CN114509196A - 曲轴残余应力检测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及测量技术领域，且涉及一种曲轴残余应力检测装置。包括：声楔块，其下表面与曲轴的外表面贴合；第一超声纵波换能器，用于发射超声纵波，内嵌于声楔块的上表面；第二超声纵波换能器，用于接收超声纵波，内嵌于声楔块的上表面，且与所述第一超声纵波换能器呈一定角度间隔设置；隔离腔，设置于声楔块中位于第一超声纵波换能器和第二超声纵波换能器之间的位置，填充有非均质材料。本申请实施例不会对曲轴造成损伤，并且隔离腔可以起到较好的隔声效果，可有效防止第二超声纵波换能器直接接收到从第一超声纵波换能器发射并通过声楔块传递过来的超声纵波，从而提高残余应力检测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及曲轴残余应力检测装置。
背景技术
曲轴是发动机中最重要的部件。在曲轴工作的过程中，它受到弯曲扭转载荷的作用，因此要求曲轴有足够的强度和刚度。但是在制造过程和工作过程中，曲轴均会存在不同程度的残余应力。曲轴的残余应力对其疲劳强度、脆性和稳定性具有十分重要的影响。残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，但当曲轴在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便会出现裂纹和断裂。这种情况的发生大大影响了曲轴的工作寿命，严重的甚至危及到人类安全。因此，曲轴残余应力的准确检测是亟待解决的问题。
残余应力的检测方式分为无损、微损伤和有损伤等方式。微损伤检测方法和有损伤检测方法虽技术较为成熟，但都会对工件造成一定的损伤或破坏。无损检测技术的检测结果不够准确，不能达到理想的检测效果。
发明内容
鉴于现有技术的以上问题，本申请实施例提供一种曲轴残余应力检测装置。采用本申请实施例对曲轴残余应力进行检测，不会对曲轴造成损伤，并且隔离腔可以起到较好的隔声效果，可有效防止第二超声纵波换能器直接接收到从第一超声纵波换能器发射并通过声楔块传递过来的超声纵波，从而提高残余应力检测结果的准确性。
为达到上述目的，本申请第一方面提供了一种曲轴残余应力检测装置，包括：
声楔块，其下表面与曲轴的外表面贴合；
第一超声纵波换能器，用于发射超声纵波，内嵌于所述声楔块的上表面；
第二超声纵波换能器，用于接收所述超声纵波，内嵌于所述声楔块的上表面，且与所述第一超声纵波换能器呈一定角度间隔设置；
隔离腔，设置于所述声楔块中位于所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器之间的位置，且所述隔离腔中填充有非均质材料。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述装置还包括检测数据处理模块，与所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器电连接，用于根据所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器的检测数据得到所述曲轴在所述检测方向上的残余应力检测值。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述非均质材料包括泥浆。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述泥浆是由预设比例的原材料混合搅拌得到的；所述原材料包括预设尺寸的膨润土颗粒、水、烧碱和氯化钠。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述泥浆的密度范围为大于等于1500kg/m3且小于等于2000kg/m3，和/或，所述泥浆的粘度范围为大于等于0.05Pa.s且小于等于0.10Pa.s。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述残余应力的检测方向包括曲轴轴向和曲轴周向中的至少一种。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述检测数据处理模块用于：
从所述第一超声纵波换能器获取所述超声纵波的发射时间；
从所述第二超声纵波换能器获取所述超声纵波的接收时间；
根据所述发射时间和所述接收时间，得到所述超声纵波的传播时间；
