CN107807174B - 一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域，具体公开了一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置。该基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置包括安装板，所述的安装板上可拆连接有驱动模块、弹性波激发模块和弹性波接收模块；所述的安装板包括底板和转轴固定架；所述的弹性波激发模块包括激波器、激波杆和激波头，所述激波杆的一端与激波器连接，另一端与激波头连接；所述的激波头上设有轴套孔；所述的轴套孔内旋转活动连接有轴套；所述的轴套上轴孔。以上所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，在转轴高速转动状态下，实现了准确、持续的宽频带弹性波激发，为转轴裂纹的准确检测奠定了基础。

Description

一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置。

背景技术

在工程实践中，转轴是常见的用来传播能量的运动部件，特别是在发电、汽车、航空航天、现代制造等领域，对旋转非均一轴的研究一直以来未曾间断。对于转轴内部的裂纹等缺陷的检测也是一个重要的研究方向，特别是一些不便于停机检测的设备，需要在旋转状态下对转轴的内部缺陷进行无损检测。现有的检测方式通过测量转轴高速转动时的振动参数，分析判断出转轴内部是否存在裂纹缺陷。这种检测方式具有不足之处，首先转轴的振动具有不确定性，与转轴的形状、尺寸误差、安装精度等都有关系，很难准确判断出转轴的内部情况。另外由于转轴的高速转动，无法直接对转轴进行测量；通常采用间接测量的方式，即通过测量轴承或轴承座的振动间接获得转轴的振动参数，间接测量获得的振动参数的准确性也无法得到保证，进一步降低了检测结果的可靠性。

弹性波检测是一种新兴的对旋转中的转轴进行裂纹检测的方法，振动以弹性波的形式在转轴中传播，由于弹性波的传播特性受到材料物理属性以及检测对象的几何形状和内部缺陷等因素的影响，通过分析弹性波在转轴中的传播情况，即可获知转轴的内部是否存在裂纹缺陷。与现有的其他检测方法相比，弹性波检测通过分析弹性波在激发时和通过转轴之后的变化，来分析弹性波在转轴中的传播情况，弹性波的信号源可控，检测的准确性更好。转轴的弹性波检测技术上主要有两个难点，即弹性波的激发和测量。由于转轴的高速转动，传统的弹性波激发装置无法直接使用。目前常用的方式为人工敲击传动轴激发弹性波，但是这种方式不仅敲击点和敲击力度完全取决于敲击者的主观意志和专业技能水平，具有很大的不确定性，并且弹性波的振幅和频率无法准确获得，影响检测结果的准确性；而且在高速旋转状态下敲击转轴也有可能发生事故，对设备和操作人员造成伤害。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，在转轴高速转动状态下，实现了准确、持续的宽频带弹性波激发，为转轴裂纹的准确检测奠定了基础。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，包括安装板，所述的安装板上可拆连接有驱动模块、弹性波激发模块和弹性波接收模块；所述的安装板包括底板和至少两个转轴固定架，所述的驱动模块和转轴固定架依次沿安装板的长度方向分布；所述的弹性波激发模块位于安装板的一侧；所述的弹性波激发模块包括激波器、激波杆和激波头，所述激波杆的一端与激波器连接，另一端与激波头连接；所述的激波头上设有中心线与激波杆的轴向相互垂直并平行于安装板长度方向的轴套孔；所述的轴套孔内旋转活动连接有轴套；所述的轴套上设有中心线与轴套孔的中心线重合的轴孔。

所述的安装板上可拆连接有驱动模块、弹性波激发模块和弹性波接收模块；所述的安装板包括底板和至少两个转轴固定架，所述的转轴固定架用于固定待测转轴，驱动装置用于驱动转轴高速旋转，依次来模拟出工程中高速旋转的转轴。弹性波激发模块位于安装板的一侧，激发弹性波并通过转轴传递到弹性波接收模块，通过比对分析输入和输出的弹性波特性，来判断转轴的内部是否存在裂纹缺陷。

