CN101923070A - 一种齿轮损伤检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种齿轮损伤检测方法与装置，属于机械无损检测技术领域。本发明提出了一种形状能够和被测齿轮的轮齿齿形相啮合的磁记忆检测方法及装置，在装置上安装多路磁传感器，可以同时检测齿面、齿根等受力位置，采用非接触式光电元件作为采样触发装置，一个检测装置一次扫描即可同时记录一个轮齿两个齿面、齿根处的损伤状态，检测效率、准确率高，避免了检测盲区。检测过程属于非接触检测，装置结构简单，可单个使用于对单个轮齿的检测，也可多个检测装置集成一体对多个轮齿同时检测，满足实际生产环境下齿轮的损伤检测需要，是目前齿轮损伤检测中较有前景的无损检测方法。

Description

一种齿轮损伤检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种齿轮损伤检测方法与装置，属于机械无损检测技术领域。

背景技术

齿轮是构成机械设备的重要零件，大型机械设备的齿轮承载扭矩较大，在长时间连续工作的环境下，齿轮的轮齿极易产生疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀和胶合等失效损伤，如不能得到及时有效的维修，则会产生折齿、断裂等事故，使设备无法运行，给生产带来重大损失。

为了保障设备的正常运行，需要对齿轮的轮齿等承载结构件进行检测，以确保设备的正常安全运行。目前齿轮的检测分为在线和离线检测。目前主要的在线检测方法是声发射检测法和振动加速度检测法。在线检测方法的主要优点是可以在设备运行状态下进行，可以实现长时间的连续监测；主要缺点是检测结果易受环境和噪声干扰，识别精度的准确率有待提高，难以对齿轮损伤位置进行准确定位。

齿轮损伤的另一种检测方式是离线检测，离线检测需要在设备定期维护时进行，其主要优点是检测结果可靠，准确率和精度高。离线检测可以采用CCD光学视觉检测、超声检测、电涡流检测等方法。由于齿轮长期工作在恶劣环境下，表面油污、铁锈等现象比较严重，仅凭光学视觉检测难以可靠发现齿轮表面的裂纹和其它微小损伤；超声检测需要采用耦合方式，对被测表面要求较高，有时需要对表面进行预处理，一些尺寸形状急剧变化的过渡区域难以实现检测；涡流检测法检测速度较快，属于非接触检测，但是提离效应较大，即探头距被测面的距离变化会对结果造成较大影响。

金属磁记忆检测是近年来提出的一种新型无损检测方法，具有检测速度快，对被测表面要求较低、对疲劳裂纹和微小损伤检测灵敏度较高、提离效应小，即探头距被测面的距离变化对测量结果影响很小等优点。但现有磁记忆检测仪一般采用单探头检测，信号采样方式采用摩擦轮带动旋转编码器的方式进行。这种检测方式应用在大型齿轮上检测效率很低，且摩擦轮易打滑，使检测产生误差，对于受力最大、应力集中最严重的齿根处状态，由于探头难以放入，使检测往往无法进行。

本发明提出了一种形状能够和被测齿轮的轮齿齿形相啮合的磁记忆检测方法与装置，在装置上安装多路磁传感器，可以同时检测齿面、齿根等受力位置，采用非接触式光电元件作为采样触发装置，一个检测装置一次扫描即可同时记录一个轮齿两个齿面、齿根处的损伤状态，检测效率高，避免了检测盲区。

发明内容

本发明的目的在于为解决对机械设备中承载齿轮损伤缺少有效的现场快速检测方法和装置，难以及时有效地进行评估检验的问题，提出一种齿轮损伤检测方法与装置，主要利用齿轮的轮齿损伤处杂散磁信号梯度进行整体检测。

