风力涡轮机轴颈轴承润滑特性的超声监测

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Ultrasonic monitoring of lubrication characteristics for wind turbine journal bearings

　　张成旭｜张凯｜朱杰｜王宇｜张亚斌｜冯凯
湖南大学流体润滑轴承机械工业工程研究中心，长沙，410082，中国

**摘要**
高功率风力涡轮机的进步使得行星齿轮轴颈轴承（PGJBs）成为风力发电机齿轮箱中滚动轴承的可行替代品，有效提高了功率密度同时降低了制造成本。然而，由于缺乏可靠的油膜厚度测量方法，对PGJBs润滑特性的实验研究受到了阻碍。这类轴承独特的结构和动态热条件限制了传统油膜厚度测量方法的有效应用。本文提出了一种专为PGJBs设计的新超声测量方法，该方法能够从重叠回波中提取油膜厚度，并通过同时进行超声温度测量实现自适应热补偿。具体而言，通过结合等效模型和热补偿策略开发了一个自适应热补偿等效模型。该模型通过定制算法求解，实现油膜厚度测量的同时进行温度测量。经过仿真和校准实验验证后，该模型被用于监测5兆瓦PGJBs的润滑特性，以研究其运行行为和润滑性能。本研究不仅提供了一种在重叠条件下测量油膜厚度的自适应热补偿方法，还提供了润滑特性的实验监测结果，以支持PGJBs的工程设计、结构优化和早期故障预警。

**引言**
随着风力涡轮机向高功率和大规模应用的发展[[1]，[2]，[3]，[4]，[5]]，行星齿轮轴颈轴承（PGJBs）由于具有更高的功率密度、更低的故障概率和更高的成本效益[[6,7]]，逐渐取代了传统的滚动轴承。对于传统轴颈轴承来说，包括低速[[8,9]]、重载[[10,11]]和不对中[[12,13]]等不利运行条件可能会阻碍流体动力油膜的形成或导致其破裂。值得注意的是，这些对轴颈轴承性能有害的运行特性在PGJBs的实际服役环境中普遍存在[[14]，[15]，[16]]。因此，已开展了大量针对PGJBs润滑性能和优化设计的研究。
目前，研究人员开发了多种理论润滑计算模型来分析轴承参数和运行条件对润滑特性的影响[[17]，[18]，[19]，[20]，[21]]。此外，一些研究将润滑计算模型与智能算法相结合，以优化轴承性能[[22]，[23]，[24]]。在这些研究中，油膜厚度被用作性能分析和优化的核心指标。然而，由于缺乏可靠的油膜厚度测量技术，这些研究未对计算出的油膜厚度进行校准，导致模型验证不足。同时，这一测量技术的空白阻碍了润滑行为实验的研究以及PGJBs中润滑故障预警系统的实施。因此，建立一种适用于PGJBs的油膜厚度测量技术成为当务之急，以便进行润滑模型验证、润滑行为实验研究和润滑故障预警系统的实施。
现有的油膜厚度测量技术主要包括光学[[25]，[26]，[27]]、电气[[28]，[29]，[30]]和声学[[31]，[32]，[33]]方法，其中光学和电气方法在实际应用于PGJBs时受到光学路径构建或接触测量的限制。相比之下，超声技术因其非侵入性和更快的响应速度[[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39]，[40]]而成为工业油膜 thickness测量的最可行解决方案。传统的超声模型通过利用反射回波信号的时间域[[41,42]]或频域[[43]，[44]，[45]]特性来确定油膜厚度，在滑动轴承[[46,47]]、滚动轴承[[48,49]]和密封圈[[50,51]]等关键工业部件中得到了广泛应用。虽然传统超声方法在许多工业场景下可以有效测量油膜厚度，但在新兴工业场景中面临新的技术挑战，包括测量范围限制[[52,53]]、采集入射信号的难度[[54,55]]以及复杂的声学参数校准[[56,57]]。这表明超声油膜测量技术仍需进一步研究，特别是开发针对新应用的测量方法。同样，将超声油膜测量技术应用于本研究所研究的新型PGJBs也面临诸多挑战，如重叠效应和变化的热效应，这些因素使得传统超声模型失效。这些挑战将在下文中详细说明，并在图1中进行说明。

**挑战1：重叠引起的传统模型失效**
为了在极低速、重载和频繁启停的条件下提高润滑性能，PGJBs通常会涂覆厚度在0.05毫米至1.5毫米之间的薄合金涂层（如图1(a1)所示）[[58,59]]。这些薄涂层会导致来自不同界面的超声反射回波产生时间重叠[[60]，[61]，[62]]，从而导致传统超声油膜厚度测量模型的失效。根本原因在于传统超声模型依赖于测量油膜层反射信号的时间-频率域特性（如图1(a2)所示），而重叠现象妨碍了这些信号的有效提取（如图1(a3)所示）。
为克服超声油膜厚度测量中的这种重叠效应，人们采用高斯模型来描述重叠的反射回波，并利用期望最大化算法来提取油膜层反射信号[[63,64]]。然而，这种方法受到高斯模型精度和算法计算速度的限制，导致测量精度和效率不高。因此，研究人员越来越关注通过建立油膜厚度与重叠超声信号之间的数学关系来推导直接的计算公式[[65,66]]。需要注意的是，这些研究主要针对传统轴承结构（涂层沉积在衬套上），而PGJBs中使用的涂层是沉积在轴表面[[67,68]]。涂层沉积位置的关键差异改变了油膜厚度与重叠超声信号之间的内在关系，使得上述油膜厚度测量模型不适用于PGJBs。