根据所述传播时间得到所述曲轴在所述检测方向上的残余应力检测值。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述声楔块的下表面的曲率在所述贴合处与所述曲轴的外表面的曲率相适配。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述第一超声纵波换能器的轴线与所述曲轴的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；所述第二超声纵波换能器的轴线与所述曲轴的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；
其中，所述临界角为使所述第一超声纵波换能器发射的超声纵波在交界面产生的折射纵波的折射角的角度等于90°的入射角，所述交界面为所述声楔块与所述曲轴的交界面。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述声楔块相对于所述曲轴是声密介质。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述声楔块的材料选用有机玻璃。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述声楔块的下表面通过耦合剂与所述曲轴的外表面贴合。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述声楔块内部设置有填充耦合剂的空腔；所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器通过耦合剂与所述声楔块贴合。
作为第一方面的一种可能的实现方式，所述空腔的侧壁设置有通气孔以及用于封闭所述通气孔的密封件。
本申请第二方面提供了一种曲轴残余应力检测方法，包括：
将上述第一方面任一所述的曲轴残余应力检测装置的声楔块的下表面贴合于曲轴的外表面；
使用所述曲轴残余应力检测装置检测所述曲轴残余应力。
本发明的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
以下参照附图来进一步说明本发明的各个特征和各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所涉及领域的惯常的且对于本申请非必要的特征，或是额外示出了对于本申请非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本申请。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
图1为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置的一实施例的示意图；
图2为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置的一实施例的示意图；
图3为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置的超声纵波在界面发生折射的示意图；
图4为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测方法的一实施例的示意图。
具体实施方式
说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。
说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。
本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本发明，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义：
1)曲轴：曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。
2)超声波换能器：超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。
3)临界角：在研究全反射现象中，刚好发生全反射，即折射角为90度时的入射角是一个很重要的物理量，叫做临界角。
4)声密介质：声音在两种介质中传播，当从一种介质传到另一种介质时，声音发生全反射，则该介质是声密介质。声密介质中声速小于声疏介质(这一点与光波相同)。
5)金相组织：指金属组织中化学性质、晶体结构和物理性能相同的组成，其中包括固溶体、金属化合物及纯物质。