本检测方法的具体实现步骤如下：

步骤1，设计制作一体化检测探头，其探测区域的形状与被测轮齿的齿廓形状一致，尺寸略大于轮齿外廓，使轮齿能顺利通过检测装置。

步骤2，将多个高灵敏度磁敏元件对称分布安装于呈现轮齿齿廓形状的一体化检测探头的两侧，用来检测齿面和齿根处的磁场信号变化。

步骤3，将非接触式信号触发采样装置及其信号采集电路安装于一体化检测探头上，并与各个磁敏元件相连接。

步骤4，使用一体化检测探头对齿轮进行检测，在检测过程中以已设定的等间隔采集方式记录多路磁敏元件的输出信号，得到被测轮齿齿面和齿根处的磁信息。

步骤5，在步骤4得到输出信号后，求取各路信号的梯度：

$\mathrm{\Δ}{R}_i\left(l\right)=\frac{R_i\left(l\right)-R_{i-1}\left(l\right)}{\mathrm{\Δl}}$

式中R_i(l)和R_i-1(l)是相邻采样点的信号差值，Δl是相邻采样点的距离。

步骤6，对经步骤5处理过的信号求取其中梯度最大值，梯度最大值ΔR_max(l)对应的ΔR_i(l)处即为损伤或应力集中位置。如果没有损伤，则信号曲线为一平滑曲线，即梯度值均较小。

通过对齿轮每个轮齿的检测，完成对整个齿轮损伤的检测。

本发明所述的齿轮损伤检测装置，包括检测探头、多个高灵敏度磁敏元件、信号采集电路、非接触式信号触发采样装置、电源电路和上位机。

所述的检测探头为非磁性金属材料的机械装置，其检测区域与被测轮齿的齿廓形状一致，尺寸略大于轮齿外廓，同时能完全贴合被测轮齿的待检表面，使被测轮齿能顺利通过检测装置，且保证传感器与被测表面距离的一致性。该检测探头用来安装固定多个高灵敏度磁敏元件、信号采集电路和非接触式信号触发采样装置。

所述的多个高灵敏度磁敏元件采用多个特性相同的磁敏传感器，对称安装在检测探头的两侧上，安装个数及位置原则为传感器检测区域能覆盖整个轮齿的齿面和齿根，其作用为将磁场的变化转换为电压的变化传输给信号采集电路，供进一步分析利用。

所述的信号采集电路由多路放大电路、多路有源低通滤波电路、多路转换开关电路、A/D转换电路、单片机控制电路和信号存储电路组成，其作用为对传感器采集的初始信号进行放大和滤波，提高信号质量，同时将处理后的信号进行存储，用来传送给上位机进行分析。多个高灵敏度磁敏元件输出的信号首先经过放大电路和有源低通滤波电路，经过放大和滤波的信号的信噪比得到了改善，有利于之后对信号进行进一步的处理，放大电路中设置可调节的放大倍数，以适应天然地磁场和人工磁化场等磁激励场作用下不同强度磁信号的放大需要；随后，经过放大和滤波的多路信号输入至多路转换开关电路，其作用为将多路磁敏元件信号顺序接通，使之变为一路输出，在检测速度要求不是很高的情况下可以满足实际检测需要，有效节省硬件资源，简化结构；A/D转换电路的作用为将多路转换开关电路输出的模拟信号转换成数字信号，使信号便于存储和传输；单片机控制电路中设定了非接触式信号触发采样装置的采样间隔，并将经过A/D转换电路后的数字信号放入信号存储电路中，通过与上位机的软件通讯，将采集的数据传入上位机中进行详细分析。信号采集电路内部连接关系为：每一路放大电路对应连接一路有源低通滤波电路；每一路有源低通滤波电路均通过一个多路转换开关电路与A/D转换电路相连；A/D转换电路通过单片机控制电路与信号存储电路相连。

所述的非接触式信号触发采样装置为光电感测电路，该装置安装在检测探头上端对应于轮齿齿顶的位置，其作用为通过接收齿顶表面的移动光斑，将位移信号转换成光电脉冲信号，通过外触发方式，使检测装置实现空间等距采样。其优点是减小了检测装置体积，消除了检测盲区，避免了目前采样系统摩擦轮打滑造成检测误差等问题。

