CN111811707A - 一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置及测试方法 - Google Patents

一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置及测试方法，所述装置包括超声探头、磁场保护环、磁流体、磁流体保护罩；在水平放置的被检旋转构件上方装配有超声探头；在所述超声探头的发射超声换能器和接收超声换能器的前端均装配有磁场保护环，用于在各所述磁场保护环内产生磁场；在所述被检旋转构件的被检位置旋转的周向外侧套设有磁流体保护罩，且超声探头的所述前端穿过该磁流体保护罩壳体设置；所述磁流体保护罩与所述被检旋转构件之间形成的腔体内注满磁流体；所述磁流体是液体混合液，至少包含油性或水性液体与悬浮铁磁性颗粒。本发明所述装置实现基于磁流体耦合的旋转构件的内部服役应力的超声测试。

Description

一种基于磁流体耦合的旋转构件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测试领域，特别是一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置及测试方法。
背景技术
超声检测是一种常见的无损检测方法，可用范围广泛、灵敏度高且具有很高的穿透性。根据其耦合方式，超声检测能够分为接触法和液浸法。其中液浸法的检测探头放置在液体耦合剂中，不与被检构件直接接触，因此能够保证稳定地发射和接收超声波，也可以尽可能减少被检测表面粗糙度对检测结果的影响，探头不与被检测表面直接接触，也减少了探头的磨损。在使用液浸法的过程中，常见的耦合剂有水、甘油等，在检测时如果被检构件为曲面，则可能发生耦合剂流失，同时长期使用可能会使被检构件表面腐蚀。
磁流体是一种不易产生沉淀，能够长期稳定存在的溶液，具有液体特性的同时也具有磁性，可以用做超声无损检测的耦合剂。磁流体中含有细小微粒，比水等耦合剂有更高的密度，能够更好地贴合被检构件的表面，同时配合检测装置，也能保证耦合层厚度一定。
被检构件常处于静止状态，但是在实际应用中，如机床主轴、飞轮、转盘、高铁轮对等，在旋转状态下的服役应力状态能够反映被检构件的安全性、稳定性等，因此具有很重要的工程意义，所以需要针对旋转运动构件的服役应力状态进行研究。
专利文献CN206876640提供了一种可空间扫描的磁流体密封局部水浸式超声检测仪，通过空间扫描单元和局部水浸式超声探伤单元组成，通过为磁感线圈通入电流，形成磁力固定磁流体，使得磁流体和被检构件表面完全接触，并形成密封圈，再将水注入磁流体密封的腔体内实现水浸检测。在该专利中，磁流体主要用作密封腔体，减少检测过程中，作为耦合剂的水的流失，此时磁流体并未作为耦合剂使用。因此根据上文对耦合剂的研究，有必要针对磁流体作为耦合剂情况，设计旋转构件的相应的检测装置和方法。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置，包括：超声探头、磁场保护环、磁流体、磁流体保护罩；
在水平放置的被检旋转构件上方装配有超声探头；在所述超声探头的发射超声换能器和接收超声换能器的前端均装配有磁场保护环，用于在各所述磁场保护环内产生磁场；
在所述被检旋转构件的被检位置旋转的周向外侧套设有磁流体保护罩，且超声探头的所述前端穿过该磁流体保护罩壳体设置；所述磁流体保护罩与所述被检旋转构件之间形成的腔体内注满磁流体；所述磁流体是液体混合液，至少包含油性或水性液体与悬浮铁磁性颗粒。
由上，各所述磁场保护环在其内形成半封闭的磁场，使所述磁流体被吸附在所述超声探头的超声换能器表面不脱落，实现与所述超声探头的超声换能器表面紧耦合，降低超声波的传播损耗，同时所述磁流体具有液体特性，能够更好地贴合被检构件的表面；由此，在所述探头与被检旋转构件之间形成磁流体耦合。
由上，当所述被检旋转构件旋转时，所述磁流体保护罩防止所述被检旋转构件表面的磁流体的离心泄露，维持了所述磁流体的厚度和浓度，保证了旋转构件测试的准确性和稳定性。
由上，所述超声探头的发射超声换能器发射超声波；利用所述磁流体的透声性，所述超声波传输到所述被检旋转构件的被检位置并进入所述被检旋转构件的内部；经被检旋转构件内部临界折射出超声回波，所述超声回波的波形参数与所述被检旋转构件内部服役应力有关；所述超声回波被所述超声探头的接收超声换能器检测，综上，实现对旋转构件的内部服役应力的超声检测。
其中，所述磁场保护环是永磁铁材料构成。
由上，所述永磁铁能产生稳定的所述半封闭的磁场，使所述磁流体被吸附在所述超声探头的超声换能器表面不脱落，实现与各所述超声探头的超声换能器表面紧耦合，降低超声波的传播损耗。
其中，所述磁场保护环与被检旋转构件表面的距离大于0.05mm。
由上，所述磁场保护环与被检旋转构件表面的距离大于0.05mm保护所述磁场保护环不会触碰被检旋转构件。
其中，所述超声探头的两个超声换能器均具有与所述磁流体声阻抗匹配的声阻抗匹配层。
由上，所述声阻抗匹配层降低超声波在探头与磁流体间传播损耗。
