滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑膜厚及保持架轉(zhuǎn)速的超聲測(cè)量

薛梓涵，趙自強(qiáng)，葛翔宇，王文中

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

滾動(dòng)軸承是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主要支承形式，對(duì)主機(jī)的工作狀態(tài)和性能有顯著影響，潤(rùn)滑則是影響滾動(dòng)軸承運(yùn)行性能和狀態(tài)的重要因素。將潤(rùn)滑油脂添加到內(nèi)、外圈與滾動(dòng)體接觸部位可減小滾動(dòng)軸承運(yùn)行中的摩擦和磨損，延長(zhǎng)使用壽命，潤(rùn)滑油膜厚度（簡(jiǎn)稱膜厚）是表征軸承潤(rùn)滑性能的重要指標(biāo)，其測(cè)量至關(guān)重要。

膜厚的測(cè)量方法有電阻法［1?6］、電容法［7?10］、電渦流法［11?13］等電學(xué)方法，還有光干涉法、熒光法、光纖傳感器法等光學(xué)方法［14?22］，然而，電學(xué)方法需要對(duì)軸承進(jìn)行電氣隔離處理，光學(xué)方法則需要使用透明材料作為觀察窗口，這些方法自身的局限性導(dǎo)致其無(wú)法在實(shí)際工況中應(yīng)用。超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一種常用手段，超聲波通過(guò)直線傳播且穿透力強(qiáng)，無(wú)需改變被測(cè)對(duì)象的材料以及結(jié)構(gòu)，有可能成為軸承膜厚的重要測(cè)量手段。超聲波檢測(cè)膜厚的原理主要有時(shí)間差模型［23］以及包括諧振模型［24］、彈簧模型［24］、相移模型［25］的超聲反射系數(shù)法。時(shí)間差模型主要用于膜厚大于1 mm 的測(cè)量，諧振模型主要應(yīng)用于膜厚與超聲波波長(zhǎng)相差不大的情況，彈簧模型主要應(yīng)用于膜厚遠(yuǎn)小于超聲波波長(zhǎng)的情況，相移模型則適用于諧振模型與彈簧模型皆不適用的膜厚范圍：滾動(dòng)軸承正常工作接觸區(qū)的膜厚通常不大于1 μm，符合彈簧模型的適用范圍。

文獻(xiàn)［26］將彈簧模型應(yīng)用于薄油膜的測(cè)量并研究了不同轉(zhuǎn)速和載荷下膜厚測(cè)量的精度，測(cè)量結(jié)果與預(yù)設(shè)膜厚接近，但由于使用的超聲換能器中心頻率較低，可測(cè)量的最小膜厚較大。文獻(xiàn)［27］設(shè)計(jì)了一種中心頻率高達(dá)200 MHz 的薄膜傳感器，其利用濺射工藝將壓電材料（AlN）沉積在軸承外圈上形成一層約4 μm 的涂層后引出電極，并利用該傳感器測(cè)量了6016軸承在不同工況下的膜厚，測(cè)量結(jié)果比傳統(tǒng)傳感器更接近理論值，此方法還可用于檢測(cè)軸承故障前的油膜狀態(tài)［28］。文獻(xiàn)［29］使用超聲測(cè)量手段測(cè)量了6410 軸承的膜厚，測(cè)量膜厚在0.5～1.5 μm 的較大范圍內(nèi)，這是由于低脈沖重復(fù)頻率情況下各鋼球的采集點(diǎn)過(guò)少，不能在最小膜厚處得到數(shù)據(jù)。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于超聲在軸承領(lǐng)域的研究普遍集中于膜厚測(cè)量模型的建立，對(duì)超聲測(cè)量中影響因素的研究較少且未對(duì)軸承打滑評(píng)估進(jìn)行深入研究。因此，本文基于超聲彈簧模型建立膜厚測(cè)量模型并搭建試驗(yàn)臺(tái)模擬球軸承在接觸區(qū)壓強(qiáng)500 MPa下的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量鋼球周圍以及沿滾動(dòng)方向的膜厚分布和保持架轉(zhuǎn)速，分析超聲脈沖重復(fù)頻率對(duì)膜厚和保持架轉(zhuǎn)速測(cè)量的影響，評(píng)估軸承潤(rùn)滑狀態(tài)及其打滑。