所述的电源电路为直流电源供电，其方式可采用外接直流电源供电，也可以采用将电池集成在检测装置上的形式供电。

所述的上位机的作用为接收检测装置采集到的信号，并求取采集的各个信号的梯度，通过寻找梯度最大值来发现齿轮齿面的损伤位置。

上述各部分的连接方式为：多个高灵敏度磁敏元件以对称的分布方式安装在检测探头两侧，信号采集电路、非接触式信号触发采样装置以电路板的形式安装在检测探头上部。同时每一路高灵敏度磁敏元件通过导线与信号采集电路连接，信号采集电路分别通过导线与非接触式信号触发采样装置、电源模块和上位机连接。

本装置的工作流程为：首先，将检测探头放于齿轮轮齿的一端，启动电源电路，此时高灵敏度磁敏元件开始采集数据，将检测探头贴合着轮齿表面向轮齿的另一端移动。移动过程中，非接触式信号触发采样装置每移动一个设定距离便向信号采集电路发送一个脉冲，从而使信号采集电路中的信号存储电路记录下一组数据。当检测探头移动到轮齿的另一端时，便记录了整个轮齿表面的数据。最后将采集到的数据发送至上位机中进行分析，从而得到缺陷的位置。

有益效果

本发明的齿轮损伤检测装置采用高灵敏度磁敏元件，可以在天然地磁场或人工磁化场等磁激励场作用下进行检测，能耗较低，可采用电池供电方式长时间工作。同时，对被测齿轮的清洁程度要求较低，无需在检测前清理表面油污、铁锈等杂质。由于采用多探头仿形轮齿结构，使得在检测时将检测装置一次扫过轮齿便完成了对整个轮齿的检测，相比于传统的齿轮检测装置及方法，检测效率得到了很大的提升。同时由于检测装置根据被测轮齿的外形设计，并在检测过程中贴合轮齿的外形，使得检测距离一致，从而保证了检测精度，对疲劳裂纹和微小损伤检测灵敏度较高。检测过程属于非接触检测，装置结构简单，可单个使用于对单个轮齿的检测，也可多个检测装置集成一体对多个轮齿同时检测。本检测装置体积较小，可制成便携装置，也可以应用于大型机械化生产线中，满足实际生产环境下齿轮的损伤检测需要，是目前齿轮损伤检测中急需的和较有前景的新型无损检测装置。

附图说明

图1为本发明齿轮损伤检测方法的流程图；

图2为本发明的齿轮损伤检测装置各部分的连接关系图；

图3为具体实施方式中齿轮损伤检测装置的三维硬件结构框图；

图4为具体实施方式中齿轮损伤检测装置的实物图；

图5为具体实施方式中齿轮损伤检测装置工作位置图；

图6为具体实施方式中齿轮损伤检测装置中磁敏元件和非接触式信号触发采样装置位置图；

图7为具体实施方式中被测轮齿缺陷位置的信号图；

图8为具体实施方式中被测轮齿缺陷位置差值后的梯度图；

图9为具体实施方式中被测轮齿的损伤位置图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的检测方法的具体实现步骤如下：

步骤1，设计制作一体化检测探头，其探测区域的形状与被测轮齿的齿廓形状一致，尺寸略大于轮齿外廓，使轮齿能顺利通过检测装置。

步骤2，将多个高灵敏度磁敏元件对称分布安装于呈现轮齿齿廓形状的一体化检测探头的两侧，用来检测齿面和齿根处的磁场信号变化。

步骤3，将非接触式信号触发采样装置及其信号采集电路安装于一体化检测探头上，并与各个磁敏元件相连接。

步骤4，使用一体化检测探头对齿轮进行检测，在检测过程中以已设定的等间隔采集方式记录多路磁敏元件的输出信号，得到被测轮齿齿面和齿根处的磁信息。

步骤5，在步骤4得到输出信号后，求取各路信号的梯度：

$\mathrm{\Δ}{R}_i\left(l\right)=\frac{R_i\left(l\right)-R_{i-1}\left(l\right)}{\mathrm{\Δl}}$

式中R_i(l)和R_i-1(l)是相邻采样点的信号差值，Δl是相邻采样点的距离。

步骤6，对经步骤5处理过的信号求取其中梯度最大值，梯度最大值ΔR_max(l)对应的ΔR_i(l)处即为损伤或应力集中位置。如果没有损伤，则信号曲线为一平滑曲线，即梯度值均较小。

