CN103808805A - 一种滚柱轴承内外滚道残余应力的超声无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚柱轴承内外滚道周向与轴向残余应力的超声无损检测方法，超声纵波通过一次波形转换在滚柱轴承内外滚道中形成临界折射纵波，测出临界折射纵波在滚柱轴承内外滚道中传播的时间，由声弹性理论便可计算出相应的滚柱轴承内外滚道的平均周向与轴向残余应力。而且通过改变超声纵波的频率还可以测出不同深度下的滚柱轴承内外滚道的周向与轴向残余应力分布。该技术发明可以有效地解决快速便捷准确地检测滚动轴承内外圈滚道的残余应力分布问题，非常适合轴承生产现场、维修维护现场广泛使用，是一种在狭小空间内检测曲面构件残余应力分布的新方法，具有非常广泛的应用。

Description

一种滚柱轴承内外滚道残余应力的超声无损检测方法

一、技术领域

本发明涉及一种滚柱轴承内外滚道残余应力的超声无损检测方法，该方法利用超声临界折射纵波来检测滚柱轴承内外圈滚道内一定深度的轴向和周向残余应力及其分布。

二、背景技术

轴承在加工过程中或者加工后的表面处理过程中，由于受到不均匀的应力场、温度场和组织变化等使得滚柱轴承内外管道保留有一定的残余应力，这种残余应力对轴承的可靠性与寿命有很大的影响，特别是对轴承的抗腐蚀能力以及疲劳寿命影响很大。残余应力还会导致应力集中进而形成轴承上的早期裂纹，影响轴承的使用寿命及使用安全，例如，高速动车的滚动轴承、航空飞机发动机上的滚动轴承、大型发电机、风机等，由于承载载荷非常大，而且转速高，轴承内部的残余应力很可能会导致轴承的破损，从而引发非常严重的事故，造成极大的损失，因此轴承内部残余应力的检测十分重要。

现有的残余应力检测方法主要是小孔法、X射线衍射法、电磁法、中子衍射法和超声无损检测方法，其中小孔法对对零件表面有破坏作用，只能用于抽检，不能批量检查；X射线对人体有伤害且其渗透深度小、中子衍射法对人体的伤害也很严重，不仅要求特殊保护环境，而且检测设备复杂，无法用于轴承内外滚到残余应力的检测；电磁方法目前还不能定量检测残余应力，而且受到被检测部件剩磁程度的影响。

超声无损检测方法因其使用灵活方便、适合现场使用、对人体无害、可以量化检测残余应力，因此，受到广泛关注。本发明采用超声临界折射纵波来检测滚柱轴承内外滚道的周向与轴向残余应力，可以无损地对滚柱轴承内外滚道的周向与轴向残余应力进行快速批量检测而且给出残余应力的分布，对于轴承内外圈滚道的质量检测、疲劳寿命评估、生产质量检验等都具有非常重要的理论和现实意义。

经过查询专利检索与服务系统和相关公开文献，目前还没有发现类似的采用超声无损检测方法检测滚柱轴承内外滚道周向与轴向残余应力公开的论文、发明专利或专有技术。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种滚柱轴承内外滚道周向与轴向残余应力的超声无损检测方法，解决了滚柱轴承内外滚道周向与轴向残余应力分布的快速无损批量检测问题，而且方法具有可重复性。

本发明是依据Snell定律在滚柱轴承内外滚道表面激发临界折射纵波来检测滚道内轴向和周向残余应力的。针对不同类型的滚柱轴承内外滚道形状和材料设计不同的声束角度的声楔块，在声楔块的两端安装某一频率的超声换能器，通过两个超声换能器激发与接收超声波的时间差得出滚柱轴承内外滚道上临界折射纵波传播的时间，由声弹性理论得出滚柱轴承内外滚道表层内的平均周向或轴向残余应力。通过改变超声波频率，可以检测出滚柱轴承内外滚道表层不同深度的平均周向与轴向残余应力。由重复检测可以对结果的精确性进行分析。

四、附图说明

图1是圆柱滚子轴承剖面图；

图2是圆柱滚子轴承内滚道轴向残余应力检测的原理示意图（剖面图）；

图3是圆柱滚子轴承外滚道轴向残余应力检测的原理示意图（剖面图）；

图4是圆柱滚子轴承内滚道周向残余应力检测的原理示意图（剖面图）；

图5是圆柱滚子轴承外滚道周向残余应力检测的原理示意图（剖面图）。

附图标记说明如下：

图1：圆柱滚子轴承外圈1、圆柱滚子2、圆柱滚子轴承内圈3

图2：圆柱滚子轴承外圈1、超声换能器4、声楔块5

图3：圆柱滚子轴承内圈3、超声换能器4、声楔块5

图4：圆柱滚子轴承外圈1、超声换能器4、声楔块5

图5：圆柱滚子轴承内圈3、超声换能器4、声楔块5

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

这里以圆柱滚子轴承为例来对超声无损检测滚柱轴承内外滚道残余应力的方法进行说明。由图1可知，圆柱滚子轴承主要由圆柱滚子轴承外圈1、圆柱滚子2和圆柱滚子轴承内圈3组成，其中圆柱滚子轴承外圈1有内滚道，圆柱滚子轴承内圈3由外滚道。此方法既可以检测滚柱轴承内外滚道的周向残余应力，也可以检测滚柱轴承内外滚道的轴向残余应力。

1.声楔块5的制作原理

根据图2、图3、图4、图5可知，对于滚柱轴承内外滚道轴向残余应力与周向残余应力检测的声楔块5的设计要使超声波在滚柱轴承内外滚道中传播时为临界折射纵波。根据Snell定律，要在滚柱轴承内外滚道中激发出超声临界折射纵波，需经过一次波形转换，当超声换能器4激发出超声信号后，通过耦合剂可以在声楔块5与滚柱轴承内外滚道处发生波形转换。

