CN111751031B - 一种动态机械构件服役应力的超声测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动态机械构件服役应力的超声测试装置及测试方法，所述装置包括：超声探头、耦合流体、保压罩、万向轮；所述保压罩垂直放置于被检构件的被检位置上方，内部注满耦合流体，底部为所述耦合流体可渗透的结构以在所述被检位置与所述保压罩底部形成耦合流体膜，在保压罩的外壁装有至少3个万向轮，顶部装配所述超声探头；所述超声探头下部的探测部分伸入所述保压罩的耦合流体内，与所述保压罩底部垂直且无接触设置。在所述构件运动过程中，通过所述万向轮维持所述超声探头与所述被检构件间的距离不变，实现一种动态机械构件服役应力的超声测试。

Description

一种动态机械构件服役应力的超声测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及对机械服役应力的测试技术领域，特别是指一种对动态机械构件服役应力的超声测试装置及测试方法。
背景技术
通常情况下超声检测的被检测构件处于静止状态，此时能够对其服役应力状态进行测试。实际工程如机床主轴、飞轮、转盘、高铁轮对、高铁钢轨动态、运动杆件等，不仅需要研究其静态状态下的应力状态，还需要讨论其运动状态下的应力状态，得到运动状态下的服役应力能够帮助判断被检测构件的稳定性、安全性等，具有极重要的工程应用意义。
根据不同的耦合方式，超声检测分为接触法和非接触法。接触法检测的探头直接接触被检测构件表面，在探头和被检测构件表面使用专用耦合剂进行耦合。非接触法检测的探头和被检测构件不直接接触，以流体作为探头和被检测构件之间的耦合剂。相比接触法，采用非接触法的探头和试件并不直接接触，因此超声波的发射和接触均较稳定，检测过程中受表面粗糙度影响更小，便于调节探头角度，探头不直接接触表面也不易损坏探头，方便进行自动测试。
结合以上优点，考虑到运动的构件采用接触法容易对探头造成损坏，同时无法保证表面耦合效果，很难基于接触法进行超声检测，提出采用非接触法的动态机械构件服役应力非接触流体耦合超声纵波测试方法。
专利文献CN105158342，名称为一种超声水浸无损评价残余应力的方法，提供了一种超声水浸无损评价残余应力的方法。利用超声纵波对静止的被检测构件进行检测，使用水作为耦合剂，能够使探头快速灵活移动。专利文献CN107328860，名称为一种试样表面残余应力的无损检测方法，提供了一种液浸式非接触聚焦换能器激发表面波对残余应力进行检测的方法。
以上两种方法均未考虑到被检测构件的运动状态测试，因此需要一种针对相对运动构件服役应力测试的方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种动态机械构件服役应力的超声测试装置及使用方法，常见于高速旋转的车轴或机床主轴、飞轮、转盘、高铁轮对、高铁钢轨动态、运动杆件等进行测试的方法，解决对于运动构件的服役应力测试问题。
本发明第一方面提供了一种动态机械构件服役应力的超声测试装置。其包括：超声探头、耦合流体、保压罩、万向轮；
所述保压罩垂直放置于被检构件的被检位置上方，内部注满耦合流体，底部为所述耦合流体可渗透的结构以在所述被检位置与所述保压罩底部形成耦合流体膜，在保压罩的外壁装有至少3个万向轮，顶部装配所述超声探头；
所述超声探头下部的探测部分伸入所述保压罩的耦合流体内，与所述保压罩底部垂直且无接触设置。
由上，所述保压罩的底部结构可以让所述耦合流体渗透到所述保压罩和所述被检构件之间，形成一层耦合流体膜，所述耦合流体从所述耦合流体膜边缘向外均匀流出，此时所述耦合流体内的压力达到稳定状态，所述耦合流体膜包裹住所述被检构件的被检位置，在所述被检构件运动时，所述耦合流体膜保护所述被检构件与所述保压罩不会有接触碰撞和摩擦，实现对运动构件的无损检测。
由上，所述超声探头向被检构件发出超声波，通过耦合流体传播至所述被检构件的被检位置并进入所述被检构件内部；所述被检构件内部临界折射出来超声回波，所述超声探头检测超声回波；所述被检构件的内部应力影响所述超声回波的波形参数。
其中，在所述保压罩顶部具有耦合流体入口，用于将所述耦合流体加压注入所述保压罩内，使所述耦合流体入口处的所述耦合流体的流量和压力，均大于所述耦合流体膜流出的流量和压力，增大所述保压罩内所述耦合流体密度；