**挑战2：热效应导致超声模型不准确**
由于可变风荷载引起的动态热效应[[69,70]]，超声模型在PGJBs的实际测量中面临重大挑战。许多研究表明，温度变化会显著降低超声测量模型的准确性和可靠性[[71]，[72]，[73]，[74]]，主要通过两种机制：（1）热引起的入射波幅度衰减和相位移动[[75,76]]；（2）热引起的介质声学参数（密度和声速）变化[[77,78]]。为了消除这些热效应对测量的影响，现有研究通常将热依赖参数建模为温度函数，以便根据温度传感器数据计算参数值[[79]，[80]，[81]]。尽管这些补偿策略在传统条件下已被证明有效（如图1(a2)所示），但在重叠条件下（如图1(a3)所示）的有效性和适应性尚未得到验证。此外，当前的热补偿策略严重依赖辅助温度传感器进行实时温度监测[[82]]，增加了系统复杂性和实施成本。因此，迫切需要开发一种专门针对重叠条件的自适应热补偿策略，以便在PGJBs中实现变温度下的油膜厚度精确测量。

迄今为止，由于缺乏可行的油膜厚度测量方法，PGJBs的润滑特性实验验证和研究受到了阻碍。超声技术以其非破坏性和其他优势在润滑特性监测领域具有巨大潜力。然而，PGJBs的薄涂层结构和动态热条件引入了重叠和热效应，使传统超声模型失效。因此，迫切需要开发一种适用于PGJBs的超声测量方法，以进一步实现其润滑特性的监测和实验研究。该方法应能够从重叠回波中准确确定油膜厚度，并结合自适应热补偿，从而解决PGJBs超声测量中的关键技术挑战。
本研究提出了一种针对PGJBs技术挑战的创新超声油膜厚度测量方法，并将其应用于研究全尺寸5兆瓦PGJB的润滑特性和运行行为。该研究的贡献主要体现在两个方面：
**理论方法方面**，为了克服传统超声模型在重叠和热效应下的局限性，本研究开发了一种新的超声测量方法。首先，基于等效模型建立了重叠条件下的油膜厚度测量方法；其次，分析了这些测量方法的热效应，并制定了相应的热补偿策略；最后，通过结合等效模型和热补偿策略，构建了一个自适应热补偿等效模型，并进一步开发了专门的求解算法。该模型能够在测量温度的同时实现油膜厚度的自适应热补偿，为重叠回波和温度变化条件下的超声油膜厚度和温度测量提供了新的解决方案。
**工程应用方面**，通过仿真和校准实验验证后，所提出的模型被应用于监测5兆瓦PGJBs的润滑特性，以研究轴承的运行行为。本研究不仅为PGJBs提供了一种定制的润滑特性监测方法，还提供了具有实际价值的实验监测数据，以支持其工程设计、结构优化和早期故障预警。

**论文结构**
本文其余部分安排如下：第2节提出了一个自适应热补偿等效模型，以解决PGJBs超声油膜厚度测量的关键挑战；第3节介绍了所提出方法和模型的验证结果；第4节展示了5兆瓦PGJB在不同运行条件下的润滑特性监测结果和分析；第5节讨论了研究的局限性和未来方向；第6节总结了主要研究成果。

**章节摘要**
- **超声测量模型**：本节介绍了一种用于测量PGJBs油膜厚度的超声方法，该方法能够在重叠条件下实现自适应热补偿测量。
- 2.1节建立了重叠条件下的油膜厚度等效模型。
- 2.2节定量分析了等效模型的热效应，并制定了相应的热补偿策略。
- **模型验证**：为了验证所提出的超声测量方法的有效性，进行了一系列校准实验。
- 3.1节描述了专门为模拟油膜厚度和温度变化而设计的校准装置。
- **PGJBs润滑特性监测**：本节使用全尺寸测试台对PGJBs的润滑特性进行了实验研究。
- 4.1节详细说明了测试台的系统配置、工作原理和传感器部署策略。
- 4.2节通过在额定运行条件下的验证实验，比较了实验测量值和数值预测结果。
- **讨论**：尽管所提出的方法已通过实验验证有效且适用于实际5兆瓦PGJBs的润滑特性监测，但仍需进一步研究以优化其性能并扩展其研究贡献。虽然本研究采用的热补偿策略已通过实验验证有效，但必须针对不同对象重新实施热补偿程序。

**结论**
本研究为风力发电机齿轮箱中的PGJBs开发了一种专门适用的超声模型，实现了具有自适应热补偿的油膜厚度测量。所提出的模型能够同时测量温度和从重叠回波中热补偿后的油膜厚度，提供了一种非破坏性的方法来监测PGJBs的润滑特性。通过有限元仿真和校准实验验证后，...

**作者贡献声明**
张成旭：撰写–原始草案、验证、方法论；
张凯：撰写–审阅与编辑、方法论、资金获取；
朱杰：验证、研究；
王宇：软件、方法论；
张亚斌：验证、研究；
冯凯：撰写–审阅与编辑、方法论、概念化。