基于并列超声反射的圆柱滚子轴承弹膜厚度分布在线检测技术

针对实际工况下圆柱滚子轴承线接触弹流润滑膜的厚度及压力分布实测数据缺乏，造成众多理论分析成果难以通过实验校验更直接地指导实际的问题，采用将超声传感器并排以获得圆柱滚子轴承的油膜厚度和压力分布总体思路，改进国际上最新的基于刚度等效的单点油膜厚度超声检测方法，研究并解决超声传感器并排所必然带来的信号串扰及数据量剧增的问题，提供可用于服役工况下圆柱滚子轴承线接触弹流润滑膜厚度和压力分布在线检测的技术和手段；进而通过实测某型飞机发动机用圆柱滚子轴承工作转速下的油膜厚度和压力分布进行技术验证，并提供此类轴承在各种工况下的弹膜厚度压力的批量数据，为此处的弹流润滑理论研究提供实验依据和佐证，这无疑具有十分重要的理论和现实意义。项目的意义还在于通过研究并克服超声传感器并排使用中必将出现的困难，扩展此类传感器的使用范围和方法，突破目前超声传感器通常只用于单点信号测量的局限，为此类传感器开拓更广阔的应用领域。

本基金项目的主要目标是改进国际上最新的基于刚度等效的单点油膜厚度超声检测方法，研究并提供可用于服役工况下圆柱滚子轴承线接触弹膜厚度和压力分布在线检测的技术和手段。四年来，课题组按照原计划圆满完成了实际工况下圆柱滚子轴承1微米以下膜厚分布的在线超声检测装置和技术的研究、开发以及试验验证，并对超声技术进行了应用拓展以获取更多轴承内部信息。课题组共发表高水平学术论文16篇（其中SCI收录8篇，EI收录6篇），发明专利2个，圆满完成了项目目标。本课题主要研究内容及成果如下：.1、双通道高速高频超声测量软硬件测量系统研究与开发。针对现有超声膜厚测量法有效测量转速较低(小于600rpm)的问题，自主设计并开发了一套双通道高速高频超声测量软硬件系统，通过FPGA算法及相关硬件设计有效提高了脉冲驱动重复频率(0-100 kHz)，从而为实现圆柱滚子轴承0-3000rpm范围内的1微米以下膜厚分布测量提供了坚实基础。.2、高重复频率下的超声测量算法研究。针对超声聚焦探头的平均效应问题，利用超声测量过程中测量区域可能发生重叠的特点，提出了一种新的算法，将给定转速下的空间分辨率的决定因素由聚焦直径变为脉冲重复频率，从而有效提高了高重复频率下的膜厚测量精度。.3、触发控制系统改进及单因素膜厚影响规律实验研究。通过增加相对复杂的触发控制系统有效减少了转子不平衡振动的耦合影响，从而有效分析了载荷、转速、润滑油种类和温度等对油膜厚度的影响规律。.4、线接触膜厚分布及滚子摆动状态的超声测量研究。首次采用移动超声探头和并列超声探头两种方式测量了滚子线接触油膜厚度的三维分布情况。同时，通过并列超声反射信号的幅值和相位信息首次测量了滚子在实际运转过程中的倾斜和歪斜现象，并与轴承动力学理论仿真结果进行了对比验证。.总体而言，本基金理论上对超声测量方法进行了深入研究和挖掘，有效提高了超声测量空间分辨率和算法精度，并首次实现了实际运转过程中滚动轴承内部润滑膜厚分布以及滚子运动状态的直接在线检测，为提高我国滚动轴承的性能研究、质量评估和设计水平提供了坚实的基础。同时，本基金在工程上自主开发了相应的超声测量软硬件系统，突破了现有超声测量实际可测转速较低的瓶颈，为超声测量方法在工程实际中的广泛应用提供了强有力的技术支撑。