機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層的厚度度量

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引言

在現(xiàn)代工業(yè)中,為減少機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件(如機(jī)械密封、軸承、機(jī)床導(dǎo)軌等)因接觸摩擦而產(chǎn)生損耗,通常在相對運動的零部件間引入液體層結(jié)構(gòu)(微米級液體膜),起到潤滑和減少摩擦損耗的作用。研究發(fā)現(xiàn),該液體層對機(jī)械結(jié)構(gòu)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性等有著非常重要的影響[1]。如果液體層厚度過小,則機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械摩擦損失和零件磨損都會增大,可能造成損傷和安全事故。如果液體層厚度過大,將導(dǎo)致大量過剩潤滑液的流失和排放,造成環(huán)境污染和資源浪費。因此,為保證機(jī)械設(shè)備的正常安全運行,需要對機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件中液體層厚度進(jìn)行監(jiān)測。常用的間隙測量方法,如電渦流法、電容法和激光法等[2-4],應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層厚度測量有很大的局限性,如測量精度低、對待檢測結(jié)構(gòu)要求高和受檢測環(huán)境影響大等[5]。

作為五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一,超聲波技術(shù)也可用于介質(zhì)厚度的測量。例如,基于介質(zhì)上、下表面反射回波的時間差以及介質(zhì)中超聲波速,常規(guī)超聲反射回波技術(shù)可以實現(xiàn)較大厚度的測量。由于液體層厚度較小(幾微米到幾百微米),液體層上、下表面超聲反射回波將會疊加在一起,從時域波形無法獲得超聲波通過液體層兩側(cè)界面的傳播時間,因而無法直接利用常規(guī)超聲回波時間差實現(xiàn)液體層厚度測量。超聲波在多層介質(zhì)中傳播時,在不同介質(zhì)的分界面處會發(fā)生反射、透射現(xiàn)象,因而可以利用超聲波在不同介質(zhì)分界面的反射或透射系數(shù)來表征介質(zhì)的幾何(如厚度)和材料(如密度和彈性模量)特性。基于超聲波在多層介質(zhì)分界面處的傳播特性,國外學(xué)者在機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層厚度超聲測量方面已開展了研究[6-8]。文獻(xiàn)[1]等對軸承潤滑油膜厚度進(jìn)行了超聲測量研究,并對超聲無損技術(shù)在摩擦潤滑中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,指出超聲波在摩擦潤滑機(jī)械構(gòu)件檢測中的廣泛應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[5]利用超聲反射和透射方法對機(jī)械密封端面接觸狀況進(jìn)行了檢測試驗研究。

文獻(xiàn)[9]對垂直縱波入射到兩無限大介質(zhì)間嵌入薄層界面處超聲反射系數(shù)進(jìn)行了理論研究,重點研究了3種介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)對反射系數(shù)諧振頻率和半諧振頻率的影響。文獻(xiàn)[10]利用垂直入射縱波對軸承液體層厚度進(jìn)行了試驗研究。王和順等[11-12]對機(jī)械密封超聲測量研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,指出超聲波技術(shù)在機(jī)械密封端面測量中的應(yīng)用前景。趙春江等[13]對軋機(jī)液體層軸承液體層厚度測量方法進(jìn)行了綜述,重點比較了近期發(fā)展起來的光纖位移傳感法和超聲共振法。比較表明:雖然光纖位移傳感法測量精度高,外界依賴性小,但透光性的要求極大地限制了其在軋機(jī)液體層軸承上的應(yīng)用;超聲共振法具有對材料的高穿透能力,有較高的實用價值。筆者研究了機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層厚度超聲測量方法,為解決工程結(jié)構(gòu)液體層厚度測量問題提供方法支撐。

1厚度超聲諧振測量模型

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層厚度超聲測量的實際情況,建立了超聲波在3層介質(zhì)中傳播的理論模型,如圖1所示。由式(1)可以看出,超聲波在液體層界面處的反射系數(shù)不僅與3種介質(zhì)的聲阻抗有關(guān),而且與液體層厚度有關(guān);因此,在3層介質(zhì)聲阻抗確定的條件下,可以利用超聲波反射系數(shù)來反映液體層厚度變化。以不銹鋼-水-不銹鋼3層介質(zhì)為例,研究不同厚度液體層超聲反射系數(shù)特性,如圖2所示。由圖2可以看出,在0～11MHz頻率范圍內(nèi),5種不同厚度水層的超聲反射系數(shù)有很大不同。但各種厚度水層反射系數(shù)在其諧振頻率處均出現(xiàn)極小值。根據(jù)諧振頻率定義[9],水層厚度可表示為hw=cm/2fm(2)其中:c為中間介質(zhì)層中超聲波波速;m為諧振階數(shù);fm為m階諧振頻率。由圖2可知,通過研究液體層界面處超聲反射系數(shù)的諧振頻率,能夠間接測量到液體層厚度。