通过对齿轮每个轮齿的检测，完成对整个齿轮损伤的检测。

本发明所述的齿轮损伤检测装置包括检测探头、多个高灵敏度磁敏元件、信号采集电路、非接触式信号触发采样装置、电源电路和上位机。其中，信号采集电路包括多路放大电路、多路有源低通滤波电路、多路转换开关电路、A/D转换电路、单片机控制电路和信号存储电路。

齿轮损伤检测装置各部分的连接关系如图2所示：多个高灵敏度磁敏元件以对称的分布方式安装在检测探头两侧，信号采集电路、非接触式信号触发采样装置以电路板的形式安装在检测探头上部。同时每一路高灵敏度磁敏元件通过导线与信号采集电路中的一路放大电路连接，信号采集电路分别通过导线与非接触式信号触发采样装置、电源模块和上位机连接。信号采集电路各部分的连接关系为：每一路放大电路对应连接一路有源低通滤波电路；每一路有源低通滤波电路均通过一个多路转换开关电路与A/D转换电路相连；A/D转换电路通过单片机控制电路与信号存储电路相连。

本实施例的检测探头采用铝制材料，其主体部分的三维图如图3所示，在检测探头的两侧斜面上各有3个传感器安装孔，其直径与传感器宽度相等，只需将磁敏传感器接好线后放置于传感器安装孔中，便可以实现多路检测。同时检测探头的检测区域与轮齿的外廓形状相同，这样可以更好的保证传感器与轮齿表面间的距离，从而使传感器更好的贴合轮齿表面，防止由于距离改变而导致检测信号的不准确。

本实施例的多个高灵敏度磁敏元件选用霍尼韦尔公司HMC1021s型磁阻传感器，排列方式如图6所示。

本实施例的信号采集电路中的放大电路使用仪表放大器AD620实现，低通滤波电路采用UA741搭建的有源二阶低通电路，A/D转换电路使用TLC2543实现，采用AT89S52单片机进行控制。

本实施例的非接触式信号触发采样装置使用凌阳C2165型光学感测芯片以及AT80C51单片机实现。

本实施例的电源电路为±5伏直流电源供电，其方式可采用外接直流电源供电。

本实施例的上位机采用研华科技610L型工控机，其作用为接收检测装置采集的数据，对信号进行分析，求取梯度，通过寻找梯度最大值来发现齿轮齿面的损伤位置。

本实施例所述装置的实物如图4所示。金属色部分为铝制的检测探头，黑色部分是为检测探头加装的外壳，其作用为保护探头上的信号采集电路和多个高灵敏度磁敏元件。检测探头的外壳由四块厚5mm的铝板组成，前后两块铝板下端按照检测探头外侧的形状直接点焊到检测探头的两端，同时前后两块挡板的边缘留有凹槽，以便左右两块铝板直接插入凹槽固定，使检测探头与外壳构成一个腔体；顶盖使用六个螺栓固定在前后两块铝板的上端面。探头接口采用12芯航空接头，插头和插座插都有螺丝扣，连接之后可以旋紧固定，不会脱落。

下面以齿轮的实际检测为例，说明本发明所述装置的工作过程。

待测齿轮材料为45#钢，参数如下：模数25，齿数20，齿轮厚度168mm。

首先，将检测探头放于齿轮的一个轮齿的一端，启动电源电路，此时高灵敏度磁敏传感器开始采集数据。接着，将检测探头贴合着轮齿表面向轮齿的另一端移动(如图5所示)。移动过程中，非接触式信号触发采样装置每移动一定距离便向信号采集电路发送一个脉冲，从而使存储装置记录下一组数据即测量的电压值，测得的缺陷位置信号如图7所示。当检测探头移动到轮齿的另一端时，便得到了整个轮齿表面的数据。最后将采集到的数据发送至上位机中进行分析，求出信号的梯度，如图8所示。图8中距离轮齿端面大约5.5mm处磁场强度发生突变，梯度值较大，参照图9中轮齿右齿面的缺陷位置，可知图8中较大的梯度值位置与缺陷位置相吻合。按上述操作方法对齿轮的其余几个轮齿进行检测，即能较快速得到整个齿轮的损伤情况。

