機械結(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,為減少機械設(shè)備關(guān)鍵零部件(如機械密封、軸承、機床導(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),該液體層對機械結(jié)構(gòu)的動力性、經(jīng)濟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,則機械結(jié)構(gòu)的機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,為保證機械設(shè)備的正常安全運行,需要對機械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件中液體層厚度進行監(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?；诔暡ㄔ诙鄬咏橘|(zhì)分界面處的傳播特性,國外學(xué)者在機械結(jié)構(gòu)液體層厚度超聲測量方面已開展了研究[6-8]。文獻[1]等對軸承潤滑油膜厚度進行了超聲測量研究,并對超聲無損技術(shù)在摩擦潤滑中的應(yīng)用進行了綜述,指出超聲波在摩擦潤滑機械構(gòu)件檢測中的廣泛應(yīng)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行了檢測試驗研究。
文獻[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[10]利用垂直入射縱波對軸承液體層厚度進行了試驗研究。王和順等[11-12]對機械密封超聲測量研究現(xiàn)狀進行了綜述,指出超聲波技術(shù)在機械密封端面測量中的應(yīng)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、計算機以及待測間隙模擬機械結(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。由于機械構(gòu)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(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?？梢钥闯?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。
