基于電渦流傳感器的滑動軸承油膜厚度測量方法

牟迪，陸天煒

（西南交通大學 機械工程學院，成都610036）

0 引 言

油膜厚度測量方法主要有電阻法、電容法、電渦流法、光纖位移傳感器法、光干涉法、超聲波法、X 射線法[1-3]。

電阻法根據測得的電阻大小來區分油膜厚度大小，但由于油膜電阻非常大，而油膜厚度很小，因此難于標定，雖然能通過加入添加劑降低其電阻值，但是這種方法效果并不理想[4-5]。

電容法將所測電容代入電容公式計算得出油膜厚度，但由于電容是由兩表面間整體距離決定的，不能得到最小油膜厚度，僅能用于膜厚均勻的場合，因此通過電容公式計算的膜厚也并不能代表某個位置的膜厚，而且這個值與理論計算的值也有偏差[6]。

電渦流法利用金屬導體的電渦流效應，通高頻交變電流的線圈附近產生交變磁場，置于導體附近時，則交變磁場將在導體的表面產生渦電流，這一渦電流在導體中形成閉合回路又產生一個交變磁場，反過來影響線圈的阻抗、電感和品質因數等，引起振蕩電壓幅度的變化，當金屬導體電導率、磁導率、尺寸因子、傳感器線圈的激勵電流強度和頻率恒定不變時，線圈的特征阻抗就成為探頭與金屬導體之間距離的單值函數，經過檢波、濾波、線性補償、放大處理后輸出的振蕩電壓與探頭到被測金屬導體之間的距離形成線性變換關系[2,7-8]。

光纖位移傳感器法利用發射光纖發射的光由軸頸表面反射到接收光纖，反射面的任何運動都會改變接收光纖所接收的光的強度。接收光強的變化反映光纖傳感器與反射面之間位移量[9]。

光干涉法是利用光干涉原理，入射光在油層兩界面上反射的光程差，根據反射光的干涉條件與光程差之間的關系，由干涉條紋推算油膜厚度[10]。

超聲測量法根據膜厚不同采用不同方法測量，一種方法通過介質間界面反射信號的時間差及聲波在介質中的傳播速度來確定油膜厚度，當油膜厚度足夠大時，油膜兩側介質界面反射信號在時間上是離散的，可以分離出油膜厚度信息，當油膜厚度變小，直到信號疊加，這種方法就不再適用，而是通過不同油膜厚度對應不同共振頻率來測量，通過反射系數運用彈簧模型或諧振模型來測量[1,11]。

X 射線法利用X 射線的透射性，在一定條件下，透過油膜的X 射線量與油膜厚度成線性關系，根據透過的射線量得到油膜厚度[3]。

測量油膜厚度的方法有多種，大致可分為直接測量和間接測量兩種。直接測量的方法包括電阻法、電容法、光干涉法、超聲波法、X 射線法；間接測量的方法采用多路光纖位移傳感器或電渦流傳感器進行測量。直接測量時，由于傳感器安裝位置固定，因此只能測量傳感器安裝位置的油膜厚度，測量得到的結果不受加工誤差影響，但所測數值僅當最小油膜厚度所在角度與傳感器位置重合時是最小油膜厚度，不能實時測量最小油膜厚度，測量結果僅受傳感器精度影響；間接測量時，雖然能得到最小油膜厚度及油膜厚度分布，但除了傳感器精度造成的影響以外還受加工誤差、彈性變形等因素的影響，計算得到的油膜厚度及其分布與實際會有偏差。電渦流傳感器不受油水等介質影響，因此廣泛應用于油膜厚度的監測，現將其用于兩路電渦流傳感器間接測量法與光纖位移傳感器間接測量法的計算方法進行對比分析。

