收稿日期:2006207208基金项目:国家自然科学基金资助(50575155)作者简介:赵春江(1975-),男,讲师,在读博士,研究方向:轧钢设备与轧机轴承。
第27卷 增刊太原科技大学学报Vol .272006年9月JOURNAL OF T A I Y UAN UN I V ERSI TY OF SC I E NCE AND TECHNOLOGYSep.2006文章编号:167322057(2006)S0-0037-03轧机油膜轴承油膜厚度的测量方法赵春江1,2,王建梅2,马立峰2,姚建斌2,王国强1,黄庆学2(11吉林大学,长春130025;21太原科技大学,太原030024)摘 要:在对弹流膜厚测量方法总结的基础上,介绍了与轧机油膜轴承油膜厚度的测量相关的技术方法,重点的介绍了近期发展的光纤位移传感器方法和超声共振方法。
通过比较分析,得出光纤位移传感器方法虽然测量精度高,外界依赖性小,但是其透光性要求极大的限制了在轧机油膜轴承上的应用,超声共振法具有对材料的穿透能力,研究其应用有较高的实用价值。
关键词:轧机油膜轴承;油膜厚度;测量中图分类号:TG333 文献标识码:A1 测膜厚度的测量方法1.1 电阻法1947年英国的B rix 测量了滑动和滚动情况下接触处的电压和电流的关系,获得了油膜电压与油膜厚度的关系曲线。
1955年,Le wicki 在详细讨论了把电阻测量值与油膜厚度联系起来的可能性后指出,不能用电阻法准确的测量膜厚。
原因是油膜的电阻随油膜厚度的变化量很小,所以电阻的大小来标定油膜的厚薄很难实现。
放电现象常被误解为金属微观表面凸起互相接触时出现的低阻值现象,电阻值的偶然减小并不能反映油膜厚度的减小。
分析结果经过了后人的实验验证。
电阻法的优点是电路简单,不需要昂贵的测试设备。
但是由于其自身所固有的特点,只能在定性分析弹流润滑状态时是一种有效的测试方法。
1.2 放电电压法Ca mer on 和Dys on 分别用放电电压法对弹流膜厚进行了测量。
结果表明润滑剂的纯洁度对放电电压影响较大,因此测量结果并不能定量的反映油膜厚度的大小。
1.3 电容法电容法测量膜厚始于1955年Le wicki 所做的实验研究。
Dys on 做了改进使该方法得到广泛的应用。
国内外的相关研究人员做了大量的测试与验证工作,表明该方法能够准确的测量出两接触表面之间的膜厚。
这种方法的局限性在于对部分膜状态下失效,且要求润滑剂应该是非极性的。
1.4 电容分压器法这种方法的原理是把润滑膜视为电阻和电容的并联,当润滑状态从部分过度到全膜时,该方法可测量润滑状态的转化过程。
但是该方法需要载波和低通滤波、信号失真很大,因而测量数据的准确率不高。
1.5 阻容振荡法、时基电路法和多谐振荡法1998年,张鹏顺和李曙光基于文氏振荡器的自激振荡原理,提出弹流膜厚测试的阻容振荡法。
在全膜状态下,通过测量振荡频率并借助于“频率-电容-膜厚”标定曲线可测出膜厚的大小。
在部分膜状态下,可利用液形分析来确定非金属接触率。
这种方法集中了电阻法和电容法的优点。
既可用于全膜弹流测试又可用于部分膜弹流测试,现场测试实用性强。
该方法的缺点是标定曲线的制定复杂,分布电容难于准确估算。
电路中有较大的反馈电容,因此在测量接触率时,准确度将受到影响。
相对于此方法的改进主要有朱润生(1990年)进行了时基电路振荡法测量膜厚及金属接触百分率的可行性研究。
包大勇(1995年)研制了基于多谐振荡原理的智能化弹流润滑状态测试仪。
1.6 光干涉法1966年Ca mer on和Gohar发表了光干涉法测量弹流膜厚的第一篇文章。
他们实验获得了著名的点接触弹流油膜“马蹄形”干涉图案。
Foord和Ca mer on等于1968年改善了条纹质量,采用了固定放射率的铬,使实验条件扩大到纯滚动和高速。
而后,国外的学者进一步完善了光干涉测膜厚的技术。
国内的张文法(1983年)、朱东(1985年)和温诗铸院士先后进行了光干涉弹流测试装置的研制和改进,并用光干涉法测量了油膜厚度和油膜形状。
雏建斌的于1994年用光干涉法实现了纳米级油膜厚度的测试。
此方法能直观的了解接触表面各处的油膜形状和变化的全貌。
其局限性在于两接触物体之一必须为透光材料,因而不便于在现场实用,只能在实验室进行模拟测试。
测试设备复杂昂贵,且干涉条纹的清晰度取决于润滑剂的透明度,难以测定某些透明度很差的润滑剂膜厚。
1.7 X射线法Sibley等首先采用X射线法测量弹流膜厚。
让钼X平行光束通过0.75mm的窄缝,穿过两圆盘之间的膜厚最后由盖格计数器记录穿过油膜的X射线量,把计数器的输出值用相应的标定曲线换算成油膜厚度。
实验表明,X射线法测得的油膜厚度与理论计算值十分吻合。
但在测量时,必须对射向油膜的光束尺寸以及它与油膜的相对位置进行精确的调整,才能得出正确的结果,只能测出最小膜厚而不能测量中心膜厚,且难以在承载条件下标定,所以在膜厚小于0.5μm时,测试结果并不准确。
1.8 激光衍射法W illis和Seth于1975年提出了激光衍射原理测量两圆盘间油膜厚度的方法。
但由于激光通过充满润滑油的缝隙时,衍射宽度将受到油的密度、黏度和折射率的影响,所得的衍射图有失真现象,且所测得的缝隙下限值较大,因而此方法并没有得到广泛应用。
1.9 磁阻法1967年Ca mer on和Gregory首先使用磁阻法测量两圆盘间油膜厚度。
两圆盘所在的轴上分别安装励磁线圈和检测线圈,油膜作为磁路中的一部分,且占磁阻比重较大,间隙耦合磁通的变化引起振荡频率的变化,检测线圈通过与之相联的振荡器测量振荡频率的改变测出盘间膜厚。
1979年,A tria和W homes提出了用“E”型铁芯进行磁力耦合,使磁力线局限于铁芯之间而不必涉及圆盘接触处的构想。
这样可减小涡流的影响。
磁阻法适用于测量润滑脂、油水乳化液、含有极性添加剂的合成润滑油的膜厚。
局限性在于传感器对于温度的变化敏感,传感器的灵敏度不高,因此该方法在实际应用中存在者一定的局限性。
