CN108020269A - 一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，由电动缸、试验台底座、连接套、压力传感器、测距挡片、压头、工件、V型支承、支承加强座、声发射传感器、位移传感器、应变片、激光位移传感器、带孔夹板、轴向定位座等组成。本实验装置中，电动缸推杆经过压力传感器与连接套，通过压头作用在工件上，工件由V型支承固定在试验台上，声发射传感器、位移传感器、应变片、压力传感器分别测量工件弯曲变形时的声发射信号、弯曲变形量、应变以及电动缸输出压力。该装置可研究不同加载位置、加载速度、加载行程以及不同材料、长度、直径、压支点组合、热处理工序等因素对工件声发射信号的影响规律。

Description

一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置

技术领域

本发明属于轴类零件无损检测领域，具体涉及一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置。

背景技术

轴类零件作为重要的传动零件在工业中被广泛使用，在加工、装配和使用过程中有较高的直线度要求。然而，轴类零件通常需要进行热处理工序，在热处理工序完成后，工件往往会发生弯曲变形。为了减少废品数量，提高成品率，轴类零件在热处理之后都要实行校直修正。目前，广泛使用的是三点弯校直工艺。但由于材料不均匀和热处理的不稳定性引起的工件差异，自动校直时，工件常常会因为过量校直而产生裂纹甚至断裂现象，为了避免这种现象的发生，需要采用一种无损检测手段来实时检测工件在弯曲校直过程中的裂纹以及断裂，以指导后续校直下压过程。

声发射技术是动态无损检测方法之一，它与其他无损检测技术不同，声发射传感器接收的能量来自于被测物体的内部。这种检测技术具有明显的优势，它可以记录裂纹的萌发与扩展过程，而且声发射信号对几何形状不敏感，适用于检测其他方法受限制的形状复杂的构件。此外，可提供活性缺陷随之间变化的实时信息，适用于工业过程在线监控及早期预报。

将声发射检测技术应用于三点弯校直工艺中，可实时检测加工全过程，一旦出现裂纹就第一时间反馈给设备，设备根据声发射信号自动剔除裂纹品；另外，方便集成在加工设备上，提高设备的附加值；便于工序整合，节省工厂成本投入，提高生产自动化的水平；也可通过多个声发射传感器定位裂纹位置。

因此，研究三点弯校直过程中声发射信号与工件弯曲载荷、应变、弯曲变形以及工件材料、长度、直径、压支点组合、热处理等因素的内在联系和变化规律，具有很高的必要性和研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，由电动缸、电动缸座体、试验台底座、连接套I、压力传感器、连接套II、直线轴承、直线轴承座、测距挡片、平面压头、工件、V型支承、支承加强座、声发射传感器、接触式位移传感器、应变片、激光位移传感器、激光位移传感器安装板、带孔夹板、轴向定位座等组成。主要可分为加载系统、支承系统以及测量系统三部分。

所述的加载系统中，电动缸通过螺钉固定在电动缸座体的侧面上，电动缸座体通过螺钉固定在试验台底座上，由于电动缸座体受到较大的轴向力作用，在电动缸座体上设有加强肋。为了能够调整不同的加载位置，在试验台底座上设置一排等间距的螺纹孔。电动缸推杆直接套在连接套I的内孔中，连接套I的另一侧通过内螺纹与压力传感器相连接，压力传感器的另一侧与连接套II通过螺纹连接。连接套II安装在直线轴承上，直线轴承通过螺钉固定在直线轴承座上，直线轴承座通过螺钉固定在试验台底座上，同样地，为了与电动缸保持相同的轴线位置，在直线轴承座上也设置一排等间距的螺纹孔。连接套II通过螺纹连接的方式固定平面压头，为了减小测量过程的噪声，平面压头的前端面粘上橡胶垫后与工件直接接触，为工件施加载荷，另一侧通过螺钉固定测距挡片。

所述的支承系统中，工件固定在2个V型支承上，每个V型支承的中间开有三个圆槽，在圆槽内放置3块圆柱形磁铁，并用结构胶粘接。当工件放入V型支承时，可以快速地将工件吸附在V型支承中央。V型支承通过螺栓和螺母与两个支承加强座连接，加强座与试验台底座之间用螺钉连接，由于V型支承和支承加强座会受到较大的压力作用，所以在支承加强座上设置了加强筋。为了改变支点之间的距离，同样地，在试验台底座的支承加强座位置上设置一排等间距的螺纹孔。

