CN113092581B - 一种利用风力发电机主轴中心孔位置量化主轴表面横向裂纹的方法 - Google Patents

一种利用风力发电机主轴中心孔位置量化主轴表面横向裂纹的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用主轴中心孔位置激励的超声波量化风机主轴表面横向裂纹的方法，本发明将电磁声激励传感器以及电磁声接收传感器布置于主轴中心孔内壁，激励传感器激励超声横波，同时接收裂纹反射横波，接收传感器用于接收裂纹衍射横波。通过反射的回波渡越时间确定一个激励点的圆形轨迹，与圆周切线相交确定裂纹开口位置。同时利用激励传感器位置、电磁声传感器位置和衍射横波的渡越时间确定一个横波衍射点的椭圆轨迹，将开口位置轴向坐标代入椭圆形轨迹方程确定尖端位置，从而实现了表面开口横向裂纹的轴向位置和扩展深度的量化表征。

Description

一种利用风力发电机主轴中心孔位置量化主轴表面横向裂纹 的方法
技术领域
本发明涉及一种在役风力发电机主轴表面开口横向裂纹的超声波定量检测方法，属于无损检测领域。
背景技术
风电已成为我国第三大电源，在国家电源结构中的比重逐年提高，风电机组运行状况关系国家能源安全。风力发电机主轴是风电机组传动系统的核心部件，其结构健康状态直接影响风机运行安全。风机主轴不仅服役环境恶劣，工况也十分复杂，长期承受扭矩、轴向推力及气动弯矩等复杂应力作用。主轴长期运行过程中，其与轴承之间的配合区域极易产生表面开口的横向裂纹，严重危害风电机组安全，已造成了多起安全事故。对风机主轴表面开口的横向裂纹检测，不仅需要发现裂纹，更加需要量化裂纹的扩展深度。因为裂纹扩展深度是评价主轴损伤的重要指标之一。
风机主轴是由多个轴段组成的具有中心孔特征的大型回转体。对于在役风机主轴的检测，存在裂纹相对主轴尺寸小，量化表征的困难。目前，采用主轴端面进行超声探伤，存在较大局限性，例如：基于反射声波幅值的定量技术，裂纹量化精度低，不能实现裂纹扩展深度的测量。发明专利《一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法》公开了一种横向裂纹量化方法，该方法同样是采用在主轴端面进行超声波激励，在风机中心孔内两个位置分别布置了传感器接收裂纹衍射纵波，通过接收传感器与发射传感器形成的两个椭圆轨迹，实现了主轴表面开口横向裂纹的定量检测。然而，该方法需要在主轴端面布置激励传感器阵列，但裂纹的位置距离主轴端面大约有700mm，超声波的传播距离相对较远，同时利用中心孔传感器接收裂纹尖端的衍射波，整个过程造成的能量损失也相对较多，无疑增加了对信号采集处理识别等工作的困难。通过在中心孔进行特定方向超声波激励进行裂纹量化检测表征的方法并未涉及；而且，椭圆轨迹的具体数学模型并未给出，在绘制椭圆轨迹的方法上依赖于手工作图法。综上，对于风机主轴裂纹的量化表征，发展一种依赖更少传感器，更加快速进行裂纹量化评价的方法，有助于裂纹检测技术的进步，对实际主轴表面开口横向裂纹的精确检测具有十分重要的现实意义。
针对当前的技术现状，尚需进一步发展裂纹量化方法，充分利用声束可调传感器，通过更少的传感器、更加快速、精确地实现风机主轴表面开口横向裂纹扩展深度和位置的评价。本发明针对风力发电机主轴表面开口横向裂纹量化问题，创新性地提出一种利用声束可调传感器在风机主轴中心孔激励超声波实现裂纹位置和扩展深度的精确量化方法。
发明内容
