Page 5 - 《摩擦学学报》2021年第1期

2 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

柴油机活塞组件与缸壁间的润滑油膜厚度是衡 油机气缸油膜厚度测量精度的影响因素.
量柴油机润滑性能的核心指标，对监测柴油机运行状
1 油膜厚度测量原理
[1]
态、研究及优化柴油机润滑性能具有重要的科学价值 .
传统的油膜厚度测量方法包括电学测量法和光学测 1.1 超声波反射系数
量法 [2-5] ，电学测量法要求传感器与油膜表面接触，光 铸铁由于其优良的机械性能及较低的生产成本，
学测量法要求材料透光或在材料上安装可视化窗口， 在活塞、活塞环和气缸套等结构的加工制造中得到了
这些限制条件决定了传统的油膜厚度测量方法难以 广泛的应用. 本文中以铸铁为例，建立铸铁-油膜-铸铁
应用于柴油机气缸油膜厚度的实际测量. 超声波测量 3层介质结构模型. 超声波在3层介质结构模型中的传
法具有穿透性强、灵敏度高等优点，可有效突破传统 播过程如图1所示，T 为垂直入射的入射波，当T 到达
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油膜厚度测量方法的局限性，实现油膜厚度的无损检 铸铁-油膜表面时将发生反射与透射，反射部分为R ，
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测. 综上所述，开展基于超声波测量技术的柴油机工 透射部分为T ，当透射部分T 到达油膜-铸铁表面时将
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作过程气缸油膜厚度测量研究势在必行.
继续发生反射与透射，反射部分为R ，透射部分为T .
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谐振模型与弹簧模型是超声波油膜厚度测量技

术中最为常见的两种测量方法，均通过超声波反射系
数幅值实现油膜厚度的测量，一般由谐振模型测量较
T 1 T 2 T 3
厚的油膜厚度，由弹簧模型测量较薄的油膜厚度 [6-7] .
然而，当超声波频率一定时，两种模型存在各自的测
量区间，无法覆盖全部的油膜厚度范围 [8-9] . 根据已报
R 1 R 2
道的研究结果，活塞组件与缸壁间的油膜厚度通常在
0~100 μm [10-14] 之间，变化尺度较大，仅依靠两种常规
Cast iron Lubricant film Cast iron
模型难以实现柴油机气缸大尺度油膜厚度的连续测
Fig. 1 The propagation of ultrasound in the cast iron-lubricant
量. 值得注意的是，在超声波反射系数中除幅值信息
film-cast iron structure
还包含相移信息，可利用超声波在润滑油膜中的相位 图 1 超声波在铸铁-油膜-铸铁结构中的传播过程
[15]
偏移对盲区油膜厚度进行测量. Reddyhoff等 于2005年
首次提出利用相位变化测量油膜厚度，但该方法的测 根据位移连续方程与应力连续方程，可推导出超
[15]
量范围与弹簧模型相同，无法突破弹簧模型的测量极 声波的反射系数R ：
限. Pan Dou等 针对测量盲区问题展开研究，提出反 e −2πih/λ (z 1 +z 2 )(z 2 −z 3 )+e 2πih/λ (z 1 −z 2 )(z 2 +z 3 )
[16]
R = (1)
射系数相移谱方法，其测量范围可同时覆盖反射系数 e −2πih/λ (z 2 −z 1 )(z 3 −z 2 )+e 2πih/λ (z 1 +z 2 )(z 2 +z 3 )
幅值谱中的谐振模型区、弹簧模型区与测量盲区. 然 其中：h为润滑油膜厚度，λ为超声波的波长(λ=c/f)，c为
而，目前还没有适用于油膜两侧介质声阻抗相同时的 润滑油中的声速，f为超声波的频率，z 、z 分别为油膜
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油膜厚度直接求解方法，现有方法只是在预先设定目 两侧介质的声阻抗，z 为润滑油的声阻抗. 铸铁与润滑
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标函数、初始猜测解与终止容限的基础上，通过迭代
油的相关参数列于表1中.
计算求出待测油膜厚度，与直接求解方法相比，该过
程运算较为复杂且存在一定的迭代误差，不利于柴油 表 1 材料参数
机气缸油膜厚度在线测量系统实时性与准确性的 Table 1 Properties of materials
提高. Parameters Specifications
Acoustic impedance of cast iron, z 1 , z 3 /(MRayl) 41.5
针对现有研究存在的问题，本文作者对油膜反射
Acoustic impedance of lubricant, z 2 /(MRayl) 1.27
信号与参考信号之间的相位偏移展开研究，建立了基 Density of lubricant, ρ/(10 kg/m ) 0.876
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于反射系数相移的油膜厚度直接求解方法，通过分析 Acoustic velocity of lubricant, c/(m/s) 1 450
超声波在润滑油中的衰减因素，得出最佳测量范围为
h/λ<0.45. 开展基于超声波反射系数相位偏移的油膜 由式(1)知，反射系数R为一复数，同时包含幅值信
厚度测量试验，验证了反射系数相移测量柴油机气缸 息与相移信息，经推导，得出反射系数幅值|R|与反射
大尺度油膜厚度的可行性与有效性. 最后，讨论了柴 系数相移Φ的表达式：