所述的弹性波激发模块包括激波器、激波杆和激波头，激波器产生弹性波，并通过激波杆和激波头传递至待测转轴；所述的激波头上设有中心线与激波杆的轴向相互垂直的轴套孔，所述的轴套孔内旋转活动连接有轴套；所述的轴套上设有中心线与轴套孔的中心线重合的轴孔；待测转轴穿过轴孔，且轴套随待测转轴同步转动，轴套与转轴之间为过渡配合，激振器的力通过轴套最终作用在转轴上。与现有人工敲击的方式相比，使用该激波装置有效的避免了人工敲击可能存在的安全风险，通过激波头和轴套的连接，并且有效的保证每次激振的激振力大小、位置保持一致，激振力可以均匀的施加在待测转轴上，从而确保激发出可控、稳定、持续的弹性波信号。

另外，由于激波器上产生的弹性波信号在经过激波杆传递至转轴时，弹性波的振动频率会发生改变，如果将弹性波直接作用在转轴上，将导致作用在转轴上的弹性波频率不确定，影响最终的检测结果；而在激波头和转轴之间设置轴套，轴套与转轴过渡配合，弹性波经过轴套时，振动频率发生改变，最终输出的振动频率与轴套的材料和形状等相关，并且无论输入的振动频率为多大，最终的输出频率均保持在一定的范围内，即轴套的固有频率附近。该弹性波激发装置激发的弹性波，振幅由激波器的激发力大小决定，而振动频率取决于轴套的材质、形状等参数，很好的保证了最终作用在转轴上的弹性波的振幅、频率等参数准确可控，从而提高检测精度。

作为优选，所述轴套的外表面设有润滑槽，所述的激波头上设有连通激波头的外表面和润滑槽的油孔。在运行时，润滑油通过油孔进入润滑槽，并进一步分布在激波头和轴套之间，减小激波头与轴套之间滑动的阻力，提高检测效果和设备的使用寿命。

作为优选，所述的激波杆包括第一激波杆和第二激波杆，所述的第一激波杆和第二激波杆之间设有长度调节装置。不同类型的激振器在相同的力输出时，由于具体不同的磁滞效应，具有不同的初始位置；同一个激振器，在输出不同频率的激振力时，也会有不同的初始位置。长度调节装置的设置可以满足不同频率和激波器的有效连接，确保激振力的顺利传递。

作为优选，所述的长度调节装置包括沿轴向设置在第一激波杆一端的插接孔，及设置在第二激波杆上并与插接孔对应的连接柱；所述的第一激波杆和第二激波杆通过插接孔和连接柱连接，并在连接处设有卡紧装置。

作为优选，所述的弹性波激发模块还包括用于控制激波器工作的控制模块，及与控制模块电连接的力传感器；所述的力传感器设置在激波杆和激波头之间，或者串接在激波杆上。进行裂纹检测时，激振器存在不按程序输出激振力的情况；力传感器用于对激波杆上传递的力进行测量，并反馈至控制模块；控制模块将测量值与预设值进行比较，并根据测量值与预设值之间的差异对激波器发出相应的控制信号，调整输出力至于预设值相等，确保弹性波激发装置所激发的弹性波与预设值相同；力传感器的信号也同时作为弹性波信号测量的触发信号，当力传感器输出值与预设值相等时，开始进行弹性波信号的采集。在进行安装时，调整激波杆的长度，当力传感器有信号输出时，即代表长度合适，停止调节激波杆的长度并锁紧卡紧装置。

作为优选，所述的轴套由铜合金、铝合金、钢材或橡胶制成。不同材料制成的铜套可以获得不同频率范围的弹性波，从而适应不同转轴或不同实际需求的检测。

作为优选，所述的安装板上设有若干沿长度方向分布的安装孔，所述的驱动模块和转轴固定架分别通过安装孔与安装板连接。根据待测转轴的实际长度，灵活的调节驱动模块和转轴固定架的安装位置，适应性更好。