所述的测量系统中，应变片贴在工件的表面不同位置，通过应变传感器获得应变数据。声发射传感器固定在工件的两个端面，并且涂上声发射耦合剂，声发射传感器采用胶带与工件轴固定，该种固定方式既保证了接触面积，又减小了声发射信号的衰减。多个接触式位移传感器穿过带孔夹板，其测头与工件表面接触，并且通过垫片调整带孔夹板的高度使接触式位移传感器与工件轴线平齐，以保证测量数据的准确性，位移传感器的尾部由轴向固定板进行轴向定位，轴向固定板与试验台底座之间采用螺钉连接。轴向固定板与带孔夹板的上端面均开有螺钉孔，用螺钉将位移传感器进行固定，防止位移传感器在测量过程中因为间隙发生晃动。为了调整位移传感器在工件轴线方向的位置，在试验台底座的轴向固定板与带孔夹板处均设置一排螺纹孔。为了测量平面压头的实际行程，将激光位移传感器通过螺栓与螺母固定在安装板上，安装板通过螺钉固定在带孔夹板上。激光位移传感器将激光打在测距挡板上，实现平面压头实际行程的测量。

整个实验测试系统的工作流程为：将工件安放在两个V型支承的中央，由磁铁快速吸附工件完成工件的固定；由工控机通过程序发出脉冲信号控制电动缸的加载速度和加载行程，当压头接触到工件(即压力传感器有输出信号)时，高频采集卡通过声发射传感器采集声发射信号，低频采集卡通过接触式位移传感器、应变传感器和激光位移传感器采集工件弯曲变形、工件表面应变和平面压头行程信号。当工件发生断裂(即压力传感器输出信号大幅度减小)时，由程序控制电动缸推杆停止前进，同时各采集卡停止采集数据。由采集得到的数据可以定位声发射源的位置、判断损伤类型以及评价损伤程度，同时，可以分析声发射信号与工件材料、尺寸、应变、弯曲变形量以及加载压力、行程与加载位置等因素的关系。

本发明的优势在于：可测量工件在三点弯过程中的压力、位移、应变及声发射信号等多种信号，探究其裂纹萌生、扩展及断裂过程的信号变化规律和内在关系。并且可通过研究不同的加载位置、加载速度、加载行程以及材料、尺寸、热处理工序等因素对声发射信号的影响。该装置可用于高碳钢、合金钢以及铸铁材料的三点弯校直工艺损伤原理与断裂预测。整个装置结构紧凑、加载平稳、制造工艺简单、适用范围广、自动化程度高，可供高校、研究所等科研单位进行声发射技术的原理性研究。

附图说明

图1为本发明整体轴测图

图2为本发明加载系统局部示意图

图3为本发明V型支承局部示意图

图4为硬件系统架构图

图5为工作流程图

图中：1为电动缸，2为试验台底座，3为螺钉，4为电动缸座体，5为螺钉，6为连接套I，7为压力传感器，8为连接套II，9为直线轴承，10为直线轴承轴承座，11为螺钉，12为平面压头，13为测距挡片，14为螺栓，15为激光位移传感器，16为应变片，17为V型支承，18为声发射传感器，19为工件，20为支承加强座，21为螺母，22为激光位移传感器安装板，23为螺母，24为螺钉，25为接触式位移传感器，26为螺钉，27为带孔夹板，28为螺钉，29为螺钉，30为螺钉，31为螺钉，32为轴向定位座，33为磁铁，34为螺钉，35螺钉，36为螺栓。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细的描述：

参照图1-3，本发明的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，由电动缸(1)、电动缸座体(4)、试验台底座(2)、连接套I(6)、压力传感器(7)、连接套II(8)、直线轴承(9)、直线轴承座(10)、测距挡片(13)、平面压头(12)、工件(19)、V型支承(17)、支承加强座(20)、声发射传感器(18)、接触式位移传感器(25)、应变片(16)、激光位移传感器(15)、激光位移传感器安装板(26)、带孔夹板(27)、轴向定位座(32)等组成。主要可分为加载系统、支承系统以及测量系统三部分。

所述的加载系统中，电动缸(1)通过螺钉(3)固定在电动缸座体(4)的侧面上，电动缸座体(4)通过螺钉(3)固定在试验台底座(2)上。电动缸推杆(1)直接套在连接套I(6)的内孔中，连接套I(6)的另一侧通过螺纹与压力传感器(7)相连接，压力传感器(7)的另一侧与连接套II(8)通过螺纹连接。连接套II(8)安装在直线轴承(9)上，直线轴承(9)通过螺钉(11)固定在直线轴承座(10)上，直线轴承座(10)通过螺钉(35)固定在试验台底座(2)上。连接套II(8)的通过螺纹连接的方式固定平面压头(12)，平面压头(12)的前端面粘上橡胶垫后与工件接触，为工件施加载荷，平面压头(12)另一侧通过螺钉(34)固定测距挡片(13)。