由图2、图3知，对于滚柱轴承内外滚道轴向残余应力检测，临界折射纵波入射角度的计算公式如下：

θ_cr＝arcsin(V₀·V_l ^-1)

由图4、图5知，对于滚柱轴承内外滚道周向残余应力检测，临界折射纵波入射波与竖直线夹角的计算公式如下：

θ＝arcsin(V0·V_l ^-1)±arcsin(L·D^-1）

其中，滚柱轴承内滚道取“-”，滚柱轴承外滚道取“+”；

θ_cr为临界折射纵波入射角度(°），θ为临界折射纵波入射波与竖直线的夹角(°）；

V₀，V_l分别为声楔块5中的超声纵波声速(m/s)，滚柱轴承内外滚道中的超声纵波声速(m/s)；

L为临界折射纵波入射点与出射点的距离(m)，D为滚柱轴承内外滚道的直径(m)。

根据上述两式，测出V₀和V_l，便可以得到滚柱轴承内外滚道轴向残余应力检测的临界折射纵波入射角度，再测出L和D的值，便可得到滚柱轴承内外滚道周向残余应力检测的临界折射纵波入射波与竖直线的夹角。

由图2、图3、图4、图5可以看出，声楔块5的设计不仅要有合适的超声波入射角，还要使其下表面做的与不同类型滚柱轴承外圈内滚道的曲面相吻合。而且对于同一轴承，其周向残余应力与轴向残余应力检测的声楔块5的设计一般不同，尤其是声楔块5的下表面。

2.滚柱轴承内外滚道周向残余应力与轴向残余应力检测原理

由声弹性理论可知：超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向一致或相反时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用超声临界折射纵波检测滚柱轴承内外滚道周向与轴向的残余应力。

对于滚柱轴承内外滚道轴向残余应力检测，其轴向残余应力求解公式如下：

$\mathrm{\σ}=\frac{2V_0}{\mathrm{kL}}(t-t_0)$

对于滚柱轴承内外滚道周向残余应力检测，其周向残余应力求解公式如下：

其中，滚柱轴承内滚道取“+”，滚柱轴承外滚道取“-”；

σ是被测滚柱轴承滚道中残余应力值(MPa)；

V₀是零应力条件下滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波的传播速度（m/s）；

t₀是零应力条件下滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波的传播时间（s）；

t是被测滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波的传播时间（s）；

k是被测滚珠轴承的声弹性系数（ns/m²）；

L是被测滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波轴向传播的距离（m）；

s是被测滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波周向传播的弧长（m）；

r是被测滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波周向传播的弧长的曲率半径（m）；

是被测滚柱轴承内外滚道中临界折射纵波周向传播的弧长所对应的圆心角（rad）；

D是被测滚柱轴承内外滚道的直径（m）；

F为超声换能器4的中心频率（MHz）；

α为渗透深度修正系数，无量纲，与材料有关。

所以通过对滚柱轴承内外滚道进行零应力标定，可以得到t₀和k的值，然后根据图2、图3、图4、图5中的方法测出声时t，再分别按照公式需要测出V₀、L、D、

的值，查出α、F的值，便可以根据上述两个公式便可以算出滚柱轴承内外滚道轴向残余应与周向残余应力的值。

改变临界折射纵波传播的距离还可以检测不同长度下的滚柱轴承内外滚道对应的平均周向或轴向残余应力大小与分布。

3.对滚柱轴承内外滚道不同深度的残余应力的检测

根据声弹性理论，临界折射纵波在滚柱轴承内外滚道的渗透深度是超声激发频率的函数，频率越低渗透深度越深，一般为1个波长左右。

所以可以通过改变超声波频率来检测不同深度下滚柱轴承内外滚道的平均周向与轴向残余应力值。

Claims (8)

1.一种滚柱轴承内外滚道残余应力的超声无损检测的方法，其特征在于：针对不同类型滚柱轴承的内外滚道，设计不同声束角度的声楔块，将某一频率的超声换能器安装在声楔块的两端，其中一个超声换能器用来激发超声波，另一个用来接收超声波，通过发射与接受超声波的时间差得出滚柱轴承内外滚道上临界折射纵波传播的时间，便可以根据声弹性理论计算出滚柱轴承内外滚道的平均残余应力。

2.根据权利要求1所述的不同类型滚柱轴承的内外滚道，其特征在于：主要可以分为圆锥滚子轴承的内外滚道、圆柱滚子轴承的内外滚道等类型。

3.根据权利要求1所述的残余应力，其特征在于：既可以是滚柱轴承内外滚道的周向残余应力，也可以是滚柱轴承内外滚道的轴向残余应力。

4.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：其设计要遵照Snell定律，调整楔块中入射波的角度，使得入射波经过耦合剂进行波形转换进入滚柱轴承内外滚道时为临界折射纵波。

5.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：在设计时需要与滚柱轴承内外滚道有较好的耦合，故楔块底面要做成与滚柱轴承内外滚道相吻合的曲面。

6.根据权利要求1所述的声楔块，其特征在于：声楔块的制作材料有很多种，可以是有机玻璃、铜等。

7.根据权利要求1所述的超声波，其特征在于：可以通过调节超声波的频率，可以检测滚柱轴承内外滚道不同深度的残余应力的大小与分布。

8.根据权利要求1中所述的两个超声换能器，其特征在于：通过改变两超声换能器的位置便可以检测滚柱轴承内外滚道不同长度下的残余应力的大小与分布。

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