1 實驗臺主要機械結構

實驗臺機械結構如圖1 所示，油箱兩端各安裝一個滾動軸承支撐主軸，軸瓦安裝在主軸中段。加載蓋安裝在油箱上，內部油腔內通入壓力油向軸瓦施加壓力，加載蓋與軸瓦之間留有一定的間隙，保證軸瓦能夠獲得充分的浮動空間，不會因為軸瓦與加載蓋接觸限制軸瓦的浮動，影響實驗結果。加載蓋上加工一通孔與內部油腔連通，在此通孔上加工一段螺紋，安裝一壓力傳感器用于測量靜壓加載壓力。軸瓦內部加工孔，連接到軸瓦中心，使油液能連通到傳感器處，沿軸瓦徑向安裝有7 個壓力傳感器用于測量油膜壓力，可通過這7 個點測得的壓力值得到近似油膜壓力曲線，進行下一步計算。主軸通過聯軸器與伺服電動機的轉軸連接，伺服電動機安裝在電動機安裝座上，再將這一系列結構安裝在底座上，軸瓦上安裝有兩個電渦流傳感器，用于測量主軸與軸瓦之間的浮動量，間接測量油膜厚度。

主軸結構如圖2 所示，軸中段與軸瓦接觸部分兩側有軸環，軸瓦結構如圖3、圖4 所示，下軸瓦上有油槽和通油孔，通過油孔向軸瓦內通入潤滑油，軸瓦的結構與軸環配合，防止軸瓦軸向竄動，軸環側面與軸瓦之間留有間隙，既防止軸瓦發生軸向竄動，又不干擾軸瓦浮動，軸兩側開有溢流槽，讓軸瓦內部溢出的潤滑油從溢流槽流出，流入油箱，過濾掉雜質后循環使用。軸瓦外側開有溢流槽，讓加載壓力油可以從溢流槽流入油箱。

加載蓋如圖5所示，中部加工油腔，壓力油經油孔注入油腔，油腔中部有2 個孔，一個是測油腔內壓力的，另一個是注油孔，油腔內的壓力油壓力作用在軸瓦上，即為靜壓加載。

圖1 實驗臺機械結構

圖2 主軸結構

圖3 下軸瓦

圖4 上軸瓦

圖5 加載蓋

2 測量方法分析

2.1 兩路光纖位移傳感器測量法

光纖位移傳感器測點面積小，橫向偏移對其測量結果影響不可忽視，因此采用測量方向與主軸外圓交點來計算，光纖位移傳感器測量法采用的方案是固定軸瓦，將傳感器與軸瓦相對固定，測量得到主軸與軸瓦在兩測量方向上的間隙，計算主軸和軸瓦圓的相對位置，從而間接得到油膜厚度及其分布，現以兩路光纖位移傳感器為例說明，以軸瓦圓心為原點，豎直方向為y 軸，水平方向為x 軸，建立坐標系，如圖6 所示。

傳感器沿某一截面徑向分布，先測出傳感器到軸瓦內表面的初始距離d1、d2，然后在產生油膜時用傳感器測量得到的主軸外圓上的點到傳感器的距離x1、x2減去初始距離，即為傳感器測量方向上主軸與軸瓦間隙大小，取此測量方向上傳感器軸線與軸瓦內表面圓的交點，計算出測量方向上距離此點為相應間隙值的軸瓦內側的點坐標，用這種方法可得到傳感器測得的主軸外圓上兩點的坐標，根據兩點坐標及主軸半徑計算主軸外圓方程，得到主軸圓心坐標，根據軸瓦內表面圓和主軸外表面圓來計算最小油膜厚度，假設傳感器安裝方向為坐標系中45°角及135°角方向，則油膜厚度計算方法如下。

圖6 兩路光纖位移傳感器測量示意圖

2.2 電渦流位移傳感器間接測量法

電渦流位移傳感器探頭線圈直徑分為幾毫米至幾十毫米不等的一系列規格。如圖7所示，產生的渦電流區域是毫米級，而垂直于軸心線和探頭測量方向的位移量Δ是微米級的，偏移量對渦電流區域影響很小，傳感器線圈阻抗受這一方向上的偏移量的影響可忽略不計，傳感器的設計原理是利用電渦流特性，控制一定的參數不變，使線圈的特征阻抗為探頭和被測體之間距離的單值函數，通過一定的轉換電路將探頭和被測體之間的距離轉換為在一定范圍內與之成線性關系的電壓或電流信號，經過模/數轉換將此模擬量信號轉換成數字量信號。在一定條件下，傳感器靈敏度越高，其線性范圍越小[12]。