1 試驗(yàn)原理

超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，會(huì)在分界面處發(fā)生透射和反射。如圖1 所示的3 層介質(zhì)模型，I1為入射聲波，當(dāng)聲波從介質(zhì)1 內(nèi)垂直傳播至介質(zhì)1 與2 的分界面時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生反射聲波A1和透射聲波T2，其中A1沿入射路徑原路返回介質(zhì)1，T2則沿原來(lái)方向入射進(jìn)介質(zhì)2 中；同樣，當(dāng)T2到達(dá)介質(zhì)2 與3 的分界面時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反射波A2和透射波T3，T3最后在介質(zhì)3中傳播。

圖1 超聲波在3層介質(zhì)中傳播原理圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic propagation in three?layer medium

將反射波強(qiáng)度A1與入射波強(qiáng)度I1的比值定義為反射系數(shù)（也稱反射率）R，即

對(duì)于圖1a的3層模型，介質(zhì)2薄層的聲強(qiáng)透射率t［30］為

超聲波在界面兩側(cè)遵循能量守恒定律，因此聲強(qiáng)反射率r與聲強(qiáng)透射率t之和為1 且聲強(qiáng)反射率為其聲壓反射系數(shù)R的平方，則該層的聲壓反射系數(shù)為

式中：zi為介質(zhì)i的聲阻抗；ρi為介質(zhì)i的密度；ci為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；f為入射波I1的頻率；h為介質(zhì)2的厚度。

當(dāng)圖1a 中介質(zhì)2 的厚度十分小時(shí)，可將介質(zhì)2等效為一個(gè)如圖1b所示的輕質(zhì)彈簧，介質(zhì)1中反射波為介質(zhì)1?2界面、介質(zhì)2?3界面處反射波的疊加，則（3）式可簡(jiǎn)化為

根據(jù)聲學(xué)參數(shù)可以得到反射系數(shù)R隨hf的變化（圖2），這是選取超聲換能器型號(hào)的重要理論依據(jù)，越薄的潤(rùn)滑膜需要越高頻率的超聲換能器，考慮到對(duì)于固定頻率下反射系數(shù)R帶來(lái)的膜厚測(cè)量誤差［31］，選取R＜0.9進(jìn)行膜厚計(jì)算。

圖2 反射系數(shù)R隨hf的變化Fig.2 Variation of reflection coefficient R with hf

由于入射信號(hào)難以采集，因此采用參考信號(hào)為中介的方式，當(dāng)介質(zhì)2 換為參考介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)1?2分界面的入射信號(hào)仍保持不變，可得

式中：A1r為采用參考介質(zhì)時(shí)的反射信號(hào)；Rr為參考介質(zhì)的聲反射系數(shù)。

2 試驗(yàn)裝置及步驟

2.1 試驗(yàn)臺(tái)及超聲測(cè)量系統(tǒng)

設(shè)計(jì)并搭建的膜厚超聲測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)如圖3 所示，試驗(yàn)軸承安裝于主軸右端，外圈固定在軸承座內(nèi)，中間為加載軸承，通過(guò)液壓缸向上施加徑向載荷，因此試驗(yàn)軸承上方與外溝道接觸的鋼球受載最大。水浸式超聲探頭部分伸入軸承座上加工的凹槽并固定安裝，將凹槽中注水作為超聲傳播介質(zhì)，超聲探頭安裝在由3個(gè)位移臺(tái)組成的移動(dòng)平臺(tái)上，可通過(guò)位移臺(tái)調(diào)節(jié)超聲換能器的位置。

信號(hào)采集裝置使用DSOX3034T 型示波器，帶寬為350 MHz，最大采樣率為5 GS/s。信號(hào)發(fā)生裝置為Olympus5073PR 超聲脈沖收發(fā)器，最大脈沖重復(fù)頻率為10 kHz。膜厚測(cè)試范圍為0.1～1 μm，超聲換能器的理論中心頻率為30 MHz，焦距為50.8 mm，其他相關(guān)聲學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)材料聲學(xué)參數(shù)Tab.1 Acoustic parameters of test materials

