機械結構液體層的厚度度量論文

機械結構液體層的厚度度量論文

　　引言

　　在現代工業(yè)中,為減少機械設備關(guān)鍵零部件(如機械密封、軸承、機床導軌等)因接觸摩擦而產(chǎn)生損耗,通常在相對運動(dòng)的零部件間引入液體層結構(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,該液體層對機械結構的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和安全可靠性等有著(zhù)非常重要的影響[1]。如果液體層厚度過(guò)小,則機械結構的機械摩擦損失和零件磨損都會(huì )增大,可能造成損傷和安全事故。如果液體層厚度過(guò)大,將導致大量過(guò)剩潤滑液的流失和排放,造成環(huán)境污染和資源浪費。因此,為保證機械設備的正常安全運行,需要對機械結構關(guān)鍵零部件中液體層厚度進(jìn)行監測。常用的間隙測量方法,如電渦流法、電容法和激光法等[2-4],應用于機械結構液體層厚度測量有很大的局限性,如測量精度低、對待檢測結構要求高和受檢測環(huán)境影響大等[5]。

　　作為五大常規無(wú)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(shí)間差以及介質(zhì)中超聲波速,常規超聲反射回波技術(shù)可以實(shí)現較大厚度的測量。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(huì )疊加在一起,從時(shí)域波形無(wú)法獲得超聲波通過(guò)液體層兩側界面的傳播時(shí)間,因而無(wú)法直接利用常規超聲回波時(shí)間差實(shí)現液體層厚度測量。超聲波在多層介質(zhì)中傳播時(shí),在不同介質(zhì)的分界面處會(huì )發(fā)生反射、透射現象,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來(lái)表征介質(zhì)的幾何(如厚度)和材料(如密度和彈性模量)特性�；�于超聲波在多層介質(zhì)分界面處的傳播特性,國外學(xué)者在機械結構液體層厚度超聲測量方面已開(kāi)展了研究[6-8]。文獻[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(wú)損技術(shù)在摩擦潤滑中的應用進(jìn)行了綜述,指出超聲波在摩擦潤滑機械構件檢測中的廣泛應用前景。文獻[5]利用超聲反射和透射方法對機械密封端面接觸狀況進(jìn)行了檢測試驗研究。

　　文獻[9]對垂直縱波入射到兩無(wú)限大介質(zhì)間嵌入薄層界面處超聲反射系數進(jìn)行了理論研究,重點(diǎn)研究了3種介質(zhì)聲學(xué)參數對反射系數諧振頻率和半諧振頻率的影響。文獻[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]對機械密封超聲測量研究現狀進(jìn)行了綜述,指出超聲波技術(shù)在機械密封端面測量中的應用前景。趙春江等[13]對軋機液體層軸承液體層厚度測量方法進(jìn)行了綜述,重點(diǎn)比較了近期發(fā)展起來(lái)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(lài)性小,但透光性的要求極大地限制了其在軋機液體層軸承上的應用;超聲共振法具有對材料的高穿透能力,有較高的實(shí)用價(jià)值。筆者研究了機械結構液體層厚度超聲測量方法,為解決工程結構液體層厚度測量問(wèn)題提供方法支撐。

　　1厚度超聲諧振測量模型

　　根據機械結構液體層厚度超聲測量的實(shí)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來(lái)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特性,如圖2所示。由圖2可以看出,在0～11MHz頻率范圍內,5種不同厚度水層的超聲反射系數有很大不同。但各種厚度水層反射系數在其諧振頻率處均出現極小值。根據諧振頻率定義[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;fm為m階諧振頻率。由圖2可知,通過(guò)研究液體層界面處超聲反射系數的諧振頻率,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(shí)驗室,建立了機械結構液體層厚度超聲測量系統,如圖3所示。該系統主要包括超聲脈沖激勵接收儀、傳感器、示波器、計算機以及待測間隙模擬機械結構。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;待測間隙模擬機械結構由置于液體(水或油)中的兩塊金屬圓片構成,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整試塊,構造出厚度待測液體層結構。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(lái)計算超聲反射系數。而超聲檢測試驗中一般無(wú)法直接獲得入射超聲波。由于機械構件(鋼、鋁等)與空氣的聲阻抗相差很大,通常認為超聲波在機械構件-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整試塊,對液體層厚度超聲諧振測量系統進(jìn)行標定。圖4為不同厚度塞尺測得的反射系數曲線(xiàn)。