由上，超声波在耦合流体介质中的衰减系数和耦合流体的密度相关，耦合流体的密度，衰减系数越小。通过所述耦合流体入口增大所述保压罩内所述耦合流体密度，降低所述耦合流体的衰减，提高超声信号传输的信噪比，获得更加清晰的超声收发信号，提高检测的灵敏度。
其中，在所述耦合流体入口具有耦合流体压力检测装置，可以检测所述耦合流体注入压力，通过控制所述耦合流体注入压力，控制所述保压罩内的所述耦合流体密度。
由上，在一些对比测试中如零应力标定的测试中，可以通过控制所述耦合流体注入压力，保持所述保压罩内的所述耦合流体密度不变，提高测试的准确性。
其中，各所述万向轮到被测构件表面距离相同，所述被检构件作水平方向和圆周方向运动时，所述万向轮能够水平三百六十度旋转，保障所述保压罩和所述被检构件之间形成的所述耦合流体膜保持相同厚度；
由上，在被检构件运动时，所述万向轮通过维持所述耦合流体膜厚度不变，保障了所述超声探头和被检测构件之间的距离保持不变，超声波传播的损耗不变，实现了对运动的所述被检构件的稳定的测试。
其中，所述保压罩底部曲率与被检构件的被检位置曲率匹配。
由上，所述保压罩底部曲率与被检构件的被检位置曲率匹配，保证了所述保压罩底部与所述被检构件的被检位置通过所述耦合流体膜均匀可靠接触，提高了测试的准确性。
其中，所述装置还包括有检测耦合流体温度的温度传感器。
由上，所述耦合流体的温度会影响超声波传播速度，影响所述超声回波的时延波形参数，影响所述被检构件服役应力测试的准确性，维持稳定的所述耦合流体温度是准确测试环境必要条件之一。
其中，所述耦合流体是气体或液体。
由上，所述耦合流体用于耦合和隔离所述被检构件和所述超声探头，实现所述被检构件无接触式检测，可根据不同的测试需求，选择合适的流体，可以选择液体也可以选择气体。
基于超声回波的波形参数可以计算所检构件的服役应力，计算过程在外部控制设备完成，不属于本发明的装置，不再赘述。
本发明提供的装置，通过所述耦合流体耦合所述超声探头和所述被检构件，通过所述耦合流体入口向所述保压罩加压注入耦合流体，增大所述保压罩内的耦合流体密度，提高了测试灵敏度，结合所述万向轮保持所述耦合流体膜的厚度不变，从而保持所述被检构件与所述超声探头间距离不变，最终实现了动态构件服役应力的稳定的准确的无损的检测。
本发明第二方面提供了一种动态机械构件服役应力的测试方法，具体步骤如下：
所述动态机械构件服役应力的超声测试装置放置于被检构件的被检位置上方，向超声测试装置内加压注入耦合流体；
所述被检构件按照测试要求相对被检构件移动或转动；
控制所述超声探头发出超声波，及对超声回波进行采集。
其中，所述测试前还包括零应力标定步骤，包括：
制作与所述被检构件的被检测位置的材料、表面粗糙度和曲率相同的基准零应力试块，并对所述基准零应力试块去除内部应力；
将所述超声测试装置放置于所述基准零应力试块上方，向超声测试装置内加压注入耦合流体；记录超声测试装置内部耦合流体压力和温度；
至少一次控制所述超声探头发出超声波，及对超声回波进行采集，完成零应力标定；
对所述被检构件进行动态机械构件服役应力的超声测试时，使超声测试装置内部耦合流体压力和温度与所述零应力标定步骤时相同。
由上，所述零应力标定把所述超声回波参数简化为只与被测构件服役应力有关系，与所述耦合流体的材料和高度、所述耦合流体膜的厚度、被检构件的材料的关系都简化为常数系数，基于所述超声回波参数就可以计算所述构件服役应力。
所述零应力标定的计算外部控制设备完成，不属于本发明内容，不再赘述。
附图说明
图1为本发明测试装置的结构图；
图2为本发明测试方法的流程图。
符号说明
超声探头10，保压罩20，万向轮21，耦合流体入口22，耦合流体23，耦合流体膜30，被检构件40，水平方向41，圆周方向42
具体实施方式
本发明提供一种动态机械构件服役应力的测试装置及方法，实现动态构件服役应力的无接触的无损的准确的稳定的超声检测。
为了叙述清楚，对关键的术语进行解释。
1、应力：物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力；单位面积上的内力称为应力。