2.2 試驗(yàn)步驟

旋轉(zhuǎn)主軸使某一鋼球位于最上方，使用示波器觀察反射信號(hào)的同時(shí)緩慢調(diào)節(jié)位移臺(tái)，使探頭位于鋼球正上方。試驗(yàn)采用鋼?空氣界面作為參考界面，其反射系數(shù)為0.99998。如圖4所示，探頭每次激勵(lì)產(chǎn)生初始波W1，聲路中的第1個(gè)界面為水?外圈界面，第2個(gè)界面為外圈?油界面，即2個(gè)界面的反射信號(hào)保持固定的時(shí)間跨度，2個(gè)界面之間的距離即外圈厚度；將探頭從上向下降低，信號(hào)波形W2從時(shí)間軸遠(yuǎn)端出現(xiàn)，并與W3間距保持一致，其時(shí)間差與外圈中聲速的乘積為外圈厚度的2倍，因此可確定W2為水?外圈界面的反射信號(hào)，W3為外圈?油?鋼球處的反射信號(hào)。

圖4 超聲換能器采集的全部信號(hào)Fig.4 All signals collected by ultrasonic transducer

旋轉(zhuǎn)軸承，將聲路調(diào)整為水?外圈?空氣并采集參考信號(hào)；加入潤(rùn)滑油，再次旋轉(zhuǎn)軸承，將聲路調(diào)整為水?外圈?油?鋼球并采集測(cè)量信號(hào)。在探頭最佳位置周圍以固定步長(zhǎng)進(jìn)行掃描（圖5）。對(duì)每個(gè)鋼球重復(fù)上述步驟3次，得到鋼球周圍油膜厚度分布以及接觸區(qū)中心位置。

圖5 超聲法膜厚測(cè)量掃描方式示意圖Fig.5 Diagram of scanning form for ultrasonic measurement of film thickness

啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，鋼球滾過(guò)探頭下方時(shí)的信號(hào)如圖6所示，曲線輪廓中的凹槽表示鋼球從探測(cè)區(qū)經(jīng)過(guò)，反射信號(hào)幅值減小。將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后根據(jù)（6）式計(jì)算反射系數(shù)，代入（4）式計(jì)算得到膜厚。

圖6 鋼球滾過(guò)探頭下方時(shí)的反射信號(hào)Fig.6 Reflected signal when steel ball passes below probe

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼球周圍膜厚分布及接觸區(qū)中心位置分布

根據(jù)圖5掃描方式得到膜厚的二維平面分布，如圖7所示：

圖7 球?外圈間膜厚分布等值線圖Fig.7 Contour map of film thickness distribution between ball and outer ring

1）取基于位移臺(tái)所建立絕對(duì)坐標(biāo)系中各采集點(diǎn)的膜厚平均值，得到的膜厚分布與理想形狀不同，這是由于加載會(huì)導(dǎo)致軸的微小撓曲變形，使軸承內(nèi)圈相對(duì)外圈有微小的偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中施加在球上的載荷由于軸承游隙而產(chǎn)生軸向分量，從而出現(xiàn)軸向竄動(dòng)（圖8）；由于接觸區(qū)非常小，微小的軸向竄動(dòng)將導(dǎo)致接觸區(qū)位置的明顯變化，從而出現(xiàn)接觸區(qū)的軸向竄動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果。

圖8 鋼球軸向竄動(dòng)引起的測(cè)量偏差Fig.8 Measurement deviation caused by axial shift of steel balls

2）以每次測(cè)量的接觸區(qū)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立相對(duì)坐標(biāo)系并取各采集點(diǎn)的膜厚平均值，接觸區(qū)為橢圓形，膜厚分布與實(shí)際情況相符。接觸橢圓理論上應(yīng)為橫短豎長(zhǎng)，實(shí)際則為橫長(zhǎng)豎短，這是由于受外圈周向曲率影響，隨著探頭離開接觸中心，偏離垂直入射位置距離越大，測(cè)量誤差也越大，導(dǎo)致反射系數(shù)偏高，膜厚測(cè)量值偏大。

接觸區(qū)中心在絕對(duì)坐標(biāo)系中沿軸向的分布如圖9所示，據(jù)此可得本試驗(yàn)所得接觸區(qū)中心位于探頭正下方±0.05 mm 范圍內(nèi)的概率為16.7%，該范圍內(nèi)圖7b測(cè)量結(jié)果的最大偏差為0.20 μm。