下面先对现有的方法进行介绍，然后再对本申请的技术方案进行详细介绍。
现有技术：曲轴是发动机中最重要的部件。曲轴有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。曲轴承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。在曲轴的工作中，它受到弯曲扭转载荷的作用。因此，要求曲轴有足够的强度和刚度。但是在制造过程和工作过程中，曲轴均会存在不同程度的残余应力。
对于曲轴的残余应力检测，通常都是工作人员手持检测头对曲轴进行检测。曲轴一般都是固定起来或直接置于平台上。为了提高检测效率，可以通过双轴电机、主动轮、从动轮以及传动带使主轴旋转起来，或通过主控箱来控制检测装置前后左右的移动。但是这些检测装置集成化程度高，必然导致检测精度的降低，比如检测装置无法和曲轴达到理想的接触。
残余应力的检测分为无损、微损伤和有损伤三类检测方式。微损伤和有损伤检测的原理是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，由测量其应变的变化来求出残余应力。以上两种方式虽技术较为成熟，但都会对工件造成一定的损伤或破坏。而无损检测却可以在不损伤或不影响工件使用性能的前提下，来测量残余应力。具体可以采用超声波无损检测方法对曲轴残余应力进行检测。超声波无损检测法基于声弹性原理，利用拉伸残余应力会减慢超声波传播速度，压缩残余应力会加快超声波传播速度这一原理来测得工件内的残余应力值。
现有技术存在着以下的缺陷：
(1)集成化程度高使得检测装置无法和曲轴达到理想的接触。
(2)微损伤和有损伤检测方式对工件造成一定的损伤或破坏。
(3)传统的超声波无损检测的检测结果不够准确，不能达到理想的检测效果。
基于上述现有技术所存在的技术问题，本申请提供了一种曲轴残余应力检测装置。本申请实施例提供的检测装置包括声楔块、第一超声纵波换能器、第二超声纵波换能器、隔离腔和检测数据处理模块。本申请实施例中，声楔块的下表面与曲轴的外表面贴合，因此可避免出现检测装置无法和曲轴达到理想的接触的问题。另一方面，本申请实施例采用超声波无损检测的方式对曲轴残余应力进行检测，不会对曲轴造成损伤。又一方面，通过隔离腔可以起到较好的隔声效果，可有效防止第二超声纵波换能器直接接收到从第一超声纵波换能器发射并通过声楔块传递过来的超声纵波，从而可以有效避免发生残余应力的检测结果错误，能够解决现有技术提到的检测结果不够准确的问题。
图1为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置的一实施例的示意图。如图1所示，该曲轴残余应力检测装置可以包括：
声楔块5，其下表面与曲轴7的外表面贴合；
第一超声纵波换能器1，用于发射超声纵波，内嵌于所述声楔块5的上表面；
第二超声纵波换能器4，用于接收所述超声纵波，内嵌于所述声楔块5的上表面，且与所述第一超声纵波换能1器呈一定角度间隔设置；
隔离腔3，设置于所述声楔块5中位于所述第一超声纵波换能器1和所述第二超声纵波换能器4之间的位置，且所述隔离腔3中填充有非均质材料。
如图1所示，本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置中的第一超声纵波换能器1和第二超声纵波换能器4，分别用于发射和接收超声纵波的声波信号。其中，超声纵波换能器是一种利用压电逆效应将输入的电功率转化为超声波，通过声楔块传递到被检测的曲轴中，而自身只消耗很少一部分功率，再利用压电效应将声波信号转化为电信号的设备。在一种实施方式中，所述装置还包括检测数据处理模块，与所述第一超声纵波换能器1和所述第二超声纵波换能器4电连接，用于根据所述第一超声纵波换能器1和所述第二超声纵波换能器4的检测数据得到所述曲轴7在所述检测方向上的残余应力检测值。
本申请实施例中，第二超声纵波换能器4基于残余应力的检测方向设置于与所述第一超声纵波换能器1的距离为预设长度的位置。第一超声纵波换能器1发射超声纵波。超声纵波通过声楔块5传播至曲轴7中，在曲轴7的检测方向上传播预置长度的距离后，被第二超声纵波换能器4接收。再根据声弹性原理，可以通过超声纵波折射到曲轴7中之后的传播速度的变化来获取曲轴7在检测方向上的残余应力检测值。其中，上述超声纵波的传播速度变化可以是相对于金相组织和表面粗糙度相同的情况下、超声纵波在零残余应力轴类构件的传播速度的变化。由于超声纵波在曲轴7中的传播速度无法直接获得，故可以测量超声纵波的传播时间的变化，从而根据传播时间的变化得到所述曲轴7在所述检测方向上的残余应力检测值。