作为优选，所述的安装板上连接有至少三个与安装孔连接的安装基座，所述的驱动模块和转轴固定架分别通过相应的安装基座与安装板连接；根据待测转轴的实际长度，调节安装基座相对于安装板的安装位置，实现驱动装置和转轴固定架相对于安装板安装位置的初步调节。所述的安装基座上设有长条形的调节槽，所述调节槽的长度方向平行于安装板的长度方向。由于相邻安装孔之间的间隙较大，无法实现精确调节；驱动装置和转轴安装座可以沿安装槽的长度方向进行相对运动，以此来完成驱动装置和转轴固定架安装位置的精确调节。

作为优选，所述的驱动模块包括驱动电机，所述驱动电机的输出端连接有至少两组联轴器，两组所述的联轴器之间设有增速器。工程实践中，转轴的转速可以高达数万转每分钟，甚至数十万转每分钟。在研究弹性波在转轴中传播特性或者用弹性波进行裂纹检测时，也需要让转轴达到此转速，以提高数据的真实性。工程上通常采用交流电机加变频器的方式来实现转速调节，但采用该方式实现数万转速精确调节的成本很高；伺服电机也具有很好的调速功能，但是市场上主流伺服电机只能实现低转速前提下的稳定调速。增速器的设置能有效的解决伺服电机转速低的缺点，实现低成本前提下的高转速精确调节。

作为优选，所述安装板上与弹性波激发模块连接的一侧设有至少两个安装位，每一所述的安装位包括若干连接孔，所述的弹性波激发模块通过连接孔与安装板连接。在实际的使用过程中，转轴通常会有大端和小端，即以阶梯轴的形式存在，激振后的弹性波大端到小端，或者小端到大端，其传播特性是否相同也需要通过实验来验证。使用时，弹性波激发模块可以在两个安装位进行安装，分别进行激震可以激振，以此来开展对比实验。安装位靠近其中的一个转轴固定架设置，而弹性波接收模块设置在远离弹性波激发模块的转轴固定架上。

附图说明

图1为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置的结构示意图；

图2为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置中安装板的结构示意图；；

图3为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置中A处的局部放大图；

图4为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置中弹性波激发装置的结构示意图；

图5为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置中弹性波激发装置的剖视图；

图6为本实施例基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置中激波头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，包括安装板，所述的安装板上可拆连接有驱动模块1、弹性波激发模块2和弹性波接收模块4。所述的安装板包括底板和至少两个转轴固定架52，所述的转轴固定架52用于固定待测转轴3，驱动装置用于驱动转轴高速旋转，依次来模拟出工程中高速旋转的转轴。所述的驱动模块1和转轴固定架52依次沿安装板5的长度方向分布。所述的弹性波激发模块2位于安装板5的一侧，激发弹性波并通过转轴传递到弹性波接收模块4，通过比对分析输入和输出的弹性波特性，来判断转轴的内部是否存在裂纹缺陷。

如图3所示，所述的驱动模块1包括驱动电机12，所述驱动电机12的输出端连接有至少两组联轴器13，两组所述的联轴器13之间设有增速器11。工程实践中，转轴的转速可以高达数万转每分钟，甚至数十万转每分钟。在研究弹性波在转轴中传播特性或者用弹性波进行裂纹检测时，也需要让转轴达到此转速，以提高数据的真实性。工程上通常采用交流电机加变频器的方式来实现转速调节，但采用该方式实现数万转速精确调节的成本很高；伺服电机也具有很好的调速功能，但是市场上主流伺服电机只能实现低转速前提下的稳定调速。增速器11的设置能有效的解决伺服电机转速低的缺点，实现低成本前提下的高转速精确调节。

进一步的，如图2所示，所述的安装板5上设有若干沿长度方向分布的安装孔53，所述的驱动模块1和转轴固定架52分别通过安装孔53与安装板5连接。根据待测转轴3的实际长度，灵活的调节驱动模块1和转轴固定架52的安装位置，适应性更好。所述的安装板上连接有至少三个与安装孔53连接的安装基座54，所述的驱动模块1和转轴固定架52分别通过相应的安装基座54与安装板5连接；根据待测转轴3的实际长度，调节安装基座54相对于安装板5的安装位置，实现驱动装置和转轴固定架52相对于安装板5安装位置的初步调节。所述的安装基座54上设有长条形的调节槽541，所述调节槽541的长度方向平行于安装板5的长度方向。由于相邻安装孔53之间的间隙较大，无法实现精确调节；驱动装置和转轴安装座可以沿安装槽541的长度方向进行相对运动，以此来完成驱动装置和转轴固定架52安装位置的精确调节。

