CN112903159B - 基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置 - Google Patents

基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置 Download PDF

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Abstract

一种基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，属于转子应力测量技术领域。本发明解决了现有的大型高速回转装备应力测量中，传统的超声波法测量效率低、测量精度差且会对转子表面造成腐蚀的问题。它包括并排布置在转子部件表面的发射轮、第一接收轮、第二接收轮以及安装在发射轮内部的发射换能器、安装在第一接收轮内的第一接收换能器以及安装在第二接收轮内的第二接收换能器，发射轮、第一接收轮及第二接收轮的轴线相互平行设置，发射轮内以及两个接收轮内均填充有耦合剂。采用干耦合的方式实现超声波在换能器和被测件之间的传输，避免了现有技术中使用传统超声波方法存在的耦合剂必需与转子表面接触的情况，有效保证测量精度。

Description

基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，属于转子应力测量技术领域。
背景技术
航空发动机转静子零件在制造过程中会产生应力，所产生的应力状态，随各种加工方法或处理方法不同而有较大差别。机械加工如挤压、拉拔、轧制、校正、切削、磨削、表面滚压、喷丸或锤击等，以及热加工的焊接、切割等，不可避免地引发应力以及应力分布不均，导致对航空发动机转静子零件的疲劳强度、静态强度、结构变形和使用寿命等方面产生重大影响，甚至出现严重的应力集中，从而导致航空发动机转静子零件产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下会导致构件开裂。因此，对航空发动机转静子零件应力的测量尤为重要，必须充分重视在结构设计、制造工艺和服役过程中产生的应力，采取措施，对于保障生产、稳定质量、延长寿命等方面都有重要的理论和现实意义。
应力的测量分为无损、微损伤和有损伤等三类方法，其中，有损伤与微损伤测量法又可称为机械测量法，其测量原理是通过材料移除过程中完全或部分释放应力时产生的位移来推断出原始应力。切片法、轮廓法、盲孔法、环芯法和深孔法是常用的有损伤与微损伤测量法。无损测量法又可称为物理测量法，包括X射线衍射法、中子衍射法、磁性法、涡流法和超声波法，这些方法通常是测量一些与应力有关的物理参数。相比其它残余应力无损检测方法，超声波法具有检测速度快、人体无辐射伤害、成本低、拥有较佳的空间分辨率和较大范围的检测深度、可实现现场手持便于携带、能够完成表面及次表面宏观残余应力大小与拉压状态的检测等诸多优势。
传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，超声波在穿越耦合剂时需要一定的渡越时间，并且会产生干扰谐波，给测量带来不稳定的因素，并且耦合剂的使用会对增加额外的工作量，导致测量效率低，更严重的是会对工件表面造成一定的腐蚀和伤害，因而在实际应用中传统的超声波法受到了一定的限制。
发明内容
本发明是为了解决现有的大型高速回转装备应力测量中，传统的超声波法测量效率低、测量精度差且会对转子表面造成腐蚀的问题，进而提供了一种基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，它包括并排布置在转子部件表面的发射轮、第一接收轮、第二接收轮以及安装在发射轮内部的发射换能器、安装在第一接收轮内的第一接收换能器以及安装在第二接收轮内的第二接收换能器，发射轮、第一接收轮及第二接收轮的轴线相互平行设置，所述发射轮内以及两个接收轮内均填充有耦合剂。
进一步地，所述发射轮、所述第一接收轮及所述第二接收轮的材质均为橡胶。
进一步地，所述发射轮内同轴装设有第一转轴，所述第一转轴上转动装设有第一安装件，发射换能器固装在第一安装件的一端，第一安装件的另一端转动连接有第一配重块，且所述发射换能器与所述第一配重块分别位于第一转轴的两侧；所述第一接收轮内同轴装设有第二转轴，所述第二转轴上转动装设有第二安装件，第一接收轮固装在第二安装件的一端，第二安装件的另一端转动连接有第二配重块，且所述第一接收换能器与所述第二配重块分别位于第二转轴的两侧，第一接收轮的内部结构与第二接收轮的内部结构相同设置。
进一步地，基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置还包括连接杆，发射轮、第一接收轮及第二接收轮之间同时通过连接杆转动连接。
进一步地，发射换能器与第一接收换能器对称设置，第二接收换能器与第一接收换能器平行设置。
进一步地，发射换能器与第一接收换能器之间的距离为30mm～60mm，第一接收换能器与第二接收换能器之间的距离为10mm～20mm。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请采用干耦合的方式实现超声波在换能器和被测件之间的传输，通过将耦合剂填充在发射轮和两个接收轮内，有效避免了现有技术中使用传统超声波方法存在的耦合剂必需与转子表面接触的情况，消除了耦合剂对转子表面的腐蚀和污染，进而实现转子部件应力的无损测量，有效保证了测量精度。