检测数据处理模块接收第一超声纵波换能器1和第二超声纵波换能器4的检测数据。检测数据可包括超声纵波的发射时间和接收时间。根据检测数据以及不同检测方向所对应的计算公式，可得到所述曲轴7在检测方向上的残余应力检测值。
在本申请实施例中，可在声楔块5中设置隔离腔3。隔离腔3中充满非均质材料，可以起到较好的隔声效果。第一超声纵波换能器1作为超声纵波发射器；第二超声纵波换能器4作为超声纵波接收器。在一种实施方式中，可在声楔块5的对称中心处设置不贯通的隔离腔3，以防止超声纵波接收器直接接收到从超声纵波发射器发射并通过声楔块传递过来的声波信号，从而导致残余应力的检测结果错误。
采用本申请实施例对曲轴残余应力进行检测，不会对曲轴造成损伤，并且隔离腔可以起到较好的隔声效果，可有效防止第二超声纵波换能器直接接收到从第一超声纵波换能器发射并通过声楔块传递过来的超声纵波，从而提高残余应力检测结果的准确性。
在一种实施方式中，所述残余应力的检测方向包括曲轴轴向和曲轴周向中的至少一种。
其中，曲轴轴向方向可以是曲轴中圆柱的母线所在的方向；曲轴周向方向可以是曲轴中与圆柱母线垂直的截面上的圆周的弧线所在的方向。
如图1所示，在残余应力的检测方向为曲轴轴向的情况下，检测曲轴轴向方向上的残余应力检测值。第一超声纵波换能器1和第二超声纵波换能器4设置于曲轴中圆柱的同一条母线所在的直线上。图1中声楔块5与曲轴7的交界线也就是在该母线所在的直线上。并且，第二超声纵波换能器4与第一超声纵波换能器1的距离为预设长度。
在残余应力的检测方向为曲轴轴向的情况下，第一超声纵波换能器1发射超声纵波，通过声楔块5传播至曲轴7中，在曲轴7的曲轴轴向方向上传播预置长度的距离后，被第二超声纵波换能器4接收。
图2为本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置的一实施例的示意图。如图2所示，在本申请的另一种实施方式中，在残余应力的检测方向为曲轴周向的情况下，检测曲轴周向方向上的残余应力检测值。第一超声纵波换能器1和第二超声纵波换能器4设置于曲轴中与圆柱母线垂直的截面上的圆周的弧线所在的方向上。图2中声楔块5与曲轴7的交界线也就是该弧线所在的位置。并且，第二超声纵波换能器4与第一超声纵波换能器1的距离为预设长度。
在残余应力的检测方向为曲轴周向的情况下，第一超声纵波换能器1发射超声纵波，通过声楔块5传播至曲轴7中，在曲轴7的曲轴周向方向上传播预置长度的距离后，被第二超声纵波换能器4接收。
再根据声弹性原理，即拉伸残余应力会减慢超声波传播速度，压缩残余应力会加快超声波传播速度，故可以通过超声纵波折射到曲轴7中之后的传播速度的变化来获取曲轴7在检测方向上的残余应力检测值。
在一种实施方式中，所述声楔块5的下表面的曲率在所述贴合处与所述曲轴7的外表面的曲率相适配。
参见图1和图2，声楔块5的下表面的曲率与曲轴7的外表面的曲率是相适配的，以确保声楔块5和曲轴7紧密贴合。
在一种实施方式中，所述检测数据处理模块用于：
从所述第一超声纵波换能器1获取所述超声纵波的发射时间；
从所述第二超声纵波换能器4获取所述超声纵波的接收时间；
根据所述发射时间和所述接收时间，得到所述超声纵波的传播时间；
根据所述传播时间得到所述曲轴7在所述检测方向上的残余应力检测值。
当第一超声纵波换能器1和第一超声纵波换能器4之间的距离不变的情况下，或者在声程L不变的情况下，可先测得零残余应力状态下的曲轴的超声纵波的传播时间t0，再测得被测曲轴的超声纵波的传播时间t，然后根据二者的时间差就可以计算出被测曲轴的残余应力值σ。其中，可将零残余应力状态下的曲轴作为基准，零残余应力状态可以包括残余应力比较小的状态，可用σ0表示零残余应力状态下的曲轴的残余应力。曲轴轴向残余应力对应计算公式(1)为
σ-σ0＝KL(t-t0) (1)
所述曲轴周向残余应力对应计算公式(2)为
其中，σ表示被检测曲轴的残余应力；σ0表示零残余应力状态下的曲轴的残余应力；t0表示零残余应力状态下的曲轴的超声纵波的传播时间，t表示被测曲轴的超声纵波的传播时间；
表示零残余应力状态下超声纵波在曲轴中的传播速度；KL表示应力系数；
表示曲轴中临界折射纵波周向传播的弧长所对应的圆心角(单位为弧度rad)；D0表示曲轴的外径(单位为m)；β表示渗透深度修正系数，无量纲，与材料有关；F表示超声换能器的中心频率(单位为MHz)。
其中，KL与被检测曲轴的材料及发射超声纵波的超声纵波换能器和接收超声纵波的超声纵波换能器之间的距离有关，可通过拉伸试验标定获得。
