CN107402255B - 一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统 - Google Patents

一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风机主轴表面缺陷超声在线检测系统，该系统包括计算机、路由器、超声激励接收设备、多路选通器、压电传感器阵列。其中，压电传感器阵列布置于主轴端面，用于检测主轴表面缺陷；计算机通过路由器和向超声激励接收设备发送检测指令，超声激励接收设备控制多路选通器依次选通、激励压电传感器阵列中的压电阵元，并接收来自压电阵元的回波信号，然后将回波信号通过无线方式经路由器回传至计算机，实现检测。本发明解决了风机主轴表面缺陷在线检测问题，实现了针对主轴表面缺陷无线、远程超声阵列检测。

Description

一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统
技术领域
本发明涉及在线检测系统，尤其涉及一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，属于无损检测领域。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的关注。随着风力发电的大规模普及，风机及其零部件运行状态直接关系国民生产的安全和利益。风机中主轴为旋转式运动，主轴是主要的受力部件，由于长时间的工作产生疲劳性缺陷和磨损锈蚀的情况不可避免。因此对这类结构的安全检测不仅有助于预防安全事故的发生，也可以避免不必要的经济损失。
风机的主轴是通过轴承固定于机舱连接于轮毂仓和齿轮箱之间，一同安装在塔架上。风机安装完成后一般很难再次进入到主轴所在部位进行缺陷检测；加之主轴是安装在轮毂和轴套(或轴承等)中，其在接触部位产生的缺陷不能直接进行接触式检测。如要对其主轴进行检测，目前只能在风机停机状态，由检测人员爬上塔架，进入风机轮毂仓在主轴端面利用纵波直探头进行扫查，或是将主轴从风机上拆卸下来进行检测。但是一旦完成风机在塔架的安装，其停机或拆卸几乎很难实现，耗时耗力，检测成本非常巨大。所以时至今日风机——特别是大型风机——主轴的在线原位检测都无法得到很好的实施。为确保风机的安全使用，保障国民生产安全，把安全隐患降到最低，研究无需人员靠近风机主轴的缺陷在线检测系统是非常必要和紧迫的。
风机的轴类基本上处于完全封闭的状态，只有端面可以通过简单的拆卸暴露在外，而且此类工件容易出现缺陷的地方离端面一般较远，主要集中在压装部位，相对主轴而言属于表面缺陷。要对其进行检测，超声波无疑是最合适也是最有效的检测方法。超声波无损检测技术对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋深、性质等参量较其他无损检测方法有综合优势。主要表现为：检测能力强，对人体和制件以及周围环境无害。
当前对风电设施轴类检测系统的研究相对较少，尚未出现针对风机主轴在线检测的系统。现有技术中，公开号：CN102331454A，名称：变直径不可拆卸主轴原位超声成像检测方法及检测装置，该发明专利公开了一种检测装置，该装置包括超声发射仪、超声探头、超声信号采集卡、CCD工业摄像机及计算机。但该发明未涉及主轴的在线检测，亦未涉及阵列检测方式，该装置仍需人工参与扫查缺陷。
因此，现有技术中缺乏一种针对风电主轴的在线检测系统，既不影响风机正常工作，又能够解决风机主轴缺陷检测问题，并根据实际测试环境，便于实施远程检测。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，将压电阵元按一定方式排列成压电传感器阵列固定于主轴端面用于检测主轴表面缺陷，通过无线方式实现风机主轴表面缺陷的远程检测，避免检测员进入轮毂仓进行扫查作业，在解决主轴原位检测问题的同时降低检测成本，从而实现该类构件在线检测。
为了实现上述目的，本发明所述一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，该系统包括服务器、路由器、超声激励接收设备、多路选通器、压电传感器阵列。所述超声激励接收设备与多路选通器双向连接；所述多路选通器与压电传感器阵列双向连接；所述服务器和路由器通过网线连接；所述超声激励接收设备与路由器通过无线网络传输信号；
所述超声激励接收设备、多路选通器、压电传感器阵列布置于风机轮毂仓内部，所述路由器和服务器布置与风机外部，距离轮毂仓300m范围内；
所述服务器负责发送检测指令以及存储、处理、显示回波数据；检测指令为增益、通道总数的控制；
所述路由器负责计算机与超声激励接收设备无线通讯，传递服务器向超声激励接收设备下达的检测指令以及回传超声激励接收设备采集到的回波数据；
所述超声激励接收设备由微处理单元、无线远程收发模块、发射接收模块、电源模块组成。所述的微处理单元分别与无线远程收发模块、发射接收模块双向连接；所述电源模块分别与微处理单元、发射接收模块、无线远程收发模块连接；所述电源模块输入来源于风机所提供的直流电源；
所述多路选通器由译码电路和多通道继电器组成；多路选通器接收来自超声激励接收设备输出的八位二进制编码信号，第1通道编码为：00000001，第10通道编码为：00001010，以此类推；经译码电路译码后控制对应通道的继电器导通，为超声激励接收设备与压电传感器阵列中相应的压电阵元提供电气通路。所述多路选通器支持1～256通道的选通；
所述压电传感器阵列由多个压电阵元组成，压电阵元的数量为1～256；固定于主轴端面用于向风机主轴表面缺陷辐射超声波，并接收来自于主轴表面缺陷的回波信号；
一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，该系统的工作流程按以下步骤进行：
步骤一、由服务器发送检测指令，检测指令通过服务器与路由器间的网线传输到达路由器后，路由器按照预先设定的IP地址和端口号将检测指令向超声激励接收设备中的无线远程收发模块发送；