如图2所示，所述安装板5上与弹性波激发模块2连接的一侧设有至少两个安装位51，每一所述的安装位51包括若干连接孔511，所述的弹性波激发模块2通过连接孔511与安装板5连接。在实际的使用过程中，转轴通常会有大端和小端，即以阶梯轴的形式存在，激振后的弹性波大端到小端，或者小端到大端，其传播特性是否相同也需要通过实验来验证。使用时，弹性波激发模块2可以在两个安装位51进行安装，分别进行激震可以激振，以此来开展对比实验。安装位51靠近其中的一个转轴固定架52设置，而弹性波接收模块4设置在远离弹性波激发模块2的转轴固定架52上。

更进一步的，如图4和图5所示，所述的弹性波激发模块2包括激波器21、激波杆22和激波头23，激波器21产生弹性波，并通过激波杆22和激波头23传递至待测转轴3。所述的激波头23上设有中心线与激波杆22的轴向相互垂直的轴套25孔，所述的轴套25孔内旋转活动连接有轴套25。为了获得不同频率范围的弹性波，从而适应不同转轴或不同实际需求的检测，所述的轴套25可以由铜合金、铝合金、钢材或橡胶等材料制作。所述的轴套25上设有中心线与轴套25孔的中心线重合的轴孔26。如图6所示，所述轴套25的外表面设有润滑槽251，所述的激波头23上设有连通激波头23的外表面和润滑槽251的油孔231。在运行时，润滑油通过油孔231进入润滑槽251，并进一步分布在激波头23和轴套25之间，减小激波头23与轴套25之间滑动的阻力，提高检测效果和设备的使用寿命。

待测转轴3穿过轴孔26，且轴套25随待测转轴3同步转动，轴套25与转轴之间为过渡配合，激振器的力通过轴套25最终作用在转轴上。与现有人工敲击的方式相比，使用该激波装置有效的避免了人工敲击可能存在的安全风险。通过激波头23和轴套25的连接，有效的保证每次激振的激振力大小、位置保持一致，激振力可以均匀的施加在待测转轴3上，从而确保激发出可控、稳定、持续的弹性波信号。

另外，由于激波器21上产生的弹性波信号在经过激波杆22传递至转轴时，弹性波的振动频率会发生改变，如果将弹性波直接作用在转轴上，将导致作用在转轴上的弹性波频率不确定，影响最终的检测结果。而在激波头23和转轴之间设置轴套25，轴套25与转轴过渡配合，弹性波经过轴套25时，振动频率发生改变，最终输出的振动频率与轴套25的材料和形状等相关，并且无论输入的振动频率为多大，最终的输出频率均保持在一定的范围内，即轴套25的固有频率附近。该弹性波激发装置激发的弹性波，振幅由激波器21的激发力大小决定，而振动频率取决于轴套25的材质、形状等参数，很好的保证了最终作用在转轴上的弹性波的振幅、频率等参数准确可控，从而提高检测精度。

进一步的，如图5所示，所述的激波杆22包括第一激波杆221和第二激波杆223，所述的第一激波杆221和第二激波杆223之间设有长度调节装置。不同类型的激振器在相同的力输出时，由于具体不同的磁滞效应，具有不同的初始位置。同一个激振器，在输出不同频率的激振力时，也会有不同的初始位置。长度调节装置的设置可以满足不同频率和激波器21的有效连接，确保激振力的顺利传递。所述的长度调节装置包括沿轴向设置在第一激波杆221一端的插接孔225，及设置在第二激波杆223上并与插接孔225对应的连接柱224。所述的第一激波杆221和第二激波杆223通过插接孔225和连接柱224连接，并在连接处设有卡紧装置222。