本申请实施例中，将零残余应力状态下的曲轴的超声纵波的传播时间t0输入到检测数据处理模块中，分别利用上述公式(1)和公式(2)进行计算，即可以得出被检测曲轴的轴向残余应力检测值和周向残余应力检测值。
本申请实施例中，根据声弹性原理，超声纵波在临界面的折射纵波在曲轴7表面的渗透深度是超声纵波激发频率的函数，频率越低渗透深度越深。因此，可以通过改变超声纵波的频率来检测不同深度下的所述曲轴的残余应力。按目前常用的超声纵波换能器的中心频率(即激发频率)F＝0.5MHz～25MHz为例，临界折射纵波(critically refractedlongitudinal wave，LCR波)渗透深度D与中心频率F满足的对应计算公式(3)为
D＝β×F-0.96 (3)
在一种实施方式中，所述第一超声纵波换能器1的轴线与所述曲轴7的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；所述第二超声纵波换能器4的轴线与所述曲轴7的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；
其中，所述临界角为使所述第一超声纵波换能器1发射的超声纵波在交界面产生的折射纵波的折射角的角度等于90°的入射角，所述交界面为所述声楔块5与所述曲轴7的交界面。
参见图1和图2，本申请实施例中，第一超声纵波换能器1发射的超声纵波从第一声楔块5传播至所述曲轴7的外表面时，由于第一声楔块5及曲轴7的声阻抗不同，在第一声楔块5及曲轴7的交界面会发生折射现象。
参见图1和图2，在本申请的一种可选实施例中，第一超声纵波换能器1的轴线与声楔块5的下表面的切平面的法线所成的夹角为临界角。由于声楔块5的下表面与曲轴7的外表面是贴合的，也就是说，第一超声纵波换能器1的轴线与所述曲轴7的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角。因此，第一超声纵波换能器1发射的超声纵波在声楔块5和曲轴7的交界面上发生折射时，以临界角为入射角。
图3示出了本申请实施例中超声纵波在声楔块及曲轴的交界面处的折射示意图。如图3所示超声纵波发生折射时的入射角为θ1，折射角为θ2。本申请实施例中，θ2为90°时，θ1即为临界角。具体地，超声纵波的折射角大小θ2不仅与入射时的超声纵波的入射角大小θ1有关，还与超声纵波在两种介质(声楔块及曲轴)中的传播速度有关。上述折射角与入射角之间满足公式(4)所示的斯涅尔(Snell)定律：
其中，上述ν3可以表示超声纵波在声楔块中的传播速度，ν4可以表示超声纵波在零残余应力的曲轴表面的传播速度。
本申请实施例中，上述超声纵波换能器发射的超声纵波在上述声楔块及曲轴的交界面处发生折射。在入射角度为临界角时，超声纵波经折射后可以沿着曲轴表面进行传播。
在一种实施方式中，所述声楔块5相对于所述曲轴7是声密介质。
和光的传播相似，光的传播过程中的介质分为光密介质和光疏介质，声音的传播过程中的介质也分为声密介质和声疏介质。
例如，一束声音在声道中传播时，如果遇到两种介质(声道和声道外)的交界处时发生全反射，则声道中的介质称为声密介质，相对的，声道外的介质称为声疏介质。
两种介质中光密介质折射率较大，光疏介质折射率较小。折射率越大，声速越慢。也就是说声密介质中声波的传播速度小于声疏介质中的声波的传播速度。
在一种实施方式中，所述声楔块5的材料选用有机玻璃。
本申请实施例中，上述θ2为90°时，上述临界角具体可为：θ1＝arcsin(ν3/ν4)。在一个示例中，上述声楔块的材料可以为有机玻璃；上述曲轴的材料可以为合金结构钢。上述超声纵波在有机玻璃中的传播速度为2730m/s，而在合金结构钢中的传播速度为5200m/s。则经计算可得，上述临界角θ1为31.7°。则可设置上述第一超声纵波换能器1与声楔块5的下表面的切平面的法线所成的夹角为31.7°，且上述第二超声纵波换能器4与声楔块5的下表面的切平面的法线所成的夹角为31.7°，以使得上述第一超声纵波发射器1发射的超声纵波在上述声楔块及曲轴的表面发生折射，折射后的超声纵波可以沿曲轴表面传播至作为超声纵波接收器的第二超声纵波换能器4。
在本申请实施例中，声楔块5的材料可选为超声纵波在其内的传播速度小于在曲轴的传播速度的材料，以确保上述超声纵波在两种介质(声楔块及曲轴)中的传播速度的关系可以满足声楔块相对于曲轴是声密介质的条件。再根据满足斯涅尔(Snell)定律中折射角与入射角之间的关系可知，入射角为临界角时，折射声波可沿着两种介质的交界面传播。
在一种实施方式中，所述声楔块5的下表面通过耦合剂与所述曲轴7的外表面贴合。