步骤二、超声激励接收设备中的无线远程收发模块接收到检测指令后，将检测指令传输给微处理单元，微处理单元根据检测指令中的总通道数按照先后顺序从第1通道号开始向多路选通器发送二进制编码信号，延时0.5～1s，同时微处理单元将检测指令的增益值发送给发射接收模块；
步骤三、多路选通器在步骤二延时期间，将接收到的二进制编码信号通过译码电路选通对应通道号的继电器导通；
步骤四、超声激励接收设备中的微处理单元控制发射接收模块发射高压脉冲，通过多路选通器选通的通道施加到压电传感器阵列中相应压电阵元，并同时接收该压电阵元的回波信号；
步骤五、超声激励接收设备中发射接收模块将接收到的回波信号按照增益值放大后进行采集，并将数据传送给微处理单元；
步骤六、超声激励接收设备中微处理单元将接收到的数据通过无线远程收发模块按照预先设定的IP地址和端口号向路由器发送回波信号数据，同时超声激励接收设备中的微处理单元向多路选通器发送下一个通道的二进制编码信号，并延时0.5～1s；
步骤七、路由器将接收到的回波信号数据上传至服务器，服务器存储该回波信号数据；
步骤八、重复上述步骤三～步骤七，直至完成检测指令中全部通道总数的检测及数据存储，结束本次检测。
与现有技术相比较，本发明具有效果是：
1.本发明利用压电传感器阵列辐射的超声波实现主轴表面缺陷的在线检测，检测可在风机运行过程中实现电子式缺陷扫查，无需检测人员进入风机轮毂仓进行检测，大大降低了检测成本，并提高了检测效率；
2.本发明采用无线方式进行检测数据的传输，无需占用风力发电机组中有限的电气接口及数据传输电缆，检测过程可通过服务器远程控制实施。
3.针对风机运行过程中主轴运行质量不受监控情况，该系统解决了风机主轴在线原位检测问题。
附图说明
图1是一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统的结构示意图；
图2是本发明超声激励接收设备的结构示意图；
图3是本发明多路选通器的结构示意图；
图4是一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统的工作流程图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统作进一步的说明。本实施例中采用的主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统的结构示意图如图1所示，为检测主轴表面缺陷，经计算得到所需压电传感器阵列应包含25个压电阵元，将多路选通器的1～25通道分别连接至压电传感器阵列中25个压电阵元。
如图1所示，本发明所述一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，包括服务器1、路由器2、超声激励接收设备3、多路选通器4、压电传感器阵列5。将超声激励接收设备3与多路选通器4通过双向电缆线连接；将多路选通器4与压电传感器阵列5通过双向电缆线连接；将服务器1和路由器2通过网线连接；超声激励接收设备3与路由器2通过无线网络传输信号；
将超声激励接收设备3、多路选通器4、压电传感器阵列5布置于风机轮毂仓的内部。路由器2和服务器1布置于风机外部，距离轮毂仓100m位置；
服务器1负责发送检测指令：增益＝35dB，通道总数＝25，然后进行存储、处理、显示回波数据；
路由器2负责服务器1与超声激励接收设备3无线通讯，传递服务器1向超声激励接收设备3下达的检测指令以及回传超声激励接收设备3采集到的回波数据；
超声激励接收设备3由微处理单元、无线远程收发模块、发射接收模块、电源模块组成，如图2所示。所述的微处理单元分别与无线远程收发模块、发射接收模块双向连接；所述电源模块分别与微处理单元、发射接收模块、无线远程收发模块连接；所述电源模块输入来源于风机所提供的直流电源+24V；
多路选通器4由译码电路和25通道继电器组成，如图3所示。多路选通器4接收来自超声激励接收设备3输出的八位二进制编码信号，1～25通道对应二进制编码分别为：00000001～00011001；经译码电路译码后控制对应通道的继电器导通，为超声激励接收设备3与压电传感器阵列5中相的压电阵元6提供电气通路。
压电传感器阵列5由25个压电阵元6组成，固定于主轴7端面用于向风机主轴7表面缺陷辐射超声波，并接收来自于主轴7表面缺陷的回波信号；
该系统工作流程按以下步骤进行，如图4所示：
步骤一、由服务器1发送检测指令，检测指令通过服务器1与路由器2间的网线传输到达路由器后，路由器2按照预先设定的IP地址(10.10.100.254)和端口号(1234)将检测指令向超声激励接收设备3中的无线远程收发模块发送；
步骤二、超声激励接收设备3中的无线远程收发模块接收到检测指令后，将检测指令传输给微处理单元，微处理单元根据检测指令中的总通道数按照先后顺序从第1通道号开始向多路选通器4发送二进制编码信号，1～25通道对应二进制编码分别为：00000001～00011001；延时0.5s，同时微处理单元将检测指令的增益值35dB发送给发射接收模块；
步骤三、多路选通器4在步骤二延时0.5s期间，将接收到的二进制编码信号通过译码电路选通对应通道号的继电器导通；
步骤四、超声激励接收设备3中的微处理单元控制发射接收模块发射高压脉冲，通过选通的通道施加到压电传感器阵列5中相应压电阵元，并同时接收该压电阵元6的回波信号；
步骤五、超声激励接收设备3中发射接收模块将接收到的回波信号放大35dB后采集，并将数据传送给微处理单元；
步骤六、超声激励接收设备3中微处理单元将接收到的数据通过无线远程收发模块按照预先设定的IP(10.10.100.254)地址和端口号(8899)向路由器2发送回波信号数据，同时超声激励接收设备3中的微处理单元向多路选通器4发送第2通道的二进制编码(00000010)，并延时0.5s；
步骤七、路由器2将接收到的回波信号数据上传至服务器1，服务器1存储该回波信号数据；
步骤八、重复上述步骤三～步骤七，直至完成25个通道的检测及数据存储，结束本次检测。

