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

本发明专利技术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，本发明专利技术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。化表征。化表征。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。专利技术专利《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。
[0004]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。本专利技术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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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，本专利技术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。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术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：
[0007]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c
L
和横波声速c
s
。
[0008]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t
m
，并利用端面到底部的距离及声速测得理论时间t
n
，用t
m
‑
t
n
求得试件的零点偏移误差t
d
，后续测得实际渡越时间需减去t
d
进行校准。
[0009]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。
[0010]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L
E
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。
[0011]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t
s
，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、t
s
精度为纳秒级。
[0012]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c
s
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。
[0013]步骤七：根据衍射横波渡越时间t
s
以及激励传感器位置L0、电磁声接收传感器位置L
E
，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：
[0014][0015]其中，通过衍射横波渡越时间t
s
以及横波声速c
s
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
[0016][0017]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y
d
。
[0018]步骤九：获得距离端面x
p
位置处轴段的半径R
c
，通过R
c
‑
y
d
计算裂纹扩展深度。
[0019]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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L
E
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t
s
，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t
s
以及激励传感器位置L0、电磁声接收传感器位置L
E
，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国荣，董宝雨，吕炎，程俊，何存富，吴斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：