本申请采用轮式结构，移动速度快，能够实现转子部件应力的多点扫描测量，自动化程度高，与现有技术相比，有效提高了测量效率。
附图说明
图1为本申请的主视示意图；
图2为本申请的透视示意图(连接杆未示出)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，它包括并排布置在转子部件100表面的发射轮1、第一接收轮2、第二接收轮3以及安装在发射轮1内部的发射换能器4、安装在第一接收轮2内的第一接收换能器5以及安装在第二接收轮3内的第二接收换能器6，发射轮1、第一接收轮2及第二接收轮3的轴线相互平行设置，所述发射轮1内以及两个接收轮内均填充有耦合剂。
本申请所述的大型高速回转装备为航空发动机转子部件或燃气轮机转子部件，或者为高度大于3m，直径大于1.5m，转速大于1.5万转/分钟的转子部件。
本申请采用干耦合的方式实现超声法的激励和接收，通过将耦合剂填充在发射轮1和两个接收轮内，有效避免了现有技术中使用传统超声波方法存在的耦合剂必需与转子表面接触的情况，消除了耦合剂对转子表面的腐蚀和污染，进而实现转子部件100应力的无损测量，有效保证了测量精度。
从测量的空间分辨率来讲，发射和接收之间距离越小越好，因为测的区域小，空间分辨率就高。但是如果发射和接收探头距离过近，各种伴生的波形如临界折射纵波、反射横波、Lamb波等会互相叠加，影响临界折射纵波信号的分离，从而带来测量误差或直接影响测量的进行。因此本申请通过设置一个发射换能器、两个接收换能器，即设置三个探头，在不缩短发射探头与接收探头之间距离的前题下，两个接收探头的距离设置较近，就会提高测量的空间分辨率，并且因为两个探头都是接收探头，不发射信号，所以也不会产生发射和接收探头之间存在的波形叠加问题，如此，即能够保证测量空间分辨率，又能避免波形叠加的问题，进而保证临界折射纵波信号的分离。
本申请采用轮式结构，移动速度快，能够实现转子部件100应力的多点扫描测量，自动化程度高，与现有技术相比，有效提高了测量效率。
每个轮上均开设有加注孔，用以向轮内加注耦合剂，加注完成后将加注孔堵住以实现轮子的密封。
工作时，发射换能器4发射超声波信号，超声波信号传入被测转子部件100并先后被第一接收换能器5和第二接收换能器6接收，可得到两个接收换能器收到超声波信号的时间差，具体为：
在被测转子部件100材料内无应力条件下测得超声波的传播时间差为Δt0；
在被测转子部件100材料内有应力条件下测得超声波的传播时间差为Δti。
根据前述两个时间差，得到被测转子部件100的应力σi的计算公式为：
σi＝K·(Δti-Δt0)
其中K为与被测转子部件100的应力系数，与其材料类型有关，通过标定试验确定。
发射换能器4的角度，即入射角θCR通过如下公式得到：
Figure BDA0002301052030000041
其中，VI为超声波在耦合剂中的传播速度，VL为超声波在被测件中的传播速度。
本申请还包括上位机，用于获取测量结果数据并根据上述方法自动计算转子部件100的应力分布。
所述发射轮1、所述第一接收轮2及所述第二接收轮3的材质均为橡胶。如此设计，发射轮1、所述第一接收轮2及所述第二接收轮3在受压后外围的橡胶能够产生变形，对于转子表面粗糙度或平面度较差时，橡胶受压后可以填充在不平整的凹陷处，保证将发射轮1、第一接收轮2或第二接收轮3与转子表面之间的空气挤出，进而进一步保证测量精度。发射轮1和两个接收轮的材质还可以选用其它柔性材料，只要能保证其受压下可变形即可。
所述发射轮1内同轴装设有第一转轴7，所述第一转轴7上转动装设有第一安装件8，发射换能器4固装在第一安装件8的一端，第一安装件8的另一端转动连接有第一配重块9，且所述发射换能器4与所述第一配重块9分别位于第一转轴7的两侧；所述第一接收轮2内同轴装设有第二转轴10，所述第二转轴10上转动装设有第二安装件11，第一接收轮2固装在第二安装件11的一端，第二安装件11的另一端转动连接有第二配重块12，且所述第一接收换能器5与所述第二配重块12分别位于第二转轴10的两侧，第一接收轮2的内部结构与第二接收轮3的内部结构相同设置。如此设计，每个换能器均通过其固接的安装机构绕发射轮1的中心轴线转动，通过各配重块实现对发射换能器4以及各接收换能器角度的调整。
基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置还包括连接杆13，发射轮1、第一接收轮2及第二接收轮3之间同时通过连接杆13转动连接。如此设计，所述连接杆13同时与第一转轴7以及两个接收轮上的第二转轴10转动连接。在对发射轮1及接收轮施加压力时，可以选择将压力施加在连接杆13上，进而间接对各轮施加压力，发射轮1、第一接收轮2及第二接收轮3同时通过连接杆13连接，使得发射轮1与两个接收轮之间的位置固定，保证三个轮位置同步，在对转子部件100的一个位置检测完毕后，通过连接杆13可以同时移动三个轮，便于检测及信号传输。
发射换能器4与第一接收换能器5对称设置，第二接收换能器6与第一接收换能器5平行设置。
发射换能器4与第一接收换能器5之间的距离为30mm～60mm，第一接收换能器5与第二接收换能器6之间的距离为10mm～20mm。如此设计，该距离范围值为各换能器探头之间的距离，可以根据测量空间分辨率进行调整。

