机械结构液体层厚度超声谐振的测量方法

    引　言

    在现代工业中,为减少机械设备关键零部件(如机械密封、轴承、机床导轨等)因接触摩擦而产生损耗,通常在相对运动的零部件间引入液体层结构(微米级液体膜),起到润滑和减少摩擦损耗的作用。研究发现,该液体层对机械结构的动力性、经济性和安全可靠性等有着非常重要的影响[1]。如果液体层厚度过小,则机械结构的机械摩擦损失和零件磨损都会增大,可能造成损伤和安全事故。如果液体层厚度过大,将导致大量过剩润滑液的流失和排放,造成环境污染和资源浪费。因此,为保证机械设备的正常安全运行,需要对机械结构关键零部件中液体层厚度进行监测。常用的间隙测量方法,如电涡流法、电容法和激光法等[2-4],应用于机械结构液体层厚度测量有很大的局限性,如测量精度低、对待检测结构要求高和受检测环境影响大等[5]。

    作为五大常规无损检测技术之一,超声波技术也可用于介质厚度的测量。例如,基于介质上、下表面反射回波的时间差以及介质中超声波速,常规超声反射回波技术可以实现较大厚度的测量。由于液体层厚度较小(几微米到几百微米),液体层上、下表面超声反射回波将会叠加在一起,从时域波形无法获得超声波通过液体层两侧界面的传播时间,因而无法直接利用常规超声回波时间差实现液体层厚度测量。

    超声波在多层介质中传播时,在不同介质的分界面处会发生反射、透射现象,因而可以利用超声波在不同介质分界面的反射或透射系数来表征介质的几何(如厚度)和材料(如密度和弹性模量)特性。基于超声波在多层介质分界面处的传播特性,国外学者在机械结构液体层厚度超声测量方面已开展了研究[6-8]。文献[1]等对轴承润滑油膜厚度进行了超声测量研究,并对超声无损技术在摩擦润滑中的应用进行了综述,指出超声波在摩擦润滑机械构件检测中的广泛应用前景。文献[5]利用超声反射和透射方法对机械密封端面接触状况进行了检测试验研究。文献[9]对垂直纵波入射到两无限大介质间嵌入薄层界面处超声反射系数进行了理论研究,重点研究了3种介质声学参数对反射系数谐振频率和半谐振频率的影响。文献[10]利用垂直入射纵波对轴承液体层厚度进行了试验研究。王和顺等[11-12]对机械密封超声测量研究现状进行了综述,指出超声波技术在机械密封端面测量中的应用前景。赵春江等[13]对轧机液体层轴承液体层厚度测量方法进行了综述,重点比较了近期发展起来的光纤位移传感法和超声共振法。比较表明:虽然光纤位移传感法测量精度高,外界依赖性小,但透光性的要求极大地限制了其在轧机液体层轴承上的应用;超声共振法具有对材料的高穿透能力,有较高的实用价值。