CN103543207A - 对机器铆接的轴承的非破坏性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对机器铆接的轴承的非破坏性评估方法。所公开的实施例整体上涉及非破坏性评估方法。在实施例中，用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法包括将第一多个传感器定位在所感兴趣的区域中，第一多个声音传感器被以分相位阵列的方式提供，将第二多个传感器定位在所感兴趣的区域中，第二多个传感器被以分相位阵列的方式提供，使用第一多个传感器在所感兴趣的区域中诱导振动并使用第二多个传感器接收共振频谱，并将所接收的共振频谱与参考频谱比较以确定在所感兴趣的区域内的异常的存在。

Description

对机器铆接的轴承的非破坏性评估方法

技术领域

所公开的实施例整体上涉及非破坏性评估（NDE）方法。更具体地，所公开的实施例涉及用于机器铆接的轴承的评估的NDE方法。

背景技术

 非破坏性评估（NDE）方法指的是能被用于检查物体以发现缺陷的一类方法。NDE方法经常被用于检查材料以发现缺陷，例如结构异常、杂质、裂纹等。不过，许多传统的NDE方法经常提供不完整的或者在其它方面不充分的检查。这在困难的几何形状中尤其如此，例如在机器铆接的轴承中。

滚动体球轴承通常采用铆接来将该轴承的分离器元件的两个半部连接在一起。例如，为了便于康拉德（Conrad）球轴承的组装而需要铆接，其中球骑在内环和外环中的滚道槽内。为了组装该轴承，球被安装在内环和外环之间，围绕着圆周均匀分布，并且此后分离器的两个半部被放在一起并通常使用铆接连接。

铆接过程的质量对轴承的可靠性至关重要。如果铆接被不正确地实施，那么分离器的两个半部就没有牢固地接触，并且这两个半部没有在这个组件中被合适地夹紧在一起。这可能潜在地引起铆钉的早期疲劳故障，使得该半部能在操作中分开，导致轴承的早期故障。

当前，两个铆接过程，冷成形和热缩锻成形，被用于将分离器的两个半部连接在一起。铆钉材料包括AISI（美国钢铁学会）1010碳钢，并且两个分离器半部通常由钢或铜制成。图1和2分别示出了冷成形和热缩锻成形铆接程序的示意说明。如在图1中所示，冷成形程序开始于步骤101，其中铆钉130被插在两个分离器半部121、122之间。该铆钉在其下端由支撑平台110支撑。头成形模140被定位在铆钉130上方。此后，在步骤102，使头成形模140与铆钉130的上端接触，并且压缩铆钉130以紧紧地将两个分离器半部121、122保持在一起。在步骤103，头成形模140被从铆钉130撤回，留下了在支撑平台110上的机器铆接部件。

如图2中所示，热缩锻成形程序开始于步骤201，其中铆钉130被插在两个分离器半部121、122之间。铆钉在其下端由支撑平台110支撑。电极头成形模240被定位在铆钉130上方。此后，在步骤202，使电极头成形模240抵接铆钉130，但不是与铆钉130有压缩接触。电流从电极头成形模240流到铆钉130，由此加热铆钉130。此后，在步骤203，电极头成形模240进一步降低以压缩热铆钉130以将两个分离器半部121、122紧紧保持在一起。在步骤204，电极头成形模240被从铆钉130撤回，留下了在支撑平台110上的机器铆接部件。

已经确定，正确安装的铆钉的重要属性是过程导致在两个被组装的部分之间的残余“夹紧”力。这种夹紧力将分离器的两个半部保持在一起并且借助于在被夹紧的面上的高摩擦力阻止两个半部的相对运动。不正确安装的铆钉不会施加在分离器半部之间的夹紧力，从而允许在作用在分离器穴上的振动和球力的影响下的在分离器半部之间的相对运动。这些振动和球力在铆钉上施加疲劳周期加载，从而导致早期故障。