2、超声波：一种频率高于20khz的声波，波长比一般声波要短，方向性好，折射能力强，易于获得较集中的声能，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。
3、零应力标定：物体内部的服役应力与超声波被物体内部的折射出来的超声回波的波形参数有关系，同时还与物体材料、超声探头与物体间耦合流体有关。通过给零应力的试块加确定应力，根据测试结果把超声回波的波形参数与物体材料、耦合流体相关的关系都修正为常数系数，把超声回波的波形参数简化为与服役应力的单一关系，这种方法叫做零应力标定。
下面参照附图所示实施例，对本发明的装置及方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种动态机械构件服役应测试装置，该装置包括：超声探头10、耦合流体23、保压罩20、万向轮21。
保压罩20垂直放置于被检构件40的被检位置上方，内部注满耦合流体23，耦合流体23可以是液体或气体，本实施例中使用液体，保压罩20底部的可渗透结构以在所述被检位置与保压罩20底部形成耦合流体膜30，保压罩20的外壁装有至少3个万向轮21，本实施例中使用4个万向轮21，保压罩20顶部装配超声探头10。
超声探头10下部的探测部分伸入保压罩20的耦合流体23内，与保压罩20底部垂直且无接触设置，顶部有连线连接外部控制设备。
由上，保压罩20的底部的可渗透结构，可以让耦合流体23渗透到保压罩20和被检构件40之间，形成一层耦合流体膜30，耦合流体膜30包裹住被检构件40的被检位置，在被检构件40运动时，耦合流体膜30保护被检构件40与保压罩20不会有接触碰撞和摩擦，实现对运动构件的无损检测。
其中，保压罩20底部曲率与被检构件40的被检位置曲率匹配，无论本实施例被检构件40的被检位置沿水平方向41水平移动还是按绕轴向的圆周方向42旋转时，均保证了保压罩20底部与被检构件40的被检位置通过耦合流体膜30均匀可靠接触，提高了测试的准确性。
其中，保压罩20装配有耦合流体入口22，加压注入耦合流体23，使耦合流体入口22处耦合流体23流入的流量大于耦合流体膜30流出的流量，增大保压罩20内耦合流体23密度，降低耦合流体23的衰减，提高超声信号传输的信噪比，获得更加清晰的超声收发信号，提高检测的灵敏度。
其中，保压罩20的耦合流体入口22有压力检测装置，可以检测耦合流体23注入压力，通过控制耦合流体23注入压力，在测试过程中维持保压罩20内的耦合流体23密度不变，提高测试的准确性。
其中，本实施例的4个万向轮21到被测构件表面距离相同，被检构件40作水平方向41和圆周方向42运动时，万向轮21能够水平三百六十度旋转，保障保压罩20和被检构件40之间形成的耦合流体膜30保持相同厚度；在被检构件40运动时，万向轮21通过维持耦合流体膜30厚度不变，保障了超声探头10和被检测构件之间的距离保持不变，超声波传播的损耗不变，实现了对运动的被检构件40的稳定测试。
由上，超声探头10在所述外部控制设备部的控制下向被检构件40发出超声波，通过耦合流体23传播至被检构件40的被检位置并进入被检构件40内部；被检构件40内部临界折射出来超声回波，超声探头10检测超声回波，并发送给所述外部控制设备；被检构件40的内部应力影响所述超声回波的波形参数。
因为本实施例使用液体作为耦合流体23，超声探头10具有较好的长期防水性能，同时超声探头10的连接线也有良好的防水处理，保证探头在液体中长期正常、稳定工作。
其中，本实施例超声探头10装置还装配有温度传感器，耦合流体23的温度会影响超声波传播速度，影响所述超声回波的时延波形参数，影响被检构件40的服役应力测试的准确性，维持稳定的耦合流体23的温度是准确测试环境必要条件之一。
基于超声回波的波形参数可以计算所检构件的服役应力，上述整体计算过程在所述外部控制设备完成，不属于本实施例的装置，不再赘述。
本发明提供的装置，通过耦合流体23耦合超声探头10和被检构件40，通过耦合流体入口22向保压罩20加压注入耦合流体23，增大保压罩20内的耦合流体23的密度，提高了测试灵敏度，结合万向轮21保持耦合流体膜30的厚度不变，从而保持被检构件40与超声探头10间距离不变，最终实现了动态构件服役应力的稳定的准确的无损的超声测试。
下面根据图1所示的装置，结合图2对本实施例提供了动态机械构件服役应力的超声测试方法进行详细说明，具体步骤如下：