本发明提供了一种利用声束可调的传感器在主轴中心孔激励超声波进行精确评价主轴表面开口横向裂纹轴向位置和扩展深度的方法。利用声束可调的电磁声传感器在主轴中心孔辐射特定方向的超声横波，同时接收裂纹处的反射波(即利用自激自收的方式检测反射波)可确定裂纹的轴向位置；同时主轴中心孔位置布局的接收传感器接收裂纹尖端的衍射波，用来确定尖端的位置，实现主轴圆周表面开口横向裂纹的位置及扩展深度的量化表征。该方法可解决主轴端面检测横向裂纹难定量的问题，可达到裂纹位置和扩展深度精确测量的目的。相比于轴类工件检测的现有方法，本发明提供了一种利用声束可调传感器在主轴中心孔激励超声横波进行检测，实现确定主轴表面开口横向裂纹扩展深度和轴向位置的新方法，避免了端面激励超声波进行回波幅值定量裂纹存在的弊端，简化了传感器的配置，并提高了检测结果的准确性。在风力发电机主轴结构健康监测中能发挥重要作用，是现有主轴裂纹定量技术进一步发展和创新。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种利用声束可调的激励接收电磁声传感器在中心孔激励超声波来量化风机主轴横向裂纹的方法，实现该检测方法所需装置包括超声信号激励源、声束可调的电磁声传感器、电磁声接收传感器和信号采集设备。其中，超声信号激励源与声束可调的电磁声传感器连接，电磁声接收传感器与信号采集设备连接，该方法具体实施步骤包括：
步骤一：获取风力发电机主轴外形尺寸；根据主轴表面容易出现裂纹的位置，确定待检测区域，即主轴与轴承配合轴段(与主轴端面的距离L1～L2)；实测中心孔直径d；圆周半径R，实测主轴纵波声速cL和横波声速cs。
步骤二：测量试件零点偏移误差。在主轴端面利用电磁声传感器激励超声波，主轴底面接收超声波信号，提取首次回波信号渡越时间tm，并利用端面到底部的距离及声速测得理论时间tn，用tm-tn求得试件的零点偏移误差td，后续测得实际渡越时间需减去td进行校准。
步骤三：将声束可调的电磁声传感器放到主轴的中心孔中，距离主轴端面大于L2范围的任意位置L0，并记下该位置到主轴端面的距离，确定激励传感器到待检测区域两端的角度变化范围。
步骤四：在主轴中心孔中，距离主轴端面L1～L2范围内任意位置LE布置电磁声接收传感器，用于接收裂纹衍射横波。声束可调电磁声传感器、电磁声接收传感器与主轴轴线应保证在同一平面。
步骤五：利用超声信号激励源激励声束可调的电磁声传感器，并记录触发脉冲零点时刻t0，调节激励频率改变声束角度使超声波沿着待监测区域进行扫描检测，同时接收裂纹反射波并记录反射波峰值对应的时刻t1；采集电磁声接收传感器输出信号，提取裂纹衍射横波峰值对应时刻ts，同时基于零点偏移误差，对提取的渡越时间进行校准。其中，t0、t1、ts精度为纳秒级。
步骤六：以主轴端面中心点为原点，主轴中心轴为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系。根据接收的裂纹反射波渡跃时间t1以及横波声速cs确定裂纹到激励传感器的直线距离L，以激励点为圆心，L为半径作一个圆，同时作一条直线y＝R，与圆相交，其中位于检测区域的交点即为裂纹开口位置，记下此处到主轴端面的轴向距离X。
步骤七：根据衍射横波渡越时间ts以及激励传感器位置L0、电磁声接收传感器位置LE，计算以激励传感器位置O、电磁声接收传感器位置E为焦点的椭圆形轨迹方程：
其中，通过衍射横波渡越时间ts以及横波声速cs确定椭圆轨迹方程中的a值，通过焦点O、E的坐标确定椭圆轨迹方程中c的值，进而确定b的值
步骤八：基于步骤五所得的裂纹轴向距离X，将裂纹开口位置坐标代入步骤六所获得的椭圆形轨迹方程(b)求得y值，即裂纹尖端的纵坐标，记为yd。
步骤九：获得距离端面xp位置处轴段的半径Rc，通过Rc-yd计算裂纹扩展深度。
裂纹轴向位置及扩展深度，是由裂纹反射波及裂纹尖端衍射横波到达电磁声接收传感器的声程决定的。裂纹反射波可确定裂纹开口的位置信息，即裂纹尖端的横坐标信息；裂纹尖端衍射横波确定椭圆形轨迹；又已确定尖端点横坐标，可以很容易计算出裂纹尖端点的纵向坐标；该横坐标确定裂纹所在主轴的位置，纵坐标确定裂纹向轴心扩展的深度；
所采用的方法是通过主轴中心孔辐射声束角度可调的横波，遇到裂纹后发生反射的回波渡越时间确定裂纹位置，通过横波与裂纹尖端相互作用后衍射声波渡越时间，进一步确定扩展深度。具备声束可调功能的电磁声传感器和具备横波接收能力的电磁声传感器同时布置于主轴中心孔，利用反射波及裂纹尖端的衍射波，从而达到裂纹量化的目的。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