当前对机器铆接轴承的质量检查主要是视觉的。视觉检查是主观的、耗时的，并且仅能探查表面异常。视觉检查不能探查任何表面下或体积结构不连续，并且因此不是非常适合监测铆接制造过程。目前，还没有非破坏性测试方法可用于评估铆钉安装在施加在两个分离器半部上的夹紧力方面的质量。

因此，可取的是，提供NDE方法以与机器铆接轴承一起使用。还可取的是，提供一种NDE方法，其可由轴承的制造商使用，以监测并审查铆接过程以及检查最终轴承部分的质量，并且其还可由轴承的终端用户使用以证实制造商的满足正确轴承分离器铆接的要求的能力。另外，本发明的其它令人满意的特征和特点将从下面对本发明的具体描述和所附的权利要求并结合附图以及本发明的该背景技术而变得易于理解。

发明内容

所公开的实施例涉及非破坏性评估（NDE）方法，其用于评估机器铆接轴承。在一个实施例中，用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法包括确定在机器铆接轴承上的所感兴趣的区域，将多个声音传感器定位在该所感兴趣的区域中，多个声音传感器被以分相位阵列的方式被提供，使用多个声音传感器引起在所感兴趣的区域中的振动并使用该多个声音传感器接收共振频谱，并且将所接收的共振频谱与参考频谱比较以确定在所感兴趣的区域中的异常的存在。

在另一实施例中，用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法包括确定在机器铆接轴承上的所感兴趣的区域，将多个声音传感器定位在所感兴趣的区域中，该多个声音传感器以分相位阵列的方式被提供，并且将多个光学传感器定位在所感兴趣的区域中，该多个光学传感器被以分相位阵列的方式提供。该方法还包括使用多个声音传感器在该所感兴趣的区域中引起振动并且使用该多个光学传感器接收共振频谱，并且将所接收的共振频谱与参考频谱比较以确定在所感兴趣的区域中的异常的存在。

在又一实施例中，用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法包括将第一多个传感器定位在所感兴趣的区域中，第一多个声音传感器被以分相位阵列的方式提供，将第二多个传感器定位在所感兴趣的区域中，第二多个传感器被以分相位阵列的方式提供，使用第一多个传感器在所感兴趣的区域中引起振动并使用第二多个传感器接收共振频谱，并将所接收的共振频谱与参考频谱比较以确定在所感兴趣的区域内的异常的存在。

提供这个发明内容是以简化形式介绍所选的概念，这些概念将在具体实施方式中被进一步描述。这个发明内容不是用来确认所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不是用来辅助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

此后将结合下面的附图描述本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件；并且其中： 

图1图示了使用冷成形技术的轴承的分离器元件的铆接；

图2图示了使用热缩锻成形的轴承的分离器元件的铆接；

图3图示了根据本公开实施例的在所感兴趣的区域上的概念上的测试声音传感器布置；

图4示出了从两组铆接轴承组件得到的典型的共振谱；

图5图示了根据本公开实施例的在所感兴趣的区域上布置的概念上的声音传感器的分相位阵列；

图6是根据本公开的对机器铆接轴承的非破坏性评估的示例性方法的流程图；以及

图 7-10说明了用于确定和测试铆接轴承中的所感兴趣的区域的示例性实施例。

具体实施方式

下面的具体描述本质上仅仅是示例性的，并非用于限定本发明、其应用或使用。在本文使用时，词语“示例性”表示“用作示例、例子或说明”。本文描述的任何“示例性”实施例都不一定被理解为相比其它实施例是优选的或有利的。而且，并不意在受在前面的背景技术或者后面的具体实施方式中出现的任何理论的约束。

本文描述的实施例整体上涉及机器铆接轴承的非破坏性评估。机器铆接组件是一种机械组件，其性能和结构整体性很大程度上依赖于它的各个部件的结构整体性以及依赖于作为整体的被组装的部分。铆接部分的弹性性质将取决于每个部件的弹性性质以及取决于铆接中使用的过程，即，热缩锻或冷成形，如上所述。

