Design and implementation of ultrasound based lubrication film measurement in a fluid power motor

Abstract

Denne afhandling omhandler hvordan det er muligt at designe, konstruere og montere ultralyds sensorer i en Calzoni hydraulik motor, med det formål at kunne beregne tykkelserne af forskelige oliefilm. Der undersøges hvilke metoder der vha. ultralyd kan bruges til at beregne tykkelser af forskelige oliefilm. En 3D model af den hydrauliske motor er udarbejdet i Solid Works med det formål at kunne vurdere, hvor meget plads der er til montering af ultralyds sensorer, samt bevægelsen heraf ved udvalgte positioner. I alt er det fundet relevant at betragte tre forskellige positioner ved den teleskopiske cylinder. Der er udarbejdet en række specifikationer for sensorer ved de valgte positioner, på baggrund af teorien bag en bølges udbredelse og de geometriske forhold fra 3D modellen. Ud fra en række løsningsforslag blev der udvalgt en enkelt løsning til at montere ultralyds sensoren udvendigt på cylinderen. Denne løsning gik ud på at lime sensoren på cylinderens side, hvorefter en epoxy støbning blev lavet til at dække både sensor og et stykke af ledningen. Der er foretaget undersøgelser af adskillige metoder til at estimere tykkelsen af en oliefilm, hvor arbejdsområdet for spring metoden, direct metoden, resonans metoden og kryds-korrelering metoden er fundet. For at kunne estimere refleksions koefficienten ud fra eksperimentelle data ved tre lag bestående af stål, olie og stål bruges Emperical Transfer Function Estimate (ETFE). Nøjagtigheden af denne er undersøgt og tilstedeværelsen af resonans i oliefilmen har vist sig at medføre fejlagtige estimeringer. Metodernes robustheden overfor støj er også undersøgt, hvor det har vist sig at metoderne er robuste ned til et signal til støj forhold på 40dB. En lineær regressions model er også vist at kunne estimere den indfaldende bølge fra refleksioner af oliefilmen ved brug af Least Square Estimation (LSE). Nøjagtigheden af estimering ved brug af method ses forringet ved tilstedeværelsen af resonans i de reflekterede bølger der anvendes i estimationen af den indfaldende bølge. En test opstilling er lavet hvor hovedkomponenterne er den hydrauliske motor, samt hydrauliske komponenter til at måle og variere flow og tryk. Det bruges yderligere et UT instrument fra Olympus til at excitere og opfange pulser fra sensoren. Ved brug af denne opstilling er det muligt at opnå en række målinger for tykkelser på oliefilmen ved udførsel af forsøg ved en konstant hastighed på motoren. Ud fra dette kan det observeres hvilken opførsel oliefilmen har under motor operation.

This master thesis treats how an ultrasonic transducer should be mounted in a Calzoni fluid power motor for measurements of lubrication film thickness. The post-processing methods required to obtain an estimation of the film thickness are investigated. To mount a transducer inside the motor a complete 3D CAD model of the Calzoni motor is created. Using the model, potential mounting locations are discovered and the transducers acoustic and dimensional specifications at each location are found. These specification are found using acoustic wave propagation theory and constraints set by the 3D CAD model. The mounting method used to attach the transducer is found by creating a series of different solutions. It was found that glueing the transducer to the mounting surface and encasing it using an epoxy cast, provided the best solution. Several methods for lubrication film thickness estimation are investigated.The domain of measurable lubrication film thicknesses of the spring method, direct method, resonance method and cross-correlation method are investigated and found. To estimate the reflection coefficient of an embedded layer from experimental data the Empirical Transfer Functions Estimate (ETFE) is used. The accuracy of the ETFE is investigated and the presence of resonance is discovered to cause incorrect estimations. Noise robustness of the lubrication film thickness estimation methods are also investigated and they are found to be robust down to a signal to noise ratio of 40dB. A linear regression model is also used to estimate the incident wave from reflections of a lubrication film layer using Least Square Estimation (LSE). The accuracy of the estimations are found to deteriorate as resonance becomes observable in the reflected waves used for estimation. A transducer is mounted in the Calzoni motor using the proposed mounting solution and a test bench is created. Using this test bench a series of fluid film measurements are obtained from experiments while running the motor at a fixed rotational speed and the behaviour of the fluid film is observed.

A master thesis from Aalborg University

Design and implementation of ultrasound based lubrication film measurement in a fluid power motor