Claims (3)

1.一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，其特征在于：该系统包括服务器、路由器、超声激励接收设备、多路选通器、压电传感器阵列；所述超声激励接收设备与多路选通器双向连接；所述多路选通器与压电传感器阵列双向连接；所述服务器和路由器通过网线连接；所述超声激励接收设备与路由器通过无线网络传输信号；
所述超声激励接收设备、多路选通器、压电传感器阵列布置于风机轮毂仓内部，所述路由器和服务器布置与风机外部，距离轮毂仓300m范围内；
所述服务器负责发送检测指令以及存储、处理、显示回波数据；检测指令为增益、通道总数的控制；
所述路由器负责计算机与超声激励接收设备无线通讯，传递服务器向超声激励接收设备下达的检测指令以及回传超声激励接收设备采集到的回波数据；
所述超声激励接收设备由微处理单元、无线远程收发模块、发射接收模块、电源模块组成；所述的微处理单元分别与无线远程收发模块、发射接收模块双向连接；所述电源模块分别与微处理单元、发射接收模块、无线远程收发模块连接；所述电源模块输入来源于风机所提供的直流电源；
该系统的工作流程按以下步骤进行：
步骤一、由服务器发送检测指令，检测指令通过服务器与路由器间的网线传输到达路由器后，路由器按照预先设定的IP地址和端口号将检测指令向超声激励接收设备中的无线远程收发模块发送；
步骤二、超声激励接收设备中的无线远程收发模块接收到检测指令后，将检测指令传输给微处理单元，微处理单元根据检测指令中的总通道数按照先后顺序从第1通道号开始向多路选通器发送二进制编码信号，延时0.5～1s，同时微处理单元将检测指令的增益值发送给发射接收模块；
步骤三、多路选通器在步骤二延时期间，将接收到的二进制编码信号通过译码电路选通对应通道号的继电器导通；
步骤四、超声激励接收设备中的微处理单元控制发射接收模块发射高压脉冲，通过多路选通器选通的通道施加到压电传感器阵列中相应压电阵元，并同时接收该压电阵元的回波信号；
步骤五、超声激励接收设备中发射接收模块将接收到的回波信号按照增益值放大后进行采集，并将数据传送给微处理单元；
步骤六、超声激励接收设备中微处理单元将接收到的数据通过无线远程收发模块按照预先设定的IP地址和端口号向路由器发送回波信号数据，同时超声激励接收设备中的微处理单元向多路选通器发送下一个通道的二进制编码信号，并延时0.5～1s；
步骤七、路由器将接收到的回波信号数据上传至服务器，服务器存储该回波信号数据；
步骤八、重复上述步骤三～步骤七，直至完成检测指令中全部通道总数的检测及数据存储，结束本次检测。
2.根据权利要求1所述的一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，其特征在于：所述多路选通器由译码电路和多通道继电器组成；多路选通器接收来自超声激励接收设备输出的八位二进制编码信号，第1通道编码为：00000001，第10通道编码为：00001010，以此类推；经译码电路译码后控制对应通道的继电器导通，为超声激励接收设备与压电传感器阵列中相应的压电阵元提供电气通路；所述多路选通器支持1～256通道的选通。
3.根据权利要求1所述的一种风机主轴表面缺陷超声阵列在线检测系统，其特征在于：所述压电传感器阵列由多个压电阵元组成，压电阵元的数量为1～256；固定于主轴端面用于向风机主轴表面缺陷辐射超声波，并接收来自于主轴表面缺陷的回波信号。
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