本文描述的实施例基于硬元件将以具体频率共振的基本物理原理。如此，已经发现可以使用与其它感测设备，例如光学干涉仪，成不同构造和组合的专用传感器，这将在下面被更详细地描述，以研究铆接轴承组件。而且，已经示出了铆接轴承组件的结构整体性优选地通过在振动载荷下对其进行检查而被研究。如此，本公开描述了一种非破坏性测试方法，其用于使用在轴承组件中的诱导振动来评估每个具体区域并且用于提供与在微结构和结构整体性方面的局部以及大体积变化相关的信息。

本公开的实施例进一步基于的原理是带有紧接合部、标称尺寸、良好微结构、和弹性性质的组件会表现出对诱导振动的与带有松接合部和不同的合金化和热处理的组件明显不同的响应，在后一组件中存在内部阻尼和额外的共振。缺乏紧接合部，加宽被连接的部件之间的尺寸、裂纹或微结构中的其它缺陷、以及无弹性性质或脆性都指示组件可能易出故障。因此，本公开的目标是使用非破坏性评估技术找到这种组件。

根据本公开，使多个声音传感器与要被测试的轴承组件上的所感兴趣的区域（ROI）接触。多个声音传感器中的第一个使该轴承组件经受频率变化的外部正弦波。多个声音传感器的至少另外两个声音传感器在信号穿过轴承组件并被该至少两个接收传感器接收时接收不同的振动响应模式。图3概念地描述了这种布置，使用一个驱动声音传感器311用正弦波引起在所感兴趣的区域中的振动，图示为物体300，以及使用两个接收声音传感器312、313来接收在经过物体300后的振动响应模式。

如此，部件300通过声音传感器经受不同频率的机械振动，该声音传感器将电正弦波转换为机械波。在一个部分中的振动的模式和频率取决于其几何形状、机械刚性、弹性性质、合金化、热处理、和微结构，如在下面方程1中示出的。共振频率由被连接的部件的尺寸和材料性质决定，根据下面的熟知的公式： f_r ~ SQRT(k/m)（SQRT指的是开平方根）；其中f_r = 共振频率； k = 刚度（弹性性质，例如，杨氏模量）；并且 m = 质量 (尺寸、密度)。由降级的材料性质或尺寸变化，例如裂纹，引起的结构缺陷强度减少会减少刚度并降低共振频率，这可在输出信号上被观察到。另外，应用到物体的驱动频率取决于物体的质量和几何形状。通常，具有相对更高质量的物体以比相对更低质量的物体相对更低的频率驱动。

图4示出了从两组铆接轴承组件得到的典型的共振谱。该谱以两部分给出。部分401示出了在约35kHz和约90kHz之间的频率范围，而部分402示出了在约85kHz和约135kHz之间的频率范围。被充分地夹紧在两个半部之间的被适当组装的分离器部件（由图4的部分411中的四个谱示例说明）将示出相比带有未被适当安装和头处理的铆钉的组件明显不同的响应谱，在后一组件中分离器半部没有被充分夹紧（由部分412中的三个谱示例说明）。如在图4中所示，从适当组装的部件的测试得到的四个谱展示出一致的并且在约60kHz的尖锐定义的共振频率峰值（由箭头420指示），而从未被适当组装的部件的测试得到的三个谱展示了更宽的峰值，该峰值在频率上略微更高，并且还有在约75kHz的第二宽峰值（两个峰值都由箭头430指示）。

在实施例中，多个声音传感器作为声音传感器的分相位阵列被部署在所感兴趣的区域上以进行非破坏性评估。在一个示例中，声音传感器的分相位阵列被用于驱动和接收振动/频率。在另一个示例中，声音传感器的分相位阵列被用于驱动在所感兴趣的区域中的振动并且光学传感器，例如光学干涉仪，被用于在共振频率穿过所感兴趣的区域时接收该共振频率。如在图5中示出的，编号为501-504的四个声音传感器的阵列被提供在物体500上的所感兴趣的区域上方以接收共振频率。另外三个被编号为505-507的声音传感器被提供在物体500的旁边以诱导在物体500中的振动。声音传感器501-504，具有各种构造，可被提供以接收表面声波（说明性地被示出为波511）、纵波（说明性地被示出为波512）、或剪切波（说明性地被示出为波513），以及其它类型的波。如此，分相位阵列中声音传感器501-504中的每一个可被构造成接收不同模式的波。本公开不应该被解读为被限制到分相位阵列中的任何特定数量的传感器，也不被限制到与这种声音传感器的功能有关的任何特定的波模式共振频率。