其中，装配的超声探头的方向为被检旋转构件的周向或轴向，其中，所述超声探头方向为从用于发射的超声换能器中心位置到用于接收的接收超声换能器中心位置的连线方向。
由上，如果测试所示被检位置轴向服役应力时，所述超声探头方向与所述被检旋转构件轴向方向；如果测试所示被检位置周向服役应力时，所述超声探头方向与所述被检旋转构件周向方向。
其中，所述磁流体保护罩两端与被检旋转构件周向表面的接触部采用软体材料。
由上，所述软体材料密封了所述磁流体保护罩与被检旋转构件周向表面的缝隙，进一步保持磁流体的不泄露，同时所述软体材料的软性特性保护磁流体保护罩不会损伤被检旋转构件表面。
综上，本发明所述装置所述磁流体在所述磁场保护环的磁场作用下耦合所述超声探头与被检旋转构件表面，在被检旋转构件旋转时在磁流体保护罩的保护下维持所述磁流体的高度和浓度不变，从而实现对旋转构件内部服役应力的稳定的准确的超声无损测试。
本发明还提供了一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试方法，包括下列步骤：
在被检旋转构件的被检位置旋转的周向外侧安装基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置；
旋转被检旋转构件；
所述超声探头的发射超声换能器发射超声波，所述超声探头的接收超声换能器检测被检旋转构件临界折射出的超声回波以便计算被检旋转构件的内部服役用力。
基于超声回波计算被检旋转构件的内部服役用力，由外围设备完成，不属于本发明内容，在此不再赘述。
附图说明
图1为一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置示意图，用于旋转构件周向服役应力测试；
图2为一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置示意图，用于旋转构件轴向服役应力测试；
图3为一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试方法流程图。
符号说明：
超声探头10，磁场保护环11，磁流体20，磁流体保护罩30，被检旋转构件40
具体实施方式
本发明的主要目的在于提供一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置及测试方法。
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，本发明提供了一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置，包括：超声探头10、磁场保护环11、磁流体20、磁流体保护罩30。
在水平放置的被检旋转构件40上方装配有超声探头10；超声探头10的发射超声换能器和接收超声换能器的前端均安装有磁场保护环11，用于分别在其内产生磁场；在被检旋转构件40的周向外侧装配有密封的磁流体保护罩30，所述磁流体保护罩30内包括各所述磁场保护环11与所述被检旋转构件40之间注满磁流体20。
其中，超声探头10的两个超声换能器的声阻抗匹配层均与磁流体20的声阻抗匹配；超声探头10方向装配为被检旋转构件40的周向或轴向，超声探头方向为从用于发射的超声换能器中心位置到用于接收的接收超声换能器中心位置的连线方向。
其中，各磁场保护环11均是永磁铁构成的环，与被检旋转构件40表面的距离大于0.05mm。
其中，磁流体20是液体混合液，至少包含油性或水性液体与悬浮铁磁性颗粒，还含有增稠剂、防腐剂或抗氧化剂。
其中，所述磁流体保护罩30两端与被检旋转构件40周向表面接触部采用软体材料密封，所述软体材料可以为毛毡或胶皮。
下面介绍基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置的工作原理。
其中，超声探头10的发射超声换能器发射超声波，利用磁流体20的透声性，所述超声波传输到被检旋转构件40的被检位置并进入所述被检旋转构件40的内部；经被检旋转构件40内部临界折射出超声回波，所述超声回波的波形参数与所述被检旋转构件40内部服役应力有关；所述超声回波被超声探头10的接收超声换能器检测以便计算被检旋转构件40的内部服役用力，实现被检旋转构件40的内部服役应力的超声检测。
其中，超声探头10的发射超声换能器前端的磁场保护环11与被检旋转构件40之间及超声探头10的接收超声换能器前端的磁场保护环11与所述被检旋转构件40之间均填满磁流体20，实现超声探头10与被检旋转构件40的耦合。
其中，在被检旋转构件40旋转时，磁流体保护罩30和所述软体材料保护的磁流体20不会因为离心力作用而泄露，实现磁流体20不流失且保持密度分布稳定，提高对旋转构件测试的稳定性。
其中，超声探头10方向是从用于发射的超声换能器到用于接收的接收超声换能器的连线方向，如果测试被检旋转构件40被检位置周向服役应力时，超声探头10方向与被检旋转构件40周向方向；如果测试被检旋转构件40被检位置轴向服役应力时，超声探头10方向与被检旋转构件40轴向方向。控制超声探头10方向可以测试不同方向的应力。