1、本发明利用在中心孔激励的声束可调超声波检测裂纹，通过分析裂纹反射波及尖端衍射的横波信息，解决了风力发电机主轴表面开口横向裂纹的量化表征问题。当前技术中，仅考虑在主轴端面进行激励的研究方法，而忽略了在中心孔激励的研究价值。本发明充分利用声束可调传感器布置于中心孔内进行超声波的激励检测，在检测机理上进行了创新。
2、本发明在主轴中心孔内同时配置了发射传感器和接收传感器即完成了裂纹轴向位置和扩展深度的测量，不仅避免了端面激励使能量损失严重导致信号幅值评定裂纹当量存在的弊端，还实现了非接触式电子扫描测量完成裂纹量化的目的。
3、本发明方法简化了椭圆轨迹数学模型的建立，在中心孔轴线位置建立正交直角坐标系，降低了由于倾斜坐标系带来的繁冗计算量，减小了计算误差。
4、本发明缩减了所使用传感器的数量，在利用一个激励传感器接收反射信号的同时，仅采用了一个接收传感器采集的衍射信号，降低了衍射波的渡越时间测量误差，从而提高了裂纹量化精度。
附图说明
图1是本发明实施例所检测主轴的尺寸和检测区域；
图2是本发明实施例中电磁声传感器采集的时域波形；
图3是本发明量化裂纹轴向位置和扩展深度的示意图；
图中：1—检测区域；2—激励传感器；3—反射波确定的圆形轨迹；4—表面开口横向裂纹；5—以主轴半径为纵坐标的直线；6—主轴中心线；7—裂纹衍射波确定的椭圆形轨迹；8—风力发电机主轴；9—接收传感器；10—主轴端面；11—主轴底面
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
根据本发明实施例，提供了一种在中心孔入射声束偏转角可调的超声波，用于量化风机主轴横向裂纹的方法。
风力发电机长期服役过程中，主轴与轴承压装表面容易产生表面开口横向裂纹，该裂纹直接降低了主轴力学性能，其质量能否继续满足使用要求，需要依靠无损检测手段进行检验。
本实施例采用的风力发电机主轴即图1中待测主轴(8)，主轴材料为42CrMo4。在距离主轴端面700mm处存在深度为10mm的横向裂纹。检测面选择主轴中心孔内壁。
本实施例采用的设备包括1台超声信号激励源、1只声束偏转电磁声传感器、1只电磁声接收传感器，1台信号采集设备，具体实施步骤如下：
步骤一：获取风力发电机主轴外形尺寸，如图1所示；确定检测区域，即距离主轴端面(650～850)mm的轴段(1)，该轴段的最大半径R＝283mm；实测中心孔直径d＝75mm；实测主轴纵波声速cL＝5928.000m/s，横波声速cs＝3260.000m/s。
步骤二：对主轴试件测试进行零点偏移校正。测得主轴试件零点偏移误差td为15.734μs。
步骤三：将声束可偏转的激励传感器(2)固定于主轴中心孔距离端面872.85mm的位置。并通过三角形关系得，声束偏转范围在6°～43°时，可实现对待检测区域的全扫描。
步骤四：在主轴中心孔中，距离主轴端面LE＝660mm位置布置电磁声接收传感器(7)，用于接收裂纹衍射横波。调整电磁声接收传感器(7)在中心孔内的方位角，使之与激励传感器(2)和主轴中心线(6)共面。
步骤五：利用超声信号激励源激励电磁声传感器(2)，记录触发脉冲零点时刻t0＝0.00μs，通过信号采集设备采集电磁声传感器输出信号，如图2所示。分别提取激发处的裂纹反射横波和接收处的裂纹衍射横波，并分别提取两个回波峰值对应的时刻t1＝199.81μs和ts＝178.81μs。校准后的时间为t1＝184.076μs和ts＝163.076μs。
步骤六：以主轴端面中心点为原点，主轴中心轴为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系。根据裂纹反射波渡越时间t1与声速cs确定激励点到裂纹开口处的距离L＝300.044mm，以激励点为圆心，L为半径作一个圆，同时作一条直线y＝283，与圆相交，确定在检测区域的交点到端面的距离X＝700.34mm。