圖9 接觸區(qū)中心沿軸向的分布Fig.9 Distribution of center of contact zone along axial direction

3.2 鋼球滾動(dòng)方向的油膜輪廓

鋼球通過(guò)探頭下方時(shí)的頻域反射信號(hào)及反射系數(shù)如圖10 所示：在鋼球逼近探頭正下方的過(guò)程中，反射系數(shù)逐漸降低；當(dāng)鋼球位于探頭正下方時(shí)，反射系數(shù)最小，與此過(guò)程中膜厚的變化規(guī)律一致，表明反射系數(shù)的測(cè)量正確。超聲探頭的中心頻率是頻譜中能量占比最高的頻率，根據(jù)超聲反射信號(hào)將中心頻率對(duì)應(yīng)的膜厚作為測(cè)量膜厚。

圖10 鋼球接近并通過(guò)探頭下方的反射信號(hào)、反射系數(shù)與膜厚的頻譜圖Fig.10 Spectrum of reflected signal， reflection coefficient and film thickness when steel ball approaches and passes below probe

鋼球滾過(guò)探頭下方時(shí)的油膜輪廓如圖11 所示，此過(guò)程中存在3 種位置：接觸區(qū)（實(shí)心橢圓）與探測(cè)區(qū)（空心圓）未重疊（I 區(qū)），接觸區(qū)與探測(cè)區(qū)部分重疊（II 區(qū)），探測(cè)區(qū)完全在接觸區(qū)內(nèi)（III 區(qū)）。I 區(qū)中的膜厚較大，為鋼球未通過(guò)探頭下方的狀態(tài)；II 區(qū)中的膜厚迅速減小或增大，為鋼球進(jìn)入或離開探測(cè)區(qū)時(shí)的狀態(tài)；III 區(qū)中的膜厚較小，為鋼球完全進(jìn)入探測(cè)區(qū)的狀態(tài)。超聲探頭的平均效應(yīng)以及較大的聚焦直徑導(dǎo)致其無(wú)法捕捉油膜出口頸縮處的細(xì)節(jié)，測(cè)量膜厚會(huì)比真實(shí)膜厚更大。

圖11 鋼球滾過(guò)探頭下方油膜分布Fig.11 Oil film distribution as steel ball passes below probe

鋼球滾動(dòng)方向的采集點(diǎn)決定測(cè)量膜厚的輪廓。采集點(diǎn)的疏密由脈沖重復(fù)頻率和鋼球通過(guò)探測(cè)區(qū)的速度決定，連續(xù)2個(gè)脈沖之間鋼球在外圈溝道上滾過(guò)的距離l為

則某一固定長(zhǎng)度L內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N為

式中：nc為鋼球公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即保持架轉(zhuǎn)速；Re為外溝道半徑；fPRR為脈沖重復(fù)頻率。

不同脈沖重復(fù)頻率時(shí)每1 mm 采樣點(diǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖12所示，脈沖重復(fù)頻率一定時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)隨轉(zhuǎn)速升高而快速減小，在某一轉(zhuǎn)速下獲得足夠的采樣點(diǎn)數(shù)需增大脈沖重復(fù)頻率。

圖12 每1 mm采樣點(diǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)速和脈沖重復(fù)頻率的關(guān)系Fig.12 Relationship among number of samples per mm，rotational speed and pulse repetition frequency

為確定實(shí)際測(cè)量中脈沖重復(fù)頻率對(duì)膜厚測(cè)量的影響，在轉(zhuǎn)速200 r/min、接觸區(qū)最大壓力500 MPa的工況條件下，采用不同的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如圖13所示：隨著脈沖重復(fù)頻率的提高，鋼球滾過(guò)時(shí)的采樣點(diǎn)數(shù)增多，膜厚點(diǎn)數(shù)更密，能夠更好地采集鋼球滾過(guò)探頭正下方時(shí)的膜厚變化信息；隨著脈沖重復(fù)頻率的提高，接觸區(qū)膜厚測(cè)量更加準(zhǔn)確，5，10 kHz 下的接觸區(qū)膜厚測(cè)量結(jié)果吻合較好，但在遠(yuǎn)離接觸區(qū)的區(qū)域中，反射系數(shù)的微小變化就會(huì)導(dǎo)致膜厚的巨大變化［31］，距離接觸區(qū)較遠(yuǎn)處的膜厚測(cè)量誤差較大；因此，選擇5 kHz 的脈沖重復(fù)頻率即可得到相對(duì)較好的接觸區(qū)膜厚測(cè)量結(jié)果。