在另一实施例中，传感器501-504被提供为光学传感器。例如，传感器501-504可被提供为光学干涉仪。使用光学器件，传感器501-504能类似地确定物体500中的共振频率，其由传感器505-507诱导，它们再一次被提供为声音传感器。如所指出的不同模式的波可使用光学传感器以上面指出的相同方式接收。

作为这个测试的一部分，软件算法被用于表征谱区别，例如“Q”，带宽（BW）、峰值频率、中心频率、和在已知的被接受部分和被拒绝部分之间的3dB和6dBBW。这些区别被用于“训练”该系统以基于这些好的和坏的谱筛查硬件。以这种方式，部分可被建立以进行自动化检查。

用于机器铆接轴承的非破坏性评估的示例性方法600被图示为图6中的流程图。方法600开始于基于部分类型和几何形状定义参数的步骤。如将被意识到的，铆接轴承以许多不同的形状和大小被制造。如此，方法包括如下步骤：定义参数，诸如所感兴趣的区域、要被用在分相位阵列中的声音或光学传感器的数量、和被评估的波形（模式）的类型。

示例性方法600继续到步骤602。在步骤602，谱在步骤601中定义的不同设置或参数下被获得。为了获得足够的谱样本大小，多个好的部分（即，没有已知的缺陷或异常的部分）和坏的部分（即，带有已知的缺陷或异常的部分）被提供。这些部分中的每一个此后被使用由事前确定的参数所定义的设置中的每一个被测试。结果是多个共振谱，这些共振谱可经受进一步的分析。

如此，示例性方法600前进到步骤603，以研究在所获得的好的部分和坏的部分的谱内的特征。这里，将指出在被已知为好的的部分和已知为坏的的部分之间的区别。回看图4，如前面讨论的，例如，具有特定大小和类型的全部好的部分都具有在约60kHz处的尖锐定义的峰值，而坏的部分却不是如此，并且还具有在75kHz范围内的额外的宽峰值。

在任何给定部分的谱之间的区别将在视觉或计算机化检查时对本领域技术人员来说明显可见。这种比较，方法600的步骤604，优选地使用计算机化检查来执行，这出于成本和准确性的考虑。本领域已知的的各种软件程序可被采用以分析该谱，进行比较，并确定在好的部分的谱和坏的部分的谱之间发现的区别。

现存参照方法600的步骤605，一个或多个标准被建立以在未来确定一个部分是被认为是好的还是坏的。该标准基于所观察的在已知的好的和坏的部分之间的谱中的区别。例如，一个标准可被建立为在谱上存在或不存在某个被定义的峰值。如果该峰值存在，那么该部分通过该标准。如果峰值不存在，那么该部分没有通过该标准，并且被拒绝。

最后，参照方法600的步骤606，随着更多的部分在执行本发明的方法的过程中被测试，声音传感器测试谱数据可被连续地收集。所提供的额外的数据可被用于更新和细化该标准，如果需要的话。

原则上，根据上面描述的方法和技术，各种声音感测技术可被采用以检测在铆接轴承中的缺陷。不过，通过研究和测试，四种具体的方法已经惊人地被找到以提供优秀的结果。每个这种方法将在下面顺序被阐述。第一种方法包括使用声音传感器用作驱动器和接收器单元。应该指出，多个驱动器和接收器可被采用，以同样的或不同的频率，来产生第二和第三阶谐频。第二种方法是使用声音传感器作为驱动器，并且使用光学传感器作为接收器。在第三种方法中，超声波传感器可被采用，如下面将更具体地讨论的。最后，在第四种方法中，非线性传声效果可被采用。