由上，所述装置实现了基于磁流体耦合的旋转构件超声测试。
下面介绍基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置的优点。
其中，本实施例磁场保护环11均为永磁铁构成，在各磁场保护环11内形成半封闭的磁场，使磁场保护环11内的磁性流体20吸附在超声探头10的各超声换能器表面，降低超声在超声探头10与磁流体20界面的传输损耗，提高了测试的准确率。
其中，各磁场保护环11与被检旋转构件40表面的距离大于0.05mm，保护磁场保护环11不会触碰被检旋转构件40表面，实现无损检测。
其中，超声探头10的两个超声换能器的声阻抗匹配层均与所述磁流体20的声阻抗匹配，降低超声波在探头与磁流体20间传播损耗，提高了测试的准确率
其中，磁流体20还含有增稠剂，所述增稠剂提高了磁流体20的密度，降低了超声传播的损耗，提高了测试的准确率。
其中，磁流体20还含有抗氧化剂或防腐剂，延长了磁流体的使用寿命。
综上，本发明所述装置通过磁流体20耦合超声探头10与被检旋转构件40表面；磁流体20在各永磁体保护环11的磁场作用下，实现与超声探头10的各超声换能器前端的紧密接触，降低了超声波的传输损耗；在被检旋转构件40旋转时在磁流体保护罩30的保护下维持所述磁流体20的密度不变，维持了超声波在磁流体20中传播的稳定性，从而实现对被检旋转构件40内部服役应力的稳定的准确的超声无损测试。
本实施例还提供了一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试方法，如图3，其包括下列步骤：
S110、在被检旋转构件40的被检位置的周向安装基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置；
如图1，如果测试所示被检位置周向服役应力时，超声探头10方向与被检旋转构件40周向方向；如图2，如果测试所示被检位置轴向服役应力时，超声探头10方向与被检旋转构件40轴向方向。控制超声探头10方向可以测试不同方向的应力。
由于是磁流体耦合，本发明的被检旋转构件40是非铁磁性材料或退磁效果良好的铁磁性材料。
S120、旋转被检旋转构件40；
S130、超声探头10的发射超声换能器发射超声波，超声探头10的接收超声换能器检测被检旋转构件40的临界折射出的超声回波以便计算被检旋转构件40的内部服役用力。
基于超声回波计算被检旋转构件40的内部服役用力，由外围设备完成，不属于本发明内容，在此不再赘述。
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)

1.一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置，其特征在于，包括：超声探头、磁场保护环、磁流体、磁流体保护罩；
在水平放置的被检旋转构件上方装配有超声探头；在所述超声探头的发射超声换能器和接收超声换能器的前端均装配有磁场保护环，用于在各所述磁场保护环内产生磁场；
在所述被检旋转构件的被检位置旋转的周向外侧套设有磁流体保护罩，且超声探头的所述前端穿过该磁流体保护罩壳体设置；所述磁流体保护罩与所述被检旋转构件之间形成的腔体内注满磁流体；所述磁流体是液体混合液，至少包含油性或水性液体与悬浮铁磁性颗粒。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述磁场保护环由永磁铁材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁场保护环与被检旋转构件表面的距离大于0.05mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，装配的超声探头的方向为被检旋转构件的周向或轴向；其中，所述超声探头的方向为从用于发射的超声换能器中心位置到用于接收的接收超声换能器中心位置的连线方向。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声探头的两个超声换能器前端均有与所述磁流体声阻抗匹配的声阻抗匹配层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁流体保护罩两端与被检旋转构件周向表面的接触部采用软体材料。
7.一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试方法，其特征在于，包括步骤：
在被检旋转构件的被检位置的周向安装权利要求1至6任一权利要求所述一种基于磁流体耦合的旋转构件超声测试装置；
旋转被检旋转构件；
所述超声探头的发射超声换能器发射超声波，所述超声探头的接收超声换能器检检测被检旋转构件的临界折射出的超声回波以便计算所述构件的内部服役应力。
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