CN112098519B - 一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,步骤如下:1)对齿轮进行数值模拟分析,分析齿轮运行中应力集中分布部位;2)制备齿轮模拟对比试块;3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处,加工纵向人工槽缺陷;4)设计双晶片纵波探头,发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置;5)识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷,制作人工槽AVG曲线作为基准;6)探头放置在相邻两齿之间,沿着两齿的齿面移动,若齿面无裂纹缺陷时,仪器屏幕上出现单一波峰;若齿面有裂纹缺陷时,仪器屏幕上不出现波峰或波峰较无裂纹时低;本发明能够实现带油污进行在役风机齿轮裂纹的识别,且检测准确率高。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域,特别涉及一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法。
背景技术
在风力发电机组齿轮传动过程中,由于工况的变化以及环境、管理维护等诸多因素的影响,齿轮容易出现断齿及裂纹、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等问题,据资料介绍,断齿及裂纹占齿轮故障率45.5%,齿轮的断裂多发生在齿根、齿身和齿面部位。导致断齿及裂纹的原因很多,包括制造质量差、过载、疲劳使用、磨削裂纹、淬火裂纹以及疲劳裂纹等。轮齿啮合时齿根处的局部啮合应力较大,再加之齿轮超载运行、瞬时产生的冲击、装配精度粗糙以及齿轮选材不足、可能会造成轮齿断裂;因加工工艺不完善造成的齿面、齿根应力集中,在齿轮周期性运转过程中会在齿根处形成细微裂纹,如果裂纹未被及时检测出来,将会恶化成断齿故障,严重影响安全生产。
目前,在役风力发电机组齿轮的维护主要是巡检听异响、或者依据振动监测判断,这些监督手段都是在齿轮失效后才能被发现的。还有采用表面检测技术对齿轮定期检验,缺点是由于齿轮工作环境限制,检测设备难以到达,表面检测难以实施,再者齿轮检测部位油污难清理,清理不干净,降低表面检测的灵敏度,造成缺陷漏检。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供了一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,该方法能够实现带油污进行在役风机齿轮裂纹的识别,且检测准确率高。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,包括以下步骤:
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析,结合实际工况,明确齿轮运行中应力集中分布的部位;
(2)制备齿轮模拟对比试块,并按齿圈加工工艺进行热处理,使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能;
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处,加工纵向人工槽缺陷;齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中,从前到后,第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm;第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm;第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm;第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm;
(4)设计双晶片纵波探头,探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配,能够耦合,探头内含发射晶片和接收晶片,晶片频率为5MHz,晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT,晶片长宽尺寸为6×6mm,发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置,使得检测声束折射角α度数为70°,发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置;
(5)采用双晶片纵波探头,识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷,制作人工槽AVG曲线,自动存入与双晶片纵波探头相连接的超声波仪器中,作为后续评价基准;
(6)将双晶片纵波探头放置在被测齿轮相邻两齿之间,沿着两齿的齿面移动,若齿面无裂纹缺陷时,表面下纵波沿齿面传播,超声波仪器屏幕上出现单一波峰;若齿面有裂纹缺陷时,超声波仪器屏幕上不出现波峰,或波峰比步骤(5)的人工槽AVG曲线低。
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析,结合实际工况,分析齿轮运行中应力集中分布部位,进一步对在役风机齿轮检测提供方向性。利用超声检测技术,开发齿轮检测专用工艺,有针对性地研制专用检测探头和缺陷模拟对比试块,对在役风电机组的主要齿轮开展现场检测,可有效检测出传统目视检验无法发现的齿轮早期缺陷,为今后有计划开展齿轮的金属监督检验提供了新的、可靠的检测方法,有效提升风机齿轮的运行的安全可靠性。
附图说明
图1为齿轮模拟对比试块图。
图2为双晶片纵波探头结构及检测声束的传播图。
图3为无裂纹时仪器显示的波峰图。
图4为有较大裂纹及较小裂纹时仪器显示的波峰图,其中:图4(a)中是有较深裂纹时不出现波峰,图4(b)中是有较小裂纹时的波峰。
图5是本发明的流程图。
图6为AVG曲线图;图6(a)为无缺陷时波形图;图6(b)为有缺陷时波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参照图5,一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,包括以下步骤:
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析,结合实际工况,明确齿轮运行中应力集中分布的部位。
(2)制备齿轮模拟对比试块,并按齿圈加工工艺进行热处理,使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能。
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处,加工纵向人工槽缺陷;参照图1,齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中,从前到后,第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm;第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm;第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm;第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm。
这样设计齿轮对比试块,基本模拟了齿轮面各位置的裂纹;纵向人工槽缺陷的位置排布,操作使用简单;能发现最小为1mm的裂纹,检测灵敏度高。
(4)参照图2,设计双晶片纵波探头,探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配,能够耦合,探头内含发射晶片和接收晶片,晶片频率为5MHz,晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT,晶片长宽尺寸为6×6mm,发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置,使得检测声束折射角α度数为70°,发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置。
表面下,纵波沿齿面传播所覆盖的区域与声速、纵波脉冲宽度、频率、晶片间距有密切关系,这样设计双晶片纵波探头是考虑到上述这些因素,合理设定参数,使探头性能最佳。
(5)采用双晶片纵波探头,识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷,制作人工槽AVG曲线,自动存入与双晶片纵波探头相连接的超声波仪器中,作为后续评价基准,参照图(6),图6(a)为无缺陷时波形图;图6(b)为有缺陷时波形图。
(6)将双晶片纵波探头放置在被测齿轮相邻两齿之间,沿着两齿的齿面移动,若齿面无裂纹缺陷时,表面下纵波沿齿面传播,超声波仪器屏幕上出现单一波峰(参照图3);若齿面有裂纹缺陷时,超声波仪器屏幕上不出现波峰,或波峰比步骤(5)的人工槽AVG曲线低,参照图4,图4(a)中是有较深裂纹时不出现波峰,图4(b)中是有较小裂纹时(高度低于屏幕10%)出现小的波峰。
本发明风力发电机组齿轮裂纹的实际检测中,检测灵敏度最小达到1mm,为风力发电机组齿轮监督及现场检测、发现齿轮早期的裂纹缺陷提供了简便、可靠的检测方法,有效提升风机齿轮的运行的安全可靠性。
Claims (1)
1.一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析,结合实际工况,明确齿轮运行中应力集中分布的部位;
(2)制备齿轮模拟对比试块,并按齿圈加工工艺进行热处理,使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能;
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处,加工纵向人工槽缺陷;齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中,从前到后,第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm;第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm;第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm;第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离,分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm;
(4)设计双晶片纵波探头,探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配,能够耦合,探头内含发射晶片和接收晶片,晶片频率为5MHz,晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT,晶片长宽尺寸为6×6mm,发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置,使得检测声束折射角α度数为70°,发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置;
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