关于这四种方法，前面给出的公开说明了如何执行这种方法的基本轮廓。进一步，图 7-10说明了用于确定和测试铆接轴承中的所感兴趣的区域的示例性实施例。需指出，图7-10中的参考数字已经相对于图1的被增加， 以具有前缀“7”。如此，图1中的铆钉130在图7-10中被表示为铆钉730， 等等。现在具体参考附图7，四个所感兴趣的区域751-754被确定为用于测试。这些区域对应在分离器半部721、722与铆钉730之间的外部接触点。

具体地，关于图7，超声波传感器，如下面将被更具体地讨论的，已经被发现有益于本文图示的方法。第一超声波传感器781（驱动器）被部署在铆钉730上方，如图7中所示，并且第二超声波传感器782（接收器）被部署在铆钉730下方。如图8中所示，超声波被引起以从第一超声波传感器781传播，通过在铆钉730和分离器半部721、722之间的界面，并且具体来说是通过ROI751-754。第二超声波传感器782接收该波。对其的分析可被根据上面描述的方法执行。

具体来说，本公开的实施例可采用传统的超声波学和分相位阵列超声波学中的任一者或两者。如本领域已知的，用于NDE的传统的超声波换能器通常包括单个主动元件，其既产生又接收高频声波，或者包括两个成对的元件，一个用于发射而一个用于接收（T/R）。这种方法被参照图7-10描述。在替换的实施例中，在另一方面，分相位阵列探测器通常由换能器组件组成，该换能器组件具有从16到256个的一个一个的小元件，这些小元件每一个可被单独地脉冲。这些可被以条（线性阵列）、环（环形阵列）、圆形矩阵（圆形阵列）、或更复杂的形状布置。

换能器频率最常在从2MHz到20MHz的范围内。分相位阵列系统也将包括基于计算机的仪器，该仪器能够驱动多元件探测器、接收并数字化返回的回声、并将该回声信息以不同的标准格式绘制。分相位阵列系统利用波的相位调整物理原理，变化在一系列发出的超声波脉冲之间的时间，使得由阵列中的每个元件产生的各个波前锋彼此组合从而以可预测的方式添加或抵销能量，该可预测的方式有效地控制和成形该声束。这通过在略微不同的时间脉冲各个探测器元件来完成。经常，元件被以4-32个为一组地脉冲从而通过增加孔来改善有效敏感性，这减少了有害的束发散并能实现更尖锐的聚焦。

已知为焦点律计算器的软件建立了具体的延迟时间以激励每组元件从而产生期望的束形状，这考虑了探测器和楔特征以及测试材料的几何形状和声音性能。由仪器的操作软件选择的被编程的脉冲序列此时发射在测试材料中的数个单独的波前锋。这些波前锋进而建设性地和破坏性地组合成单个主波前锋，该主波前锋行进通过测试材料并从裂纹、不连续处、后壁、和其它材料边界处反射，这和任何传统的超声波一样。该束可通过各种角度、焦距和焦点大小被动态地控制，使得单个探测器组件能够在不同的视角范围上检查测试材料。这种束控制发生得非常快，使得从多个角度的或者带有多个焦点深度的扫描可在几分之一秒内被执行。

返回的回声由各种元件或元件组接收并且在需要时进行时移以补偿各种楔延迟并此后进行求和。例如，“C-扫描”是二维数据表示，其被显示为测试构件俯视或平面图，在其图像视角方面类似于x-光图像，其中颜色代表在该测试构件中的映射到其x-y位置的每个点处的闸控信号幅值。利用传统的仪器，单个元件换能器必须在测试构件上以x-y光栅扫描方式被移动。利用分相位阵列系统，探测器通常被物理地沿着一个轴线移动，同时该束沿着另一轴线电子扫描。只要在必须维持扫描图像与部分的精确几何对应时，编码器就将通常被使用，尽管非编码的手动扫描在许多情况下也能提供有用的信息。