图1是根据该方法进行测试的示意图。
图1 膜测量头定标连线方框1.10 光纤位移传感器法西安交通大学陈玉平等于2004年发表了应用光纤位移传感器的方法测量油膜厚度的文章。
光纤传感器灵敏度高、频带宽、测量范围大、抗电磁干扰、便于与计算机连接等特点,因此应用于滑动轴承的监测有很多的优势。
反射式光纤位移传感器,光纤只起传光作用,分为输入光纤和输出光纤。
其调制机理是输入光纤将光源的光射向被测物体表面,再从被测面反射到另一根输出光纤中,其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化,被反射回输出光纤的光由探测器接收,并转换成电信号输出。
油膜厚度的光纤位移传感器测量原理如图2所示。
滑动轴承的轴径上贴反射纸,轴瓦上安装两根光纤。
两根光纤一端的端面对齐固定在轴瓦的恰当位置,另一端面则分别与光源和光接受转换装置相连。
根据测量原理,滑动轴承的油膜厚度变化可近似的认为是一平板膜的变化。
图2 光纤位移传感器法1.11 超声共振法以往超声测厚方法对于厚度1mm以下的厚度的测量很难实现,特别是对厚度变化部分的高精度测量。
超声波厚度共振法可以实现较小厚度的测量。
其原理是将超声波垂直射入被测物体,超声波将在被测物体界面发生反复反射,改变超声波频率,被测物体的厚度与超声波的波长λ有关系:d=nλ2时,被测物体中形成驻波,产生共振。
共振频率83 太原科技大学学报 2006年表示为:f n =v2d・n 式中:v ———声速共振频率由被测物的厚度和声速决定。
被测物厚度变化Δd 时,共振频率变化Δf n ,则:Δf n =f n ・Δddf n 与n 成正比,因此用高次谐波测量时,尽管厚度变化微小,也能灵敏的被检测出来。
被测物体厚度的绝对值,通过测量共振频率的间隔得到:f int =f n -1-f n =v2d 本方法的测量精度材料对声波吸收率有关。
吸收率大,由于共振曲线平坦,共振峰难于确定,误差较大。
Sheffield 大学的R.S .Dwyer 2Joyce 于2004年发表了用超声反射方法测量滑动轴承油膜厚度的文章,其声波的反射率取决于油膜的刚度。
其测试示意图如图3所示。
测量得到了Sommerfeld 数在0.06<S <1时,油膜在4μm <h <20μm 厚度范围内的数据。
图3 超声共振法2 结束语综上所述,光干涉法,X 射线法是弹流膜厚测试中较成熟的方法,但是由于轧机油膜轴承的具体结构局限性,当需要两者之一为透光材料时以上几种方法包括激光衍射法、光纤位移传感器法都不适合。
放电电压法测试效果不佳很少被采用。
阻容振荡法的测量精度有待于进一步提高。
超声共振法有着很强的现场实用性且具有穿透能力,在保证测量精度的同时,研究其应用是比较有价值的。
参考文献:[1] 郭溪泉,李树青.现代大型连轧机油膜轴承[M ].1998.[2] 刘志权,等1弹流膜厚的测试方法及其特点[J ].机械工程师,1996.21[3] Dwyer 2Joyce R.S .A method for the measurement of hydr odyna m ic oil fil m s using ultras onic reflecti on[J ].Tribol ogy Letters,2004,17(2).M ea surem en ts on F il m Th i ckness of O il 2f il m Bear i n g i n Rolli n g M illZHAO Chun 2ji a ng 1,W ANG J i a n 2m e i 2,M A L i 2feng 2,YAO J i a n 2b i n 2,W ANG Guo 2q i a ng 2,HUANG Q i n g 2xue3(11J ilin University,Changchun 130025,China;2.Taiyuan University of Science and Technol ogy,Taiyuan 030024,China )Abstract:Based on the su mmary of for mer measure ments on elst ohydr odyna m ic fli m thickness,this paper intr oduces vari ous measure 2ments on fil m thickness of oil fil m bearing in r olling m ill,and the recent fiber 2op tical dis p lace ment sens or and ultras onic reflecti on methods are mainly illustrated .Thr ough analysis and comparis on,the method of fiber 2op tical dis p lace ment sens or is deduced t o be p re 2cise and less dependent t o envir on ment,while its trans parency t o ray greatly li m its its app licati on in oil fil m bearing .However,the method of ultras onic reflecti on can penetrate the contact body,s o it is valuable t o the app licati on of ultras onic reflecti on .Key words:oil 2fil m bearing,oil 2fil m thickness,measure ment93第27卷增刊 赵春江,等:轧机油膜轴承油膜厚度的测量方法。