S110、基于被检构件40制作基准零应力试块，所述基准零应力试块与被检构件40的被检测位置的材料和表面粗糙度相同、曲率匹配，所述基准零应力试块通过退火去除内部应力；
S120、所述基准零应力试块放置于保压罩20下方，保压罩20覆盖待检测位置，通过保压罩20的耦合流体入口22加压注入耦合流体23；
S130、超声探头10发出超声波，在外部控制设备的显示屏上观测超声回波图形，如果所述超声回波图形不清晰，调节保压罩20的耦合流体入口22的压力，直到能观测到清晰的所述超声回波的图形，所述外部控制设备记录此时所述超声回波的波形参数，记录测试环境参数，至少包括耦合流体入口22的耦合流体压力和耦合流体23温度；
S140、在与S130所述记录环境参数相同的测试环境下，给所述基准零应力试块加应力，完成零应力标定。进行零应力标定需要的测试轮数和每轮次数的测试，不同轮次加不同的应力，每次测试时所述外部控制设备均记录所述超声回波的波形参数；
S150、用运动的被检构件40代替基准零应力试块，测试环境参数与S130所述记录环境参数相同；
S160、被检构件40按照测试要求静止或水平运动或绕水平轴向旋转，所述超声探头10在所述外部控制设备控制下发出超声波，所述外部控制设备记录此时所述超声回波的波形参数。
其中，所述零应力标定把所述超声回波参数简化为只与被测构件服役应力有关系，与耦合流体23的材料和高度、耦合流体膜30的厚度、被检构件40的材料的关系都简化为常数系数，从而可以计算被检构件40的内部的服役应力。
所述零应力标定的功能在外部控制设备完成，不属于本实施例装置内容，不再赘述。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种动态机械构件服役应力的超声测试装置，其特征在于，包括：超声探头、耦合流体、保压罩、万向轮；
所述保压罩垂直放置于被检构件的被检位置上方，内部注满耦合流体，底部为所述耦合流体可渗透的结构以在所述被检位置与所述保压罩底部形成耦合流体膜，顶部装配所述超声探头和用于加压的耦合流体入口；
在保压罩的外壁装有至少3个到被测构件表面距离相同的万向轮，用于在被检构件运动时通过维持所述耦合流体膜厚度不变，使所述超声探头和被检测构件之间的距离保持不变，从而使超声波传播的损耗不变，实现了对运动的所述被检构件的稳定的测试；
所述超声探头下部的探测部分伸入所述保压罩的耦合流体内，与所述保压罩底部垂直且无接触设置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：在所述耦合流体入口具有耦合流体压力检测装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保压罩底部曲率与被检构件的被检位置曲率匹配。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合流体是气体或液体。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括有检测耦合流体温度的温度传感器。
6.一种动态机械构件服役应力的超声测试方法，其特征在于，包括：
将权利要求1～5任一所述动态机械构件服役应力的超声测试装置放置于被检构件的被检位置上方，向超声测试装置内加压注入耦合流体；
所述被检构件按照测试要求相对被检构件移动或转动；
控制所述超声探头发出超声波，及对超声回波进行采集。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述测试前还包括零应力标定步骤，包括：
制作与所述被检构件的被检测位置的材料、表面粗糙度和曲率相同的基准零应力试块，并对所述基准零应力试块去除内部应力；
将所述超声测试装置放置于所述基准零应力试块上方，向超声测试装置内加压注入耦合流体；记录超声测试装置内部耦合流体压力和温度；
至少一次控制所述超声探头发出超声波，及对超声回波进行采集，完成零应力标定；
对所述被检构件进行动态机械构件服役应力的超声测试时，使超声测试装置内部耦合流体压力和温度与所述零应力标定步骤时相同。
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