本申请实施例中，声楔块包括与曲轴的曲率相适应的下表面，以便通过耦合剂能更好地与曲轴紧密贴合。本申请实施例所要解决的技术问题是提供用于准确检测曲轴轴向残余应力和周向残余应力的装置，根据所要加工曲轴的曲率，可设置适合曲轴曲率的声楔块，将所要加工的曲轴通过耦合剂与声楔块紧密贴合，使超声波得以传输到曲轴中。
参见图1和图2，在一种实施方式中，所述声楔块5内部设置有填充耦合剂的空腔2；所述第一超声纵波换能器1和所述第二超声纵波换能器4通过耦合剂与所述声楔块5贴合。
本申请实施例中，声楔块5内部设有用于填充耦合剂的空腔2，以达到更好的密封效果。具体地，可以在超声纵波换能器与声楔块耦合之前，将所述耦合剂注入空腔2内，并将空腔填满之后再将超声纵波换能器与声楔块耦合连接，这样可以使耦合连接的密封效果更好。
在一种实施方式中，所述空腔2的侧壁设置有通气孔6以及用于封闭所述通气孔6的密封件。
本申请实施例中，空腔2的侧壁还可以设有通气孔6及设有封闭通气孔的密封件。可将超声纵波换能器挤压耦合剂，使其与所述声楔块紧密贴合。在此过程中，部分溢出的耦合剂可以从空腔2的侧壁的通气孔6流出，这样可以确保空腔内充满耦合剂，保证其密封性。这种方式可以有效避免超声纵波换能器与声楔块耦合不充分而存在空气泡，进而影响声楔块传递超声纵波的情况发生。
在一种实施方式中，上述声楔块与曲轴之间填充的耦合剂，以及声楔块内部空腔中填充的耦合剂，可以采用医用耦合剂。
医用耦合剂的特点是PH值呈中性，无毒、无味、无刺激，不沾皮肤和衣服。医用耦合剂对皮肤无刺激、无过敏反应，且易擦除，具有良好触变性且不流淌，操作容易掌握。并且医用耦合剂的稳定性好，不受气候变化影响。本申请实施例中，使用医用耦合具有对超声探头无腐蚀、黏稠性适宜及良好的触变性的优点。
具体地，耦合剂的作用，首先是填充声楔块与曲轴之间的微小空隙，不使这些空隙间的微量空气影响超声纵波的穿透；其次是通过医用耦合剂使声楔块与曲轴之间的声阻抗差减小，从而减小超声能量在此界面的反射损失；另外，医用耦合剂还起到润滑的作用，减小声楔块与曲轴之间的摩擦；最后，医用耦合剂还起到过滤的作用，在发射超声纵波的换能器与声楔块之间充满所述医用耦合剂，以及在接收超声纵波的换能器与声楔块之间充满所述医用耦合剂，不但可以提高超声纵波的透声性能，还能过滤掉其他的超声横波，使更多的及能量更强的超声纵波通过医用耦合剂入射到曲轴中，进而得到更准确的检测结果。
在一种实施方式中，所述非均质材料包括泥浆。
参见图1和图2，本申请实施例中，在声楔块中位于第一超声纵波换能器和第二超声纵波换能器之间的位置，可设置隔离腔3。在一种可选的实施方式中，可在声楔块的对称中心设有不贯通的隔离腔3，并在隔离腔3中充满非均质材料。非均质材料可以起到较好的隔声效果，可防止超声纵波接收器直接接收到从超声纵波发射器发射并通过声楔块传递过来的声波信号，从而导致残余应力的检测结果错误。
在一种实施方式中，所述泥浆是由预设比例的原材料混合搅拌得到的；所述原材料包括预设尺寸的膨润土颗粒、水、烧碱和氯化钠。
本申请实施例中，非均质材料可选用泥浆。泥浆具有不均匀且含有一定固相颗粒的特点。在一个示例中，可利用颗粒粒径为0.1mm左右的膨润土与水混合搅拌而成泥浆，并加入适量的烧碱和氯化钠，使泥浆具有一定的粘度。
在一种实施方式中，所述泥浆的密度范围为大于等于1500kg/m3且小于等于2000kg/m3，和/或，所述泥浆的粘度范围为大于等于0.05Pa.s且小于等于0.10Pa.s。在一种优选的实施方式中，可以使泥浆的粘度等于0.10Pa.s。
在又一个示例中，可使用目数为75目的筛网筛选出颗粒粒径为0.2mm左右的膨润土与水混合搅拌而成泥浆，使膨润土与水混合搅拌后的密度保持在大于等于1500kg/m3且小于等于2000kg/m3的范围之内，并加入适量的烧碱和氯化钠，使泥浆的粘度保持在0.10Pa.s左右。可使用1006型泥浆粘度计对泥浆粘度进行测量。粘度值是由粘度计中流出固定体积泥浆所需时间与流出清水所需时间的比值来确定。所述粘度计的精度可达到1mPa.s。在泥浆配置过程中，由于膨化土很难与水完全融合，易沉淀于水底，应将配置好的泥浆进行长时间的搅拌，使其均匀后再进行残余应力的检测。
超声纵波在传播过程中的衰减形式主要有散射衰减和粘滞吸收衰减。一方面，由于泥浆中固相颗粒表面的不均匀性，当超声纵波传播到颗粒上时，超声纵波的能量不断向周围辐射，使所声纵波不能绕射过散射颗粒从而达到衰减的效果。另一方面，由于泥浆的粘度，使得超声纵波相邻质点之间产生运动速度差，导致内摩擦力的产生，即粘滞力。进而致使超声纵波信号振动过程中的阻尼增大，使得超声纵波的振动机械能转化为热能而使能量不断损耗从而达到衰减的效果。
