計和制作的。脈沖信號發生器可產生100～400 V的高壓電脈沖，并施加到壓電晶片上產生脈沖超聲波。

2 可傾瓦推力軸承潤滑膜厚度的超聲檢測試驗

2.1 試驗的對象和試驗過程

試驗推力軸承的內徑為70 mm，外徑為140 mm；采用圓柱銷點支撐方式，支點支撐直徑為100 mm；推力軸瓦塊徑向支點系數為0.56，周向支點系數為0.59；推力軸瓦表面有一層厚度為2 mm的巴氏合金層。推力軸承實物圖如圖4(a)所示。推力軸承瓦背上加工有用于安裝超聲波壓電元件的凹槽，其深度為5 mm。軸瓦測點布置如圖4(b)所示，布置的測點位置選為推力軸承的出油邊(測點1)和進油邊(測點2)。超聲波壓電元件直徑為7 mm、厚度為0.2 mm。在軸承瓦塊的支點位置上方安裝了一個電渦流位移傳感器，電渦流探頭的直徑為5 mm，量程為1 mm，輸出電壓為1～5 V。

圖4 試驗推力軸承及測點布置

可傾瓦推力軸承潤滑膜厚度檢測試驗有5個步驟：第一步，首先將安裝好的推力軸承瓦塊放置于潤滑油池內，在超聲測量系統中選擇采集“巴氏合金-潤滑油”界面的反射信號作為參考信號，并記錄試驗的初始溫度；第二步，啟動試驗臺潤滑系統并開啟驅動電機，電機的額定轉速設定為1 800 r/min，控制推力盤下降，使得油膜厚度由厚變薄，最終趨于穩定；第三步，推力盤下降過程中實時采集油膜反射信號，并通過熱電偶測量溫度，通過考慮溫度補償的超聲膜厚測量模型計算測點1的油膜厚度，同時通過電渦流傳感器測量油膜厚度；第四步，切換測點，通過超聲膜厚共振測量模型計算測點2油膜厚度；第五步，反復切換測點，對2個測點處的油膜厚度進行測量。

2.2 試驗的結果和分析

試驗推力軸承在試驗臺上準備運行至停機的試驗時間為6 min，通過試驗分別獲取了穩定運行時間內10～170 s的試驗測量數據，如圖5所示。在圖5(a)中給出的是軸承出油邊及進油邊2個超聲測點和軸承支點位置電渦流傳感器測得的油膜厚度h隨試驗時間t的變化情況。其中超聲數據是重復3次試驗的數據，電渦流數據是各測量時刻在3次試驗中的平均值數據。可以看出，測點1即出油邊附近的h值變化范圍在19～25 μm之間，平均值為22 μm；測點2即進油邊附近的h值變化范圍在90～115 μm之間，平均值為101 μm；支點處電渦流傳感器測得的油膜厚度h值變化范圍為40～60 μm之間，平均值為51 μm。為了便于分析，更進一步地在圖5(b)中給出了測點1和測點2處超聲測試數據均值及根據推力軸承摩擦副幾何關系獲得的支點處的油膜厚度值?？梢钥闯?，根據超聲測試獲得的支點處油膜厚度值為47 μm，該值與電渦流傳感器測得的油膜厚度平均值51 μm相差了4 μm。另外，根據圖2中所示的推力軸承潤滑狀態的判斷方法，可以判斷出文中試驗時的推力軸承潤滑狀態為流體潤滑狀態。

圖5 潤滑膜厚度測量結果及平均潤滑膜厚度

3 試驗結果和理論計算結果的比較

3.1 潤滑膜厚度的理論計算模型

推力軸承潤滑性能計算的基本方程包括雷諾方程、液膜厚度方程、潤滑液黏溫方程和液膜能量方程等，等溫假設時不考慮能量方程和黏溫方程。如圖6所示取一參考平面與推力盤平面平行，兩平面相距hc，設瓦擺動后瓦平面與參考平面的交線為P，P線過坐標原點O。

圖6 推力軸承潤滑膜厚度的計算模型

γP為擺動后瓦平面與參考平面之間的夾角，此時的潤滑膜厚度h為

h=hc+rsin(θP-θ)sinγP

(7)

式中:θP是P的位置角。

γP很小，所以sinγP≈γP。設最小潤滑膜厚度位于(rmin,θmin)，由式(7)得最小液膜厚度hmin為

hmin=hc+γPrminsin(θP-θmin)

(8)

根據文中試驗軸承的參數和工況，選取一組推力軸承理論計算所用的結構和工況參數，如表1所示。

表1 推力軸承理論計算的結構和工況參數

3.2 潤滑膜厚度的試驗和理論計算結果對比

通過理論計算獲得了給定工況下推力軸承的潤滑膜分布，如圖7所示。從理論計算結果可以看出，推力軸承單塊軸瓦的潤滑膜厚度值的分布與進油邊和出油邊有關，從進油邊到出油邊潤滑膜的厚度值有明顯的減小。圖7中，進油邊附近潤滑膜的厚度值約為150 μm，在出油邊潤滑膜厚度值約為30 μm。在超聲測點1處的理論計算值為32 μm，與該點的超聲測試均值22 μm相差8 μm；在超聲測點2處的理論計算值為98 μm，與該點的超聲測試均值101 μm相差3 μm。從理論結算的結果來看，推力軸承潤滑膜厚度的理論計算值正確反映了文中推力軸承的潤滑情況，并且計算的結果與超聲測試的結果非常接近；從超聲測試結果來看，測試數據穩定且和理論計算結果相差在微米量級，再一次證明了文中推力軸承油膜厚度超聲市檢測技術的先進性和可行性。

圖7 推力軸承潤滑膜分布的理論計算結果(μm)

4 結論

(1)采用超聲波技術對可傾瓦推力軸承潤滑膜厚度進行試驗檢測，給出了針對推力軸承潤滑膜厚度的超聲檢測模型，構建了推力軸承潤滑膜超聲檢測試驗系統。

(2)通過超聲測試試驗獲得了推力瓦塊進油邊和出油邊附近的潤滑膜厚度，采用電渦流測試獲得了瓦塊支點處的潤滑膜厚度，試驗時推力軸承的額定轉速為1 800 r/min、測量時間為6 min，根據超聲測試結果計算獲得的支點處潤滑膜厚度值為47 μm與電渦流傳感器測得的平均值51 μm相差了4 μm。從試驗角度證明了文中測試方法的先進性。

(3)通過計算仿真獲得了推力軸承的潤滑膜厚度分布，并與試驗測試結果進行了比較，將超聲測量數據與理論計算數在測點1處潤滑膜厚度的理論計算值與超聲測試值相差8 μm，在測點2處潤滑膜厚度的理論計算值與超聲測試值相差3 μm。從理論角度證明了文中測試方法的先進性。