根据以上结果可知检测装置可以反应出轮齿上的缺陷位置，其检测结果准确、可靠。同时整个检测过程中检测装置仅仅经过被测轮齿表面一次便完成了对整个轮齿的检测，大大提高了齿轮的检测效率。

本实施例仅为单个检测装置对齿轮的检测过程，实际应用中也可将多个检测装置根据整个齿轮的形状制作集成一体，对齿轮整体一次完成检测。可见这种检测方法是目前齿轮损伤检测中急需的和较有前景的无损检测方法。

Claims (7)

1.一种齿轮损伤检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，设计制作一体化检测探头，其探测区域的形状与被测轮齿的齿廓形状一致，尺寸略大于轮齿外廓，使轮齿能顺利通过检测装置；

步骤2，将多个高灵敏度磁敏元件对称分布安装于呈现轮齿齿廓形状的一体化检测探头的两侧，用来检测齿面和齿根处的磁场信号变化；

步骤3，将非接触式信号触发采样装置及其信号采集电路安装于一体化检测探头上，并与各个磁敏元件相连接；

步骤4，使用一体化检测探头对齿轮进行检测，在检测过程中以已设定的等间隔采集方式记录多路磁敏元件的输出信号，得到被测轮齿齿面和齿根处的磁信息；

步骤5，在步骤4得到输出信号后，求取各路信号的梯度：

$\mathrm{\Δ}{R}_i\left(l\right)=\frac{R_i\left(l\right)-R_{i-1}\left(l\right)}{\mathrm{\Δl}}$

式中R_i(l)和R_i-1(l)是相邻采样点的信号差值，Δl是相邻采样点的距离；

步骤6，对经步骤5处理过的信号求取其中梯度最大值，梯度最大值ΔR_max(l)对应的ΔR_i(l)处即为损伤或应力集中位置；如果没有损伤，则信号曲线为一平滑曲线，即梯度值均较小；

通过对齿轮每个轮齿的检测，完成对整个齿轮损伤的检测。

2.一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：包括检测探头、多个高灵敏度磁敏元件、信号采集电路、非接触式信号触发采样装置、电源电路和上位机；各部分的连接方式为：多个高灵敏度磁敏元件以对称的分布方式安装在检测探头两侧，信号采集电路、非接触式信号触发采样装置以电路板的形式安装在检测探头上部；同时每一路高灵敏度磁敏元件通过导线与信号采集电路连接，信号采集电路分别通过导线与非接触式信号触发采样装置、电源模块和上位机连接。

3.根据权利要求2所述的一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：所述的检测探头为非磁性金属材料的机械装置，其检测区域与被测轮齿的齿廓形状一致，尺寸略大于轮齿外廓，同时能完全贴合被测轮齿的待检表面，使被测轮齿能顺利通过检测装置，且保证传感器与被测表面距离的一致性。

4.根据权利要求2所述的一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：所述的多个高灵敏度磁敏元件采用多个特性相同的磁敏传感器，对称安装在检测探头的两侧上，安装个数及位置原则为传感器检测区域能覆盖整个轮齿的齿面和齿根，其作用为将磁场的变化转换为电压的变化传输给信号采集电路。

5.根据权利要求2所述的一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：所述的信号采集电路由多路放大电路、多路有源低通滤波电路、多路转换开关电路、A/D转换电路、单片机控制电路和信号存储电路组成；连接关系为：每一路放大电路对应连接一路有源低通滤波电路；每一路有源低通滤波电路均通过一个多路转换开关电路与A/D转换电路相连；A/D转换电路通过单片机控制电路与信号存储电路相连。

6.根据权利要求2所述的一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：所述的非接触式信号触发采样装置为光电感测电路，该装置安装在检测探头上端对应于轮齿齿顶的位置，其作用为通过接收齿顶表面的移动光斑，将位移信号转换成光电脉冲信号，通过外触发方式，使检测装置实现空间等距采样。

7.根据权利要求2所述的一种齿轮损伤检测装置，其特征在于：所述的电源电路为直流电源供电，其方式可采用外接直流电源供电，也可以采用将电池集成在检测装置上的形式供电。

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