在一种实施方式中，在隔离腔中填满泥浆之后，也可以用密封件将其封住，以保证泥浆不会从隔离腔中流出来。
综上，本申请实施例提供的曲轴残余应力检测装置可用于监测曲轴加工过程中轴向残余应力和周向残余应力，便于后续残余应力的消除及均化，实现零应力加工。一方面，本申请实施例采用超声无损检测技术，不会对曲轴7造成损伤，从而可避免在检测过程中增加曲轴7内部的残余应力的情况；另一方面，本申请实施例中发射及接收的超声纵波对人体无害，从而可避免在曲轴7加工及检测过程对操作人员造成伤害；再一方面，本申请实施例提供了曲轴7轴向残余应力和周向残余应力的检测，可对曲轴7的残余应力的检测更为全面，以便达到更好的加工效果。
如图4所示，本申请还提供了相应的一种曲轴残余应力检测方法的实施例，关于该方法的有益效果或解决的技术问题，可以参见与方法分别对应的装置中的描述，或者参见发明内容中的描述，此处不再一一赘述。
在该曲轴残余应力检测方法的实施例中，该方法包括：
步骤S410，将上述任一所述的曲轴残余应力检测装置的声楔块的下表面贴合于曲轴的外表面；
步骤S420，使用所述曲轴残余应力检测装置检测所述曲轴残余应力。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种曲轴残余应力检测装置，其特征在于，包括：
声楔块，其下表面与曲轴的外表面贴合；
第一超声纵波换能器，用于发射超声纵波，内嵌于所述声楔块的上表面；
第二超声纵波换能器，用于接收所述超声纵波，内嵌于所述声楔块的上表面，且与所述第一超声纵波换能器呈一定角度间隔设置；
隔离腔，设置于所述声楔块中位于所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器之间的位置，且所述隔离腔中填充有非均质材料。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括检测数据处理模块，与所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器电连接，用于根据所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器的检测数据得到所述曲轴在所述检测方向上的残余应力检测值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非均质材料包括泥浆。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述泥浆是由预设比例的原材料混合搅拌得到的；所述原材料包括预设尺寸的膨润土颗粒、水、烧碱和氯化钠。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述泥浆的密度范围为大于等于1500kg/m3且小于等于2000kg/m3，和/或，所述泥浆的粘度范围为大于等于0.05Pa.s且小于等于0.10Pa.s。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一超声纵波换能器的轴线与所述曲轴的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；所述第二超声纵波换能器的轴线与所述曲轴的外表面的切平面的法线所成的夹角为临界角；
其中，所述临界角为使所述第一超声纵波换能器发射的超声纵波在交界面产生的折射纵波的折射角的角度等于90°的入射角，所述交界面为所述声楔块与所述曲轴的交界面。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述声楔块相对于所述曲轴是声密介质。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述声楔块内部设置有填充耦合剂的空腔；所述第一超声纵波换能器和所述第二超声纵波换能器通过耦合剂与所述声楔块贴合。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述空腔的侧壁设置有通气孔以及用于封闭所述通气孔的密封件。
10.一种曲轴残余应力检测方法，其特征在于，包括：
将权利要求1-9任一所述的曲轴残余应力检测装置的声楔块的下表面贴合于曲轴的外表面；
使用所述曲轴残余应力检测装置检测所述曲轴残余应力。
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