圖13 脈沖重復(fù)頻率對(duì)實(shí)際膜厚測(cè)量的影響Fig.13 Effect of pulse repetition frequency on actual film thickness measurement

不同脈沖重復(fù)頻率下測(cè)量得到的最小膜厚如圖14所示：隨著脈沖重復(fù)頻率的提高，相同轉(zhuǎn)速下得到的最小膜厚逐漸接近理論值；當(dāng)脈沖重復(fù)頻率提高到5 kHz時(shí)，在200 r/min轉(zhuǎn)速下測(cè)得的最小膜厚與10 kHz時(shí)幾乎一致且十分接近理論值；因此，對(duì)于固定轉(zhuǎn)速，需采用合理的脈沖重復(fù)頻率以準(zhǔn)確測(cè)量最小膜厚。

圖14 不同脈沖重復(fù)頻率對(duì)最小膜厚測(cè)量的影響Fig.14 Effect of different pulse repetition frequencies on minimum film thickness measurement

3.3 超聲測(cè)量中轉(zhuǎn)速對(duì)最小膜厚的影響

在不同轉(zhuǎn)速下，各進(jìn)行19次測(cè)量所得最小膜厚的平均值如圖15所示：測(cè)得的最小膜厚為0.1 μm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的結(jié)果分布在（0.1±0.05）μm范圍；試驗(yàn)中最大離散度出現(xiàn)在較大膜厚處，分布于平均值±0.1 μm范圍。這是軸向竄動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量偏差，試驗(yàn)載荷波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差以及其他偶然因素耦合而成的結(jié)果；同時(shí)，也與脈沖重復(fù)頻率固定下單位長(zhǎng)度內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而減小相關(guān)。測(cè)得的最小膜厚隨轉(zhuǎn)速增加而變大，符合彈流潤(rùn)滑機(jī)理。

圖15 不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得最小膜厚Fig.15 Minimum film thickness measured under different rotational speeds

將測(cè)得的最小膜厚與Hamrock?Dowson 膜厚計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖16所示，超聲測(cè)量得到的膜厚值均高于理論值。這是因?yàn)樘筋^的焦點(diǎn)并不是一個(gè)理想點(diǎn)，而是一個(gè)圓，采集信號(hào)為圓內(nèi)油膜的平均反射信號(hào)，即測(cè)得的膜厚為圓內(nèi)的平均膜厚。

圖16 不同轉(zhuǎn)速下最小膜厚測(cè)量值與理論值的對(duì)比Fig.16 Comparison of measured value and theoretical value of minimum film thickness under different rotational speeds

3.4 保持架轉(zhuǎn)速的超聲測(cè)量

同一次測(cè)量中連續(xù)3 個(gè)鋼球滾過(guò)探頭下方的時(shí)域信號(hào)如圖17 所示，由圖可得鋼球通過(guò)探頭正下方時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的脈沖次序，則保持架轉(zhuǎn)速為

圖17 連續(xù)3個(gè)鋼球滾過(guò)探頭下方的信號(hào)Fig.17 Signal for three consecutive steel balls pass below probe

式中：n1，n2為相鄰2 個(gè)鋼球通過(guò)探頭正下方時(shí)的脈沖次序；Z為鋼球數(shù)。圖17中3個(gè)最低電壓分別對(duì)應(yīng)鋼球通過(guò)探頭正下方的時(shí)刻，即第456，633和815 個(gè)脈沖，脈沖重復(fù)頻率fPRR約為5 kHz，計(jì)算可得保持架轉(zhuǎn)速為130.38 r/min。