所述的支承系统中，工件固定在2个V型支承(17)上，V型支承(17)的圆槽内放置3块圆柱形磁铁(33)，并用结构胶粘接。工件(19)通过圆柱形磁铁(33)固定在V型支承中，V型支承通过螺栓(36)和螺母(23)与两个支承加强座(20)连接，支承加强座(20)与试验台底座(2)之间用螺钉(24)连接。

所述的测量系统中，应变片(16)贴在工件(19)的表面不同位置，通过应变传感器获得应变数据。声发射传感器(18)固定在工件(19)的两个端面，并且涂上声发射耦合剂，声发射传感器采用胶带与工件轴(19)固定。多个接触式位移传感器(25)穿过带孔夹板(27)，其测头与工件(19)表面接触，并且通过垫片调整带孔夹板(27)的高度使接触式位移传感器(25)与工件(19)轴线平齐，以保证测量数据的准确性，接触式位移传感器(25)的尾部由轴向定位座(32)进行轴向定位，轴向定位座(32)与试验台底座(2)之间采用螺钉(31)连接。在轴向固定板(32)与带孔夹板(27)上用螺钉(29-30)将位移传感器进行固定。激光位移传感器(15)通过螺栓(14)与螺母(21)固定在激光位移传感器安装板(22)上，激光位移传感器安装板(22)通过螺钉(26)固定在带孔夹板(27)上。激光位移传感器(15)将激光打在测距挡板(13)上，实现平面压头实际行程的测量。

整个实验测试系统的工作流程为：将工件(19)安放在两个V型支承(17)的中央，由磁铁(33)快速吸附工件完成工件(19)的固定；由工控机通过程序发出脉冲信号控制电动缸(1)的加载速度和加载行程，当压头(11)接触到工件(19)(即压力传感器有输出信号)时，高频采集卡通过声发射传感器(18)采集声发射信号，低频采集卡通过接触式位移传感器(25)、应变传感器(16)和激光位移传感器(15)采集工件(19)弯曲变形、工件表面应变和平面压头行程信号。当工件(19)发生断裂(即压力传感器输出信号大幅度减小)时，由程序控制电动缸(1)推杆停止前进，同时各采集卡停止采集数据。由采集得到的数据可以定位声发射源的位置、判断损伤类型以及评价损伤程度，同时，可以分析声发射信号与工件材料、尺寸、应变、弯曲变形量以及加载压力、行程与加载位置等因素的关系。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的科研人员和工程技术人员能够了解本发明的内容并据此实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，主要由电动缸(1)、电动缸座体(4)、试验台底座(2)、连接套I(6)、压力传感器(7)、连接套II(8)、直线轴承(9)、直线轴承座(10)、测距挡片(13)、平面压头(12)、工件(19)、V型支承(17)、支承加强座(20)、声发射传感器(18)、接触式位移传感器(25)、应变片(16)、激光位移传感器(15)、激光位移传感器安装板(22)、带孔夹板(27)、轴向定位座(32)等组成，其特征在于：工作时，电动缸在程序控制下，输出行程与推力，经过连接套(6、8)与压力传感器(7)，通过平面压头作用在工件上，工件发生弯曲变形，压力传感器、激光传感器分别测量压头的压力与行程；声发射传感器、应变片、接触式位移传感器分别测量工件的声发射信号、应变以及弯曲变形量。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，其特征在于：V型支承(17)中内嵌3个磁铁(33)，磁铁(33)等距分布，可以保证工件吸附在V型支承上，并且工件中心线与V型支承中心线平齐，磁铁与V型支承用结构胶进行粘接，V型支承通过支承加强座(20)固定在试验台底座上。

3.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，其特征在于：压力传感器以螺纹连接的方式，通过连接套I(6)、连接套II(8)与电动缸推杆(1)、平面压头(12)相连，既能完成电动缸载荷与行程的传递，又能完成推力的实时测量。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，其特征在于：平面压头(12)前端面为平面，保证与工件接触形式为线接触，压头后端面与测距挡片通过螺钉(34)连接。

5.根据权利要求1或3所述的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，其特征在于：连接套II(8)与通过直线轴承(9)与直线轴承座(10)相连，既可以起到支承作用，又可以将平面压头产生的偏载弯矩传递到直线轴承座上，避免对压力传感器测量产生影响。

6.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件弯曲裂纹与断裂检测的声发射测试装置，其特征在于：声发射传感器(18)固定在工件(19)的两端面，并且涂上声发射耦合剂，声发射传感器采用胶带与工件轴(19)固定。该种固定方式既保证了接触面积，又减小了声发射信号的衰减。