塑料瓦推力轴承膜厚和形变分布超声同步检测方法研究

Lubrication film thickness and deformation distribution are key parameters for lubrication mechanism reasearch in polymer thrust bearings under the condition of coupling oil film pressure to surface elastic deformation. However, an effective method for the detection of the two characteristics has yet to be achieved. In this project, an ultrasonic method would be studied which would be able to synchromously measure the lubrication film thickness and deformation in real time: the lubrication film thickness would be obtained based on the amplitude information of the ultrasonic echo reflected from the lubrication layer, and the deformation would be obtained based on the change of the Time of Flight when the ultrsound pass through the composite layer constituted by the copper and the polymer. The distribution of the lubrication film thickness and deformation would then be obtained by fitting the results of multi measurement points. The main research contents includes: 1) Develop the ultrasonic method for lubrication film thickness measurement in complex structure with overlapped echoes;2）Develop the ultrasonic method for deformation measurement under the condition that the elastic modulus vary with the pressure;3)The technique to be developed would be tested and verified by experiment in thrust bearing apparatus. The research achievement could be a significant meaning for theory research of polymer thrust bearing and structural optimization.

塑料瓦推力轴承的膜厚和形变分布是研究塑料瓦轴承在流体动压和表面弹性变形耦合作用下润滑机理的重要参数。润滑膜所处空间的密闭性、形变尺度的微小性等特点制约了膜厚分布和形变分布检测的实施与发展，本项目研究发展一种能够同步实时获取塑料瓦推力轴承运行过程中膜厚和形变的超声检测方法：通过超声波在润滑层上反射信号的频域幅值信息获得膜厚特征；通过超声波在青铜丝网层和塑料组成的复合层中的飞行时间信息获得形变特征。利用多测点的膜厚和形变值通过插值拟合获得塑料瓦的膜厚和形变分布。主要研究内容有：1）研究适合复杂多层结构反射信号重叠时的膜厚超声检测方法；2）研究适合弹性模量随压力变化时的塑料瓦形变超声检测方法；3）在塑料瓦推力轴承实验台上进行实验检测，通过改变轴承运行工况参数，获得不同工况下膜厚和形变的分布信息，并与理论仿真结果进行对比分析。研究成果对塑料瓦轴承的润滑理论研究和结构优化设计均具有重要意义。

本项目针对轴承膜厚与形变超声检测中的一系列关键问题进行了系统的研究，主要的研究内容有：. 自主研制了膜厚超声检测系统。膜厚超声检测系统是实现膜厚与形变超声检测的基础。项目组在前期基础上，设计搭建了两套超声检测系统，一套通过超声波压电元件、独立式超声波脉冲接收仪、示波器、以及PC构成，研究了示波器与PC端数据传输方法，编制了相应的数据传输与信号处理软件；另一套通过超声波压电元件、超声波脉冲发射接收卡、工控机构成，研究了系统的控制与数据采集处理方法，获得了极高信噪比的超声波信号。掌握了膜厚超声检测系统的搭建，形成了两套膜厚超声检测系统。. 研究了全范围膜厚测量方法。对于传统膜厚超声检测方法来说，根据测量范围的不同分为飞行时间法、谐振法以及弹簧模型法。但对于单个中心频率传感器来说，三种方法之间存在一个盲区，极大阻碍了膜厚超声检测系统的工程应用。本项目首次提出结合超声波反射信号的幅值与相位测量轴承的润滑膜，通过推演盲区膜厚与相位的函数关系，在传统盲区膜厚范围，采用超声波反射信号的相位进行膜厚测量，通过高精度实验台构造一系列已知厚度的润滑膜验证了方法的有效性，该方法解决了传统方法测量盲区问题，有利于推动膜厚超声检测方法的工程应用。. 研究了复杂多层结构膜厚超声检测方法。针对复杂多层结构中各界面超声反射信号发生混叠导致目标信号受到干扰进而影响测量精度甚至导致传统膜厚检测方法失效的问题。本项目通过将重叠超声波反射信号等效为多个高斯回波的叠加，发展一种自适应分离算法，通过自适应分离算法获得油膜层的反射信号，通过高精度膜厚模拟实验台构造一系列已知厚度的润滑膜验证了方法的有效性与准确性。. 研究了形变与膜厚超声同步检测方法。通过超声波在油膜层上的反射信号获得膜厚值，利用超声波在弹性层上下界面反射信号的时间差获得弹性变形，改造了推力轴承实验台，对不同工况下轴承的膜厚与形变进行了实验研究，同步获得了轴承的膜厚与形变值。