2超聲諧振厚度測量試驗

在實驗室,建立了機(jī)械結(jié)構(gòu)液體層厚度超聲測量系統(tǒng),如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括超聲脈沖激勵接收儀、傳感器、示波器、計算機(jī)以及待測間隙模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)。其中:超聲脈沖激勵接收儀采用美國泛美公司的5800超聲脈沖發(fā)射接收儀;傳感器采用Panasonic中心頻率為10MHz的V111-RM型寬帶傳感器;待測間隙模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)由置于液體(水或油)中的兩塊金屬圓片構(gòu)成,圓片厚度5mm,材質(zhì)包括鋼、鋁、石墨3種。在兩圓片之間放置不同厚度的間隙調(diào)整試塊,構(gòu)造出厚度待測液體層結(jié)構(gòu)。在液體層厚度超聲諧振測量試驗中,需要利用反射聲波與入射聲波相比來計算超聲反射系數(shù)。而超聲檢測試驗中一般無法直接獲得入射超聲波。由于機(jī)械構(gòu)件(鋼、鋁等)與空氣的聲阻抗相差很大,通常認(rèn)為超聲波在機(jī)械構(gòu)件-空氣界面處發(fā)生全反射。因此,可以將超聲波在空氣界面下的反射信號作為求解超聲反射系數(shù)的參考信號。在液體層厚度超聲測量試驗之前,利用厚度已知的塞尺作為液體層厚度調(diào)整試塊,對液體層厚度超聲諧振測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。圖4為不同厚度塞尺測得的反射系數(shù)曲線。

圖5為多次重復(fù)測量試驗得到的標(biāo)定曲線,標(biāo)定方程為hc=716.9f-0.9648(3)其中:hc為厚度標(biāo)定值;f為試驗測得的諧振頻率。在對聲諧振測量系統(tǒng)標(biāo)定基礎(chǔ)上,進(jìn)行不同厚度水層測量試驗,結(jié)果見表1。可以看出,利用聲諧振法進(jìn)行水層厚度測量的精度一般在5%范圍內(nèi)。根據(jù)超聲諧振厚度測量原理,液體層的諧振頻率與其厚度成反比。因此,超聲檢測系統(tǒng)頻率范圍越高,可以測量的薄液體層厚度就越小。但是,超聲波頻率越高,衰減也越大。實際測量中,需要根據(jù)材料衰減及厚度分辨率綜合確定傳感器的頻帶范圍。此外,超聲測量系統(tǒng)的頻帶決定了超聲諧振方法液體層厚度測量范圍,而超聲反射系數(shù)的頻率間隔決定了液體層厚度測量的分辨率Δh。若測量中反射系數(shù)的頻率間隔為Δf(試驗中Δf=0.035kHz),諧振階次m=1,根據(jù)式(2)液體層厚度與諧振頻率的關(guān)系,得到液體層厚度分辨率為圖6為液體層厚度分辨率與超聲反射系數(shù)頻率間隔的關(guān)系。由圖6可以看出,隨著頻率的增加,厚度分辨率越來越小,測量精度也就越高。

3厚度超聲諧振測量影響因素分析

由超聲反射系數(shù)表達(dá)式(1)可知,液體層超聲反射系數(shù)與液體層厚度以及3種介質(zhì)的聲學(xué)特性參數(shù)有關(guān)。下面研究3層介質(zhì)聲阻抗變化對液體層超聲反射系數(shù)及厚度測量的影響。