Claims (5)

1.一种基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，其特征在于：它包括并排布置在转子部件(100)表面的发射轮(1)、第一接收轮(2)、第二接收轮(3)以及安装在发射轮(1)内部的发射换能器(4)、安装在第一接收轮(2)内的第一接收换能器(5)以及安装在第二接收轮(3)内的第二接收换能器(6)，发射轮(1)、第一接收轮(2)及第二接收轮(3)的轴线相互平行设置，所述发射轮(1)内以及两个接收轮内均填充有耦合剂；
所述发射轮(1)内同轴装设有第一转轴(7)，所述第一转轴(7)上转动装设有第一安装件(8)，发射换能器(4)固装在第一安装件(8)的一端，第一安装件(8)的另一端转动连接有第一配重块(9)，且所述发射换能器(4)与所述第一配重块(9)分别位于第一转轴(7)的两侧；所述第一接收轮(2)内同轴装设有第二转轴(10)，所述第二转轴(10)上转动装设有第二安装件(11)，第一接收轮(2)固装在第二安装件(11)的一端，第二安装件(11)的另一端转动连接有第二配重块(12)，且所述第一接收换能器(5)与所述第二配重块(12)分别位于第二转轴(10)的两侧，第一接收轮(2)的内部结构与第二接收轮(3)的内部结构相同设置。
2.根据权利要求1所述的基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，其特征在于：所述发射轮(1)、所述第一接收轮(2)及所述第二接收轮(3)的材质均为橡胶。
3.根据权利要求2所述的基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，其特征在于：它还包括连接杆(13)，发射轮(1)、第一接收轮(2)及第二接收轮(3)之间同时通过连接杆(13)转动连接。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，其特征在于：发射换能器(4)与第一接收换能器(5)对称设置，第二接收换能器(6)与第一接收换能器(5)平行设置。
5.根据权利要求4所述的基于轮式干耦合超声的大型高速回转装备残余应力测量装置，其特征在于：发射换能器(4)与第一接收换能器(5)之间的距离为30mm～60mm，第一接收换能器(5)与第二接收换能器(6)之间的距离为10mm～20mm。
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