步骤七：根据激励电磁声传感器位置坐标F(872.85，37.5)、电磁声接收传感器位置坐标E(660，37.5)和衍射横波渡越时间计算椭圆参数：椭圆轨迹长半轴a1＝265.814mm；短半轴b1＝243.579mm；半焦距c1＝106.425mm。根据上述参数确定的椭圆轨迹方程为：
根据椭圆方程，绘制椭圆轨迹(3)，如图3所示。
步骤八：基于步骤五所得的裂纹轴向距离X，确定裂纹开口横坐标为x＝700.34，将裂纹开口位置横坐标代入步骤六所获得的椭圆形轨迹方程(b)求得y值：
求得y＝273.431
步骤九：获得距离端面700.34位置处轴段的半径Rc＝283mm，计算裂纹扩展深度为9.569mm。

Claims (4)

1.一种利用主轴中心孔位置激励超声波来量化风机主轴表面横向裂纹的方法，其特征在于：该方法具体实施步骤包括：
步骤一：获取风力发电机主轴外形尺寸参数，基于主轴表面容易出现裂纹的位置，确定待检测区域；
步骤二：测量试件零点偏移误差；
步骤三：将声束可调的电磁声传感器放到主轴的中心孔中，距离主轴端面大于L2范围的任意位置L0，并记下该位置到主轴端面的距离，确定激励传感器到待检测区域两端的角度变化范围；
步骤四：在主轴中心孔中，距离主轴端面L1～L2范围内任意位置LE布置电磁声接收传感器，用于接收裂纹衍射横波；声束可调电磁声传感器、电磁声接收传感器与主轴轴线保证在同一平面；
步骤五：利用超声信号激励源激励声束可调的电磁声传感器，并记录触发脉冲零点时刻t0，调节激励频率改变声束角度使超声波沿着待监测区域进行扫描检测，同时接收裂纹反射波并记录反射波峰值对应的时刻t1；采集电磁声接收传感器输出信号，提取激发处的裂纹反射横波和接收处的裂纹衍射横波，以及裂纹衍射横波峰值对应时刻ts，同时基于零点偏移误差，对提取的渡越时间进行校准；
步骤六：以主轴端面中心点为原点，主轴中心轴为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系；根据接收的裂纹反射波渡跃时间以及横波声速确定裂纹到激励传感器的直线距离L，以激励点为圆心，L为半径作一个圆，同时作一条直线y＝R，与圆相交，其中位于检测区域的交点即为裂纹开口位置，记为P点，并记下P点到主轴端面的轴向距离；
步骤七：根据衍射横波渡越时间ts以及激励传感器位置L0、电磁声接收传感器位置LE，确定以激励传感器位置O、电磁声接收传感器位置E为焦点的椭圆形轨迹的参数，绘制椭圆形轨迹；
步骤八：基于步骤六所得的裂纹开口位置，确定其轴向坐标xp；将裂纹开口位置坐标代入步骤七所获得的椭圆形轨迹方程求得y值，即裂纹尖端的纵坐标，记为yd；
步骤九：获得距离端面xp位置处轴段的半径Rc，通过Rc-yd计算裂纹扩展深度。
2.根据权利要求1所述的利用主轴中心孔位置激励超声波来量化风机主轴表面横向裂纹的方法，其特征在于：裂纹轴向位置及扩展深度，是由裂纹反射波及裂纹尖端衍射横波到达电磁声接收传感器的声程决定的；裂纹反射波可确定裂纹开口的位置信息，即裂纹尖端的横坐标信息；裂纹尖端衍射横波确定椭圆形轨迹；又已确定尖端点横坐标，可以很容易计算出裂纹尖端点的纵向坐标；该横坐标确定裂纹所在主轴的位置，纵坐标确定裂纹向轴心扩展的深度。
3.根据权利要求1所述的利用主轴中心孔位置激励超声波来量化风机主轴表面横向裂纹的方法，其特征在于：通过在主轴中心孔辐射的有一定偏转角度的横波，遇到裂纹后发生反射的回波确定裂纹位置，通过横波与裂纹尖端相互作用后衍射声波，进一步确定扩展深度；具备声束可调功能的电磁声传感器和具备横波接收能力的电磁声传感器同时布置于主轴中心孔，利用裂纹开口反射波及裂纹尖端的衍射波，从而达到裂纹量化的目的。
4.根据权利要求1所述的利用主轴中心孔位置激励超声波来量化风机主轴表面横向裂纹的方法，其特征在于：实现该方法所需装置包括超声信号激励源、声束可调电磁声激励传感器、电磁超声接收传感器和信号采集设备；超声信号激励源与激励传感器连接，电磁声接收传感器与信号采集设备连接。
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