图9描述了另一实施例的ROI测试方案。如所示，ROI751是沿着分离器半部721、722和铆钉730之间的内界面的圆形区域。这里，两个传感器，例如超声波传感器，被采用，传感器781是驱动器而传感器782是接收器。图10描述了又一替换实施例的ROI测试方案。如所示，单个传感器781，例如超声波传感器，用来既驱动又接收波，如图中箭头所示。再一次，ROI是在分离器半部721、722和铆钉730之间的界面。

如上面在第四种方法中指出的，在又一替换的实施例中，非线性传声效果可在本文描述的任一测试方案中被采用（在上述的标准传声效果和超声波学（方法1、2和3）的基础上）。在这个实施例中，扫描所感兴趣的区域可被如下地完成，使用非线性超声波驱动器并且使用若干接收器来接收若干多个谐波以分析结构整体性，并由此产生扫描图像。对于非线性传声效果，额外的频率可由结构中存在的任何外部不连续产生。本文公开的NDE方法基于ASTM E2534以及在非线性传声效果方面的已知文献。在其示例性实施方式中，猝发音窄带被用于振动而宽带接收器被用于记录输出。

如此，在本文中公开的是用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法。本文中描述的主题的实施例允许在轴承的寿命评定、制造过程监测、和质量检查和可靠性领域中的广泛应用。制造引入的异常可被快速地观察到并且坏的部分在需要时被拒绝。而且，本文内采用的声音传感器能够监测在在不同的制造条件下制造的以及从现场返回的部分之间的结构整体性。

虽然已经在本发明的前面的具体描述中给出了至少一个示例性实施例，但应当意识到存在大量的变型。还应意识到，一个或多个示例性实施例仅为示例，并且决不是用来限制本发明的范围、应用性、或构造。更确切地说，前面的具体描述将给本领域技术人员提供用于实施本发明的示例性实施例的方便的路线图。应当理解的是，可在示例性实施例中描述的元件的功能和布置方面进行各种改变，而不超出由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法，包括：

确定在机器铆接轴承上的所感兴趣的区域；

将多个声音传感器定位在所感兴趣的区域内，多个声音传感器被以分相位阵列提供；

使用该多个声音传感器诱导在所感兴趣的区域内的振动并使用该多个声音传感器接收共振频谱；以及

将所接收的共振频谱与参考谱比较以确定在所感兴趣的区域内的异常的存在。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所感兴趣的区域包括确定在机器铆接轴承的两个分离器元件之间的铆接区域。

3.如权利要求1所述的方法，其中诱导振动包括诱导振动频率的正弦波。

4.如权利要求1所述的方法，其中接收共振频率包括接收表面声波。

5.如权利要求1所述的方法，其中接收共振频率包括接收纵向波。

6.如权利要求1所述的方法，其中接收共振频率包括接收剪切波。

7.如权利要求1所述的方法，还包括使用该多个声音传感器诱导在参考机器铆接轴承的所感兴趣的区域内的振动并且使用该多个声音传感器接收共振频谱以产生参考谱。

8.一种用于机器铆接轴承的非破坏性评估的方法，包括：

确定在机器铆接轴承上的所感兴趣的区域；

将多个声音传感器定位在所感兴趣的区域内，多个声音传感器被以分相位阵列提供；

将多个光学传感器定位在所感兴趣的区域内，多个光学传感器被以分相位阵列提供；

使用该多个声音传感器诱导在所感兴趣的区域内的振动并使用该多个光学传感器接收共振频谱；以及

将所接收的共振频谱与参考谱比较以确定在所感兴趣的区域内的异常的存在。

9.如权利要求8所述的方法，其中确定所感兴趣的区域包括确定在机器铆接轴承的两个分离器元件之间的铆接区域。

10.如权利要求8所述的方法，其中诱导振动包括诱导振动频率的正弦波。

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