3.1液體層聲阻抗變化影響

保持液體層厚度及兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗等條件不變,研究液體層聲阻抗變化對厚度測量的影響。圖7為兩側(cè)介質(zhì)均為不銹鋼、中間液體層分別為水和硅油條件下,理論計算和試驗測得的液體層超聲反射系數(shù)曲線。由圖7(a)理論計算結(jié)果可以看出,在4～7.5MHz范圍內(nèi),當(dāng)液體層為硅油時,會出現(xiàn)3階諧振。當(dāng)液體層為水時,會出現(xiàn)2階諧振。圖7(b)中試驗測得諧振頻率點與理論計算結(jié)果吻合很好。利用超聲諧振法對液體層厚度進(jìn)行測量,當(dāng)液體層聲學(xué)性能參數(shù)發(fā)生變化時,會影響其反射系數(shù),使其諧振頻率發(fā)生變化。因此利用超聲諧振法對液體層厚度進(jìn)行測量時,當(dāng)液體層介質(zhì)發(fā)生變化時(如材質(zhì)改變,或外界環(huán)境因素變化導(dǎo)致液體層聲阻抗發(fā)生變化),需要重新對超聲諧振測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

3.2上層介質(zhì)聲阻抗變化影響

保持液體層厚度及液體層和下層介質(zhì)聲阻抗等條件不變,研究上層介質(zhì)聲阻抗變化對液體層厚度測量的影響。以石墨-水-不銹鋼、碳化硅-水-不銹鋼以及不銹鋼-水-不銹鋼3種系統(tǒng)為例進(jìn)行研究,圖8為3種系統(tǒng)的超聲反射系數(shù)曲線。由圖8(a)所示理論計算反射系數(shù)曲線可以看出,上層介質(zhì)材料性質(zhì)對液體層反射系數(shù)的諧振頻率無影響。但從圖8(b)反射系數(shù)試驗測量結(jié)果來看,上層介質(zhì)材料性質(zhì)變化導(dǎo)致液體層反射系數(shù)的諧振頻率發(fā)生微小變動,但變動值在諧振模型厚度測量誤差范圍內(nèi)。諧振頻率波動可能是因為上層介質(zhì)材料性能變化使反射回波時間發(fā)生改變,引起頻譜分析時間窗口變動所造成。

3.3下層介質(zhì)聲阻抗變化影響

保持液體層厚度及液體層和上層介質(zhì)聲阻抗等條件不變,研究下層介質(zhì)聲阻抗變化對液體層厚度測量的影響。以不銹鋼-水-石墨、不銹鋼-水-碳化硅和不銹鋼-水-不銹鋼3種系統(tǒng)為例進(jìn)行研究,圖9為3種系統(tǒng)的超聲反射系數(shù)曲線。由圖9(a)理論反射系數(shù)曲線可以看出,當(dāng)水層厚度相同時,3種系統(tǒng)諧振頻率相等。但在諧振頻率處,反射系數(shù)的大小有所不同,其中不銹鋼-水-石墨系統(tǒng)的反射系數(shù)最小。在超聲諧振測量試驗的頻率范圍內(nèi),圖9(b)為試驗測量反射系數(shù)曲線。可以看出,反射系數(shù)曲線的最小點,即液體層的諧振頻率與理論值相吻合,而且3種系統(tǒng)中間水層,在諧振頻率點的反射系數(shù)大小關(guān)系與理論計算同樣相吻合。理論計算和試驗結(jié)果表明,下層介質(zhì)材料變化對液體層諧振頻率測量無影響;因此,下層介質(zhì)材料變化對超聲諧振法測量液體層厚度無影響。

4結(jié)論

1)基于垂直入射縱波在3層介質(zhì)中液體層超聲反射系數(shù)分析,利用液體層反射系數(shù)的諧振頻率表征液體層厚度。2)在標(biāo)定試驗基礎(chǔ)上,進(jìn)行了液體層厚度測量試驗研究。試驗結(jié)果表明,利用超聲諧振法測量的厚度結(jié)果與實際很好吻合,誤差一般在5%范圍內(nèi)。3)研究了3層介質(zhì)的聲學(xué)特性對液體層厚度測量的影響。結(jié)果表明,采用聲諧振法測量液體層厚度時,兩側(cè)介質(zhì)材料變化對其厚度測量基本無影響。當(dāng)液體層材質(zhì)發(fā)生變化時,對其厚度測量產(chǎn)生影響。因此,在后續(xù)試驗測量中,需要進(jìn)一步開展環(huán)境因素改變,如溫度對液體層厚度測量的影響。