[發(fā)明專利]基于超聲回波能量系數的滾動軸承信號特征信息獲取方法

有效

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• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113063593B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設計）人: 徐光華;王博;張四聰;況佳臣
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種基于超聲回波能量系數的滾動軸承信號特征信息獲取方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，超聲回波區(qū)域劃分：超聲探頭為發(fā)射、接收一體化傳感器，超聲波從超聲探頭出發(fā)，在超聲探頭與延遲塊界面形成透射波與反射波；透射波沿延遲塊到達軸承外圈，在軸承座和軸承外圈的第一界面發(fā)生透射與反射，此反射波稱為第一界面回波；透射波沿軸承外圈傳播至軸承外圈與滾動體的第二界面，在第二界面發(fā)生透射與反射，第二界面的反射波稱為第二界面回波；

在測量過程中，第一界面回波與第二界面回波在時域上的位置相對于激勵脈沖固定不變，即：超聲脈沖發(fā)射后，相應時間區(qū)域采集到的信號分別為第一界面回波與第二界面回波；

第二步，超聲回波能量系數計算：記第一界面回波和第二界面回波分別為h₁、h₂，從能量的角度來表達超聲回波的變化，采用均方值來表征能量，對采集到的界面回波數字信號進行超聲回波能量計算，即：

其中：h代表回波信號在某一點的幅值，N代表超聲回波的點數；

定義超聲回波能量系數為：

其中：w₂表示第二回波的能量，即第二界面處的反射回波能量，w₁表示第一回波的能量，即第一界面處的反射回波能量；

第三步，根據超聲回波能量系數計算油膜厚度：

根據超聲在界面的傳播規(guī)律，第一界面處的反射系數與透射系數為：

其中，R₁為第一界面反射系數，T₁為第一界面透射系數，z₁為軸承外圈的聲阻抗，z₀為延遲塊的聲阻抗；

設超聲波初始幅值為h₀，第一界面反射幅值為h_1R，第一界面透射幅值為h_1T，第二界面反射幅值為h_2R，第二界面透射幅值為h_2T，則有：

超聲波在第二界面的反射系數B₁為：

有：

此外，超聲回波能量系數與回波幅值存在如下關系：

引入計算常量C，令：

則有：

W＝CW' (11)

根據超聲在“軸承外圈-油膜-滾動體”中傳播的彈簧模型，潤滑油膜厚度H的計算公式為：

其中：ρ₂為潤滑油的密度，c₂為超聲波在潤滑油內的傳播速度，z₁為軸承外圈的聲阻抗，z₃為滾動體的聲阻抗，B₁為超聲波在第二界面的反射系數；

潤滑油膜厚度由超聲回波能量系數計算：

第四步，計算常量C的標定：當滾動軸承無潤滑油且超聲探頭對應區(qū)域無滾動體時，根據彈簧模型計算得，第二界面的反射系數B₁＝0.9999，近似為1，認為此時超聲波在第二界面發(fā)生全反射，則有：

此時：

完成計算常量C的標定工作。

2.根據權利要求1所述的一種基于超聲回波能量系數的滾動軸承信號特征信息獲取方法，其特征在于：所述的第一步超聲回波區(qū)域劃分中相應時間區(qū)域采集到的信號分別為第一界面回波與第二界面回波，具體為：首先利用超聲波脈沖的獨立性以及高信噪比特性，通過極大值提取技術和極大值間隔限制條件提取每個超聲回波激勵信號與回波信號，得到獨立的單脈沖超聲回波信號；再根據超聲回波在時域上的規(guī)律，提取超聲激勵脈沖的時域坐標并以此為參考點；然后，根據超聲回波的飛行時間和激勵脈沖的位置精確提取第一界面回波與第二界面回波的回波信號；超聲回波的飛行時間由延遲塊的材料、長度，軸承外圈的材料、厚度，超聲在延遲塊、軸承外圈的傳播速度確定，在測量過程中為定值。