機械結構液體層的厚度度量論文
引言
在現代工業中,為減少機械裝置關鍵零部件(如機械密封、軸承、機床導軌等)因接觸摩擦而產生損耗,通常在相對運動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。研究發現,該液體層對機械結構的動力性、經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,則機械結構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,將導致大量過剩潤滑液的流失和排放,造成環境汙染和資源浪費。因此,為保證機械裝置的正常安全執行,需要對機械結構關鍵零部件中液體層厚度進行監測。常用的間隙測量方法,如電渦流法、電容法和鐳射法等[2-4],應用於機械結構液體層厚度測量有很大的侷限性,如測量精度低、對待檢測結構要求高和受檢測環境影響大等[5]。
作為五大常規無損檢測技術之一,超聲波技術也可用於介質厚度的測量。例如,基於介質上、下表面反射回波的時間差以及介質中超聲波速,常規超聲反射回波技術可以實現較大厚度的測量。由於液體層厚度較小(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透過液體層兩側介面的傳播時間,因而無法直接利用常規超聲回波時間差實現液體層厚度測量。超聲波在多層介質中傳播時,在不同介質的'分介面處會發生反射、透射現象,因而可以利用超聲波在不同介質分介面的反射或透射係數來表徵介質的幾何(如厚度)和材料(如密度和彈性模量)特性。基於超聲波在多層介質分介面處的傳播特性,國外學者在機械結構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,並對超聲無損技術在摩擦潤滑中的應用進行了綜述,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間嵌入薄層介面處超聲反射係數進行了理論研究,重點研究了3種介質聲學引數對反射係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行了綜述,指出超聲波技術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行了綜述,重點比較了近期發展起來的光纖位移感測法和超聲共振法。比較表明:雖然光纖位移感測法測量精度高,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際情況,建立了超聲波在3層介質中傳播的理論模型,如圖1所示。由式(1)可以看出,超聲波在液體層介面處的反射係數不僅與3種介質的聲阻抗有關,而且與液體層厚度有關;因此,在3層介質聲阻抗確定的條件下,可以利用超聲波反射係數來反映液體層厚度變化。以不鏽鋼-水-不鏽鋼3層介質為例,研究不同厚度液體層超聲反射係數特性,如圖2所示。由圖2可以看出,在0～11MHz頻率範圍內,5種不同厚度水層的超聲反射係數有很大不同。但各種厚度水層反射係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,透過研究液體層介面處超聲反射係數的諧振頻率,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衝激勵接收儀、感測器、示波器、計算機以及待測間隙模擬機械結構。其中:超聲脈衝激勵接收儀採用美國泛美公司的5800超聲脈衝發射接收儀;感測器採用Panasonic中心頻率為10MHz的V111-RM型寬頻感測器;待測間隙模擬機械結構由置於液體(水或油)中的兩塊金屬圓片構成,圓片厚度5mm,材質包括鋼、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計算超聲反射係數。而超聲檢測試驗中一般無法直接獲得入射超聲波。由於機械構件(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-空氣介面處發生全反射。因此,可以將超聲波在空氣介面下的反射訊號作為求解超聲反射係數的參考訊號。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行標定。圖4為不同厚度塞尺測得的反射係數曲線。
圖5為多次重複測量試驗得到的標定曲線,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,進行不同厚度水層測量試驗,結果見表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%範圍內。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,超聲檢測系統頻率範圍越高,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,需要根據材料衰減及厚度解析度綜合確定感測器的頻帶範圍。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範圍,而超聲反射係數的頻率間隔決定了液體層厚度測量的解析度Δh。若測量中反射係數的頻率間隔為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係,得到液體層厚度解析度為圖6為液體層厚度解析度與超聲反射係數頻率間隔的關係。由圖6可以看出,隨著頻率的增加,厚度解析度越來越小,測量精度也就越高。
3厚度超聲諧振測量影響因素分析
由超聲反射係數表示式(1)可知,液體層超聲反射係數與液體層厚度以及3種介質的聲學特性引數有關。下面研究3層介質聲阻抗變化對液體層超聲反射係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為兩側介質均為不鏽鋼、中間液體層分別為水和矽油條件下,理論計算和試驗測得的液體層超聲反射係數曲線。由圖7(a)理論計算結果可以看出,在4～7.5MHz範圍內,當液體層為矽油時,會出現3階諧振。當液體層為水時,會出現2階諧振。圖7(b)中試驗測得諧振頻率點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行測量,當液體層聲學效能引數發生變化時,會影響其反射係數,使其諧振頻率發生變化。因此利用超聲諧振法對液體層厚度進行測量時,當液體層介質發生變化時(如材質改變,或外界環境因素變化導致液體層聲阻抗發生變化),需要重新對超聲諧振測量系統進行標定。
3.2上層介質聲阻抗變化影響
保持液體層厚度及液體層和下層介質聲阻抗等條件不變,研究上層介質聲阻抗變化對液體層厚度測量的影響。以石墨-水-不鏽鋼、碳化矽-水-不鏽鋼以及不鏽鋼-水-不鏽鋼3種系統為例進行研究,圖8為3種系統的超聲反射係數曲線。由圖8(a)所示理論計算反射係數曲線可以看出,上層介質材料性質對液體層反射係數的諧振頻率無影響。但從圖8(b)反射係數試驗測量結果來看,上層介質材料性質變化導致液體層反射係數的諧振頻率發生微小變動,但變動值在諧振模型厚度測量誤差範圍內。諧振頻率波動可能是因為上層介質材料效能變化使反射回波時間發生改變,引起頻譜分析時間視窗變動所造成。
3.3下層介質聲阻抗變化影響
保持液體層厚度及液體層和上層介質聲阻抗等條件不變,研究下層介質聲阻抗變化對液體層厚度測量的影響。以不鏽鋼-水-石墨、不鏽鋼-水-碳化矽和不鏽鋼-水-不鏽鋼3種系統為例進行研究,圖9為3種系統的超聲反射係數曲線。由圖9(a)理論反射係數曲線可以看出,當水層厚度相同時,3種系統諧振頻率相等。但在諧振頻率處,反射係數的大小有所不同,其中不鏽鋼-水-石墨系統的反射係數最小。在超聲諧振測量試驗的頻率範圍內,圖9(b)為試驗測量反射係數曲線。可以看出,反射係數曲線的最小點,即液體層的諧振頻率與理論值相吻合,而且3種系統中間水層,在諧振頻率點的反射係數大小關係與理論計算同樣相吻合。理論計算和試驗結果表明,下層介質材料變化對液體層諧振頻率測量無影響;因此,下層介質材料變化對超聲諧振法測量液體層厚度無影響。
4結論
1)基於垂直入射縱波在3層介質中液體層超聲反射係數分析,利用液體層反射係數的諧振頻率表徵液體層厚度。2)在標定試驗基礎上,進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際很好吻合,誤差一般在5%範圍內。3)研究了3層介質的聲學特性對液體層厚度測量的影響。結果表明,採用聲諧振法測量液體層厚度時,兩側介質材料變化對其厚度測量基本無影響。當液體層材質發生變化時,對其厚度測量產生影響。因此,在後續試驗測量中,需要進一步開展環境因素改變,如溫度對液體層厚度測量的影響。
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