與光纖位移傳感器不同，電渦流傳感器測量的是被測區域整體沿測量方向上的位移情況，傳感器測量圓柱體時的測量要求是測量方向上傳感器軸線與被測圓柱體軸線正交，允許有微小偏移，而光纖位移傳感器測量的是一點的位移，因此要考慮油膜厚度計算是否應該用與之相同的方法。如圖8所示，由于傳感器測量的是一個區域，對于垂直于軸線和測量方向的微小位移變化不敏感，對測量方向位移變化敏感，可以用離傳感器最近的點代表整個區域沿測量方向的位置，相當于測量的是離傳感器最近點切線的距離，這個位移變化就是主軸軸心相對于軸瓦圓心在這個測量方向上的位移，也就可以將此方向上傳感器測量的距離變化作為主軸軸心在這一方向上的位移量，因此計算方法也有所不同。

圖7 測量區域偏移示意圖

圖8 電渦流傳感器測量示意圖

電渦流傳感器間接測量的計算是以最近點距離來計算主軸軸心的坐標的，以軸瓦圓心為原點，以水平方向為x軸，以豎直方向為y軸，建立直角坐標系，如圖9所示。傳感器探頭與軸瓦內表面初始距離為k0、k1，實驗時測得主軸表面與傳感器探頭距離為x0、x1,假設兩傳感器安裝方向分別為45°、135°方向。

主軸與軸瓦半徑間隙計算公式同式(1)。

電渦流傳感器測量方向在直角坐標系中為45°、135°。135°方向主軸與軸承的間隙計算公式為

圖9 兩路電渦流傳感器間接測量法

3 計算方法偏差

圖10 計算方法偏差示意圖

計算方法偏差示意圖如圖10所示，135°角方向沿軸線偏移量為Δ，45°角測量方向軸心線與主軸外圓交點到探頭的距離為h1，最近點到探頭距離為h2，以主軸軸心為圓心，建立直角坐標系，如圖10所示。則上述交點和最近點坐標分別為(-Δ，y1)和(0，r1)，則數據關系公式為

主軸直徑為60 mm，相對間隙Ψ根據機械設計手冊取0.001，即間隙值為60 μm，則軸心偏移量Δ最大值為30 μm，主軸外圓方程為

取Δ為其最大值30 μm，即0.03 mm，則將(-Δ，y1)代入式(18)可得y1的值，將y1代入式(17)，計算結果為h1-h2=7.5×10-6mm=7.5×10-3μm。

通常油膜厚度值不會小于1 μm，這種偏差值即便是在油膜厚度僅為1 μm的條件下也僅占其0.75%，這是單一傳感器的最大偏差，因此對于傳感器測量值來說屬于可接受的誤差，由此可知，這種計算方法在間隙較小的情況下本身存在的誤差是不會對結果造成很大影響的。這種計算方法非常便捷，不需要另外編寫計算程序，可以直接對傳感器所測數據進行簡單運算，即可得出最小油膜厚度數據。這種方法僅限用于間隙較小的情況下，若需要采用間隙較大的結構進行實驗，則需要通過實驗驗證其對結果的影響。

4 結 論

根據電渦流傳感器的測量原理分析，在測量面足夠大的情況下，電渦流傳感器對垂直于測量方向的位移不敏感，在線性范圍內對測量方向的位移變化敏感，與光纖位移傳感器測量一個點不同，電渦流位移傳感器測量信號受到一個區域內產生的電渦流的影響，因此光纖位移傳感器用傳感器測量方向的中心線與被測面交點來計算主軸與軸瓦軸心偏移量，而電渦流傳感器用離傳感器最近點的坐標來計算，相當于是以傳感器測量到的位移作為軸瓦圓心在被測方向上的位移，這樣計算更加簡便。