Investigation into Tribological state observation in journal bearings using ultrasound and temperature measurements
Authors
Nielsen, Morten ; Hansen, Elias Vagn ; Laustsen, Andreas Filtenborg
Term
4. term
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-05-28
Pages
127
Abstract
Denne afhandling undersøger, hvordan tribologiske tilstande i glidelejer—med særligt fokus på smørefilmtykkelse og relaterede slid- og friktionsforhold—kan estimeres ved at kombinere ultralydsreflektometri og temperaturmålinger i modelbaserede observatørstrategier. Udgangspunktet er en simpel glideleje som casestudie og et forbedret virtuelt forsøgssetup, der inkluderer termoviskøse hydrodynamiske effekter samt termodynamik i smørefilmen, journalen og bøsningen, uden at anvende kort-leje-approksimationen. Metodisk integreres et hydrodynamisk systemmodel i et udvidet Kalman-filter, der fletter ultralydsreflektometri, temperaturdata og kendte systeminput (fx vinkelhastighed og ekstern radial kraft). Der undersøges også en kombination af auto‑kalibrerende ultralydsreflektometri og tribologiske tilstandsobservatører samt strategier for placering af ultralydstransducere. De virtuelle forsøg viser, at inddragelse af termoviskøse effekter i modellen markant øger robusthed og nøjagtighed af tilstandsestimatet og muliggør samtidig estimering af både smørefilmtykkelse og den dynamiske viskositet, selv med begrænset kendskab til den eksterne kraft. Estimatet af viskositeten kan følge ændringer (trods et offset), men påvirkes af andre systemparametre, hvilket peger på at udvide observatøren til også at estimere radial frigang. Kombinationen af auto‑kalibrering og observatørmetoder giver højere robusthed og nøjagtighed end auto‑kalibrering alene, mens en multifrekvens‑evalueringsmetode ikke forbedrer nøjagtigheden generelt, men er mindre følsom for forstyrrelser ved stor smørefilmtykkelse. Derudover er det fordelagtigt at placere transducere på indersiden af journalen, da dette øger excitationen i smørefilmen og understøtter antagelserne bag metoderne. Arbejdet peger på god anvendelighed for tilstandsbaseret vedligehold, men anbefaler laboratorievalidering som næste skridt.
This thesis investigates how to estimate tribological states in journal bearings—particularly the lubricant film thickness and related wear and friction—by combining ultrasound reflectometry and temperature measurements in model-based observer strategies. The work uses a simple journal bearing as a case study and develops an improved virtual experimental setup that incorporates thermoviscous hydrodynamics and thermodynamics in the fluid film, journal, and bushing, without relying on the short-bearing approximation. Methodologically, a hydrodynamic system model is embedded in an Extended Kalman Filter that fuses ultrasound reflectometry, temperature data, and known system inputs (e.g., angular speed and external radial force). The study also examines combining auto-calibrating ultrasound reflectometry with tribological state observers, and evaluates transducer placement strategies. The virtual experiments show that including thermoviscous effects markedly improves the robustness and accuracy of state estimates and enables simultaneous estimation of film thickness and dynamic viscosity even with limited knowledge of external load. The viscosity estimate tracks changes (despite an offset) but is influenced by other parameters, suggesting future extension to estimate radial clearance. Combining auto-calibration with observer methods outperforms auto-calibration alone, while a multi-frequency evaluation criterion does not generally improve accuracy but is less sensitive to disturbances at large film thickness. Placing ultrasound transducers inside the journal is beneficial because it increases film excitation and supports the underlying assumptions of the methods. Overall, the results indicate potential for predictive maintenance and prognostic control, with laboratory validation recommended as a next step.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Keywords
Documents