不同主軸轉(zhuǎn)速n下，保持架轉(zhuǎn)速nc［33］的測(cè)量平均值與純滾動(dòng)假設(shè)下保持架理論轉(zhuǎn)速的對(duì)比如圖18a 所示：隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，超聲測(cè)量所得保持架平均轉(zhuǎn)速與保持架理論轉(zhuǎn)速最多相差4.40%，單次測(cè)量結(jié)果中的最大偏差為6.35%，各轉(zhuǎn)速下的誤差棒寬度分別為3.96%，0.85%，0.11%，1.17%和0.31%，良好的吻合度表明超聲法可用于測(cè)量軸承保持架轉(zhuǎn)速并進(jìn)一步評(píng)估軸承打滑狀態(tài)。如圖18b所示，當(dāng)前測(cè)量工況下的軸承打滑很小，接近純滾動(dòng)。

圖18 保持架的測(cè)量轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.18 Comparison of measured and theoretical rotational speed of cage

鋼球滾過(guò)探頭正下方的信號(hào)為凹槽中的最低點(diǎn)，必須連續(xù)記錄多段信號(hào)才可確定。由于示波器最多連續(xù)采集并存儲(chǔ)的脈沖數(shù)量有限（本文為1000），轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)只能采集到一個(gè)鋼球滾過(guò)探頭下方的信號(hào)，無(wú)法得到連續(xù)2個(gè)鋼球通過(guò)探頭正下方的時(shí)間間隔和保持架轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致連續(xù)2個(gè)鋼球通過(guò)探頭正下方的時(shí)間間隔過(guò)短，在時(shí)域信號(hào)中難以區(qū)分2個(gè)凹槽，同樣無(wú)法得到時(shí)間間隔和保持架轉(zhuǎn)速。因此，建議選擇連續(xù)2個(gè)鋼球通過(guò)的時(shí)間間隔作為示波器量程的90%（本文為900 個(gè)脈沖信號(hào)）以確保在一次測(cè)量中捕獲2 次鋼球通過(guò)的完整信號(hào)記錄。若要測(cè)得更低的保持架轉(zhuǎn)速，可選用存儲(chǔ)空間更大的示波器。

當(dāng)保持架轉(zhuǎn)速足夠高時(shí)，測(cè)量信號(hào)中的2個(gè)連續(xù)凹槽在時(shí)間軸上十分接近，因此2個(gè)凹槽底部的間隔需大于凹槽寬度，建議該間隔設(shè)為40 個(gè)脈沖信號(hào)，測(cè)得的保持架轉(zhuǎn)速為當(dāng)前脈沖重復(fù)頻率下可測(cè)得的最大保持架轉(zhuǎn)速，即

當(dāng)前測(cè)量工況下，不同脈沖重復(fù)頻率時(shí)可通過(guò)超聲測(cè)量獲得保持架轉(zhuǎn)速如圖19 所示：脈沖重復(fù)頻率越高，可以測(cè)量的轉(zhuǎn)速上下限就越大，在測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速前可據(jù)此選擇合適的脈沖重復(fù)頻率。

圖19 不同脈沖重復(fù)頻率可測(cè)量的保持架轉(zhuǎn)速及對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速Fig.19 Rotational speed of cage that can be measured with different pulse repetition frequencies and corresponding rotational speed of spindle

4 結(jié)論

油膜厚度是表征軸承潤(rùn)滑性能的重要指標(biāo)，通過(guò)分析超聲法測(cè)量膜厚的影響因素，得到以下結(jié)論：

1）超聲法可測(cè)量軸承外圈與鋼球間的油膜厚度，在本文試驗(yàn)條件下可測(cè)得的最小油膜厚度為0.1 μm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果的偏差范圍為±0.05 μm，最大結(jié)果偏差（±0.1 μm）則出現(xiàn)在較大膜厚處，鋼球的軸向竄動(dòng)將顯著影響膜厚測(cè)量結(jié)果。

2）脈沖重復(fù)頻率顯著影響膜厚測(cè)量結(jié)果，脈沖重復(fù)頻率過(guò)低時(shí)超聲法難以得到接觸區(qū)內(nèi)的膜厚測(cè)量信息，導(dǎo)致膜厚測(cè)量結(jié)果偏大。需根據(jù)不同工況選擇合適的脈沖重復(fù)頻率。

3）超聲法可用于測(cè)量保持架轉(zhuǎn)速，進(jìn)而評(píng)估軸承的打滑狀態(tài)。脈沖重復(fù)頻率越高，可測(cè)得的保持架轉(zhuǎn)速范圍越大。