进一步的，如图5所示，所述的弹性波激发模块2还包括用于控制激波器21工作的控制模块，及与控制模块电连接的力传感器24；所述的力传感器24设置在激波杆22和激波头23之间，或者串接在激波杆22上。进行裂纹检测时，激振器存在不按程序输出激振力的情况；力传感器24用于对激波杆22上传递的力进行测量，并反馈至控制模块；控制模块将测量值与预设值进行比较，并根据测量值与预设值之间的差异对激波器21发出相应的控制信号，调整输出力至于预设值相等，确保弹性波激发装置所激发的弹性波与预设值相同；力传感器24的信号也同时作为弹性波信号测量的触发信号，当力传感器24输出值与预设值相等时，开始进行弹性波信号的采集。在进行安装时，调整激波杆22的长度，当力传感器24有信号输出时，即代表长度合适，停止调节激波杆22的长度并锁紧卡紧装置222。

以上所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，在转轴高速转动状态下，实现了准确、持续的宽频带弹性波激发，为转轴裂纹的准确检测奠定了基础。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：包括安装板（5），所述的安装板（5）上可拆连接有驱动模块（1）、弹性波激发模块（2）和弹性波接收模块（4）；所述的安装板（5）包括底板和至少两个转轴固定架（52），所述的驱动模块（1）和转轴固定架（52）依次沿安装板（5）的长度方向分布；所述的弹性波激发模块（2）位于安装板（5）的一侧；所述的弹性波激发模块（2）包括激波器（21）、激波杆（22）和激波头（23），所述激波杆（22）的一端与激波器（21）连接，另一端与激波头（23）连接；所述的激波头（23）上设有中心线与激波杆（22）的轴向相互垂直并平行于安装板（5）长度方向的轴套（25）孔；所述的轴套（25）孔内旋转活动连接有轴套（25）；所述的轴套（25）上设有中心线与轴套（25）孔的中心线重合的轴孔（26）。

2.根据权利要求1所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述轴套（25）的外表面设有润滑槽（251），所述的激波头（23）上设有连通激波头（23）的外表面和润滑槽（251）的油孔（231）。

3.根据权利要求1或2所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的激波杆（22）包括第一激波杆（221）和第二激波杆（223），所述的第一激波杆（221）和第二激波杆（223）之间设有长度调节装置。

4.根据权利要求3所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的长度调节装置包括沿轴向设置在第一激波杆（221）一端的插接孔（225），及设置在第二激波杆（223）上并与插接孔（225）对应的连接柱（224）；所述的第一激波杆（221）和第二激波杆（223）通过连插接孔（225）和连接柱（224）连接，并在连接处设有卡紧装置（222）。

5.根据权利要求1或2或4所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的弹性波激发模块（2）还包括用于控制激波器（21）工作的控制模块，及与控制模块电连接的力传感器（24）；所述的力传感器（24）设置在激波杆（22）和激波头（23）之间，或者串接在激波杆（22）上。

6.根据权利要求5所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的轴套（25）由铜合金、铝合金、钢材或橡胶制成。

7.根据权利要求1或2或4或6所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的安装板（5）上设有若干沿长度方向分布的安装孔（53），所述的驱动模块（1）和转轴固定架（52）分别通过安装孔（53）与安装板（5）连接。

8.根据权利要求7所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的安装板（5）上连接有至少三个与安装孔（53）连接的安装基座（54），所述的驱动模块（1）和转轴固定架（52）分别通过相应的安装基座（54）与安装板（5）连接；所述的安装基座（54）上设有长条形的调节槽（541），所述调节槽（541）的长度方向平行于安装板（5）的长度方向。

9.根据权利要求8所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述的驱动模块（1）包括驱动电机（12），所述驱动电机（12）的输出端连接有至少两组联轴器（13），两组所述的联轴器（13）之间设有增速器（11）。

10.根据权利要求1或2或4或6或8或9所述的基于弹性波检测的旋转主轴裂纹检测装置，其特征在于：所述安装板（5）上与弹性波激发模块（2）连接的一侧设有至少两个安装位（51），每一所述的安装位（51）包括若干连接孔（511），所述的弹性波激发模块（2）通过连接孔（511）与安装板（5）连接。

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