　　圖5為多次重復測量試驗得到的標定曲線(xiàn),標定方程為hc=716.9f-0.9648(3)其中:hc為厚度標定值;f為試驗測得的諧振頻率。在對聲諧振測量系統標定基礎上,進(jìn)行不同厚度水層測量試驗,結果見(jiàn)表1�？梢钥闯�,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。根據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(shí)際測量中,需要根據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。若測量中反射系數的頻率間隔為Δf(試驗中Δf=0.035kHz),諧振階次m=1,根據式(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頻率間隔的關(guān)系。由圖6可以看出,隨著(zhù)頻率的增加,厚度分辨率越來(lái)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

　　由超聲反射系數表達式(1)可知,液體層超聲反射系數與液體層厚度以及3種介質(zhì)的聲學(xué)特性參數有關(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曲線(xiàn)。由圖7(a)理論計算結果可以看出,在4～7.5MHz范圍內,當液體層為硅油時(shí),會(huì )出現3階諧振。當液體層為水時(shí),會(huì )出現2階諧振。圖7(b)中試驗測得諧振頻率點(diǎn)與理論計算結果吻合很好。利用超聲諧振法對液體層厚度進(jìn)行測量,當液體層聲學(xué)性能參數發(fā)生變化時(shí),會(huì )影響其反射系數,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(shí),當液體層介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)(如材質(zhì)改變,或外界環(huán)境因素變化導致液體層聲阻抗發(fā)生變化),需要重新對超聲諧振測量系統進(jìn)行標定。

　　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種系統為例進(jìn)行研究,圖8為3種系統的超聲反射系數曲線(xiàn)。由圖8(a)所示理論計算反射系數曲線(xiàn)可以看出,上層介質(zhì)材料性質(zhì)對液體層反射系數的諧振頻率無(wú)影響。但從圖8(b)反射系數試驗測量結果來(lái)看,上層介質(zhì)材料性質(zhì)變化導致液體層反射系數的諧振頻率發(fā)生微小變動(dòng),但變動(dòng)值在諧振模型厚度測量誤差范圍內。諧振頻率波動(dòng)可能是因為上層介質(zhì)材料性能變化使反射回波時(shí)間發(fā)生改變,引起頻譜分析時(shí)間窗口變動(dòng)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種系統為例進(jìn)行研究,圖9為3種系統的超聲反射系數曲線(xiàn)。由圖9(a)理論反射系數曲線(xiàn)可以看出,當水層厚度相同時(shí),3種系統諧振頻率相等。但在諧振頻率處,反射系數的大小有所不同,其中不銹鋼-水-石墨系統的反射系數最小。在超聲諧振測量試驗的頻率范圍內,圖9(b)為試驗測量反射系數曲線(xiàn)�？梢钥闯�,反射系數曲線(xiàn)的最小點(diǎn),即液體層的諧振頻率與理論值相吻合,而且3種系統中間水層,在諧振頻率點(diǎn)的反射系數大小關(guān)系與理論計算同樣相吻合。理論計算和試驗結果表明,下層介質(zhì)材料變化對液體層諧振頻率測量無(wú)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(wú)影響。

　　4結論

　　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分析,利用液體層反射系數的諧振頻率表征液體層厚度。2)在標定試驗基礎上,進(jìn)行了液體層厚度測量試驗研究。試驗結果表明,利用超聲諧振法測量的厚度結果與實(shí)際很好吻合,誤差一般在5%范圍內。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。結果表明,采用聲諧振法測量液體層厚度時(shí),兩側介質(zhì)材料變化對其厚度測量基本無(wú)影響。當液體層材質(zhì)發(fā)生變化時(shí),對其厚度測量產(chǎn)生影響。因此,在后續試驗測量中,需要進(jìn)一步開(kāi)展環(huán)境因素改變,如溫度對液體層厚度測量的影響。