CN106872088B - 适应不同曲面的超声应力检测探头装置 - Google Patents

适应不同曲面的超声应力检测探头装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适应不同曲面的超声应力检测探头装置，包括：中间固定装置、左侧超声装置、右侧超声装置、左侧固定装置和右侧固定装置；中间固定装置在磁力作用下固定探头装置在被测介质表面；左侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置左侧，可在蜗杆带动下做定轴转动适应被测介质曲面，并可发射/接收超声波；右侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置右侧，可在左侧超声装置齿轮带动下同步做定轴转动以适应被测介质曲面，可发射/接收超声波；左侧固定装置通过螺纹孔和方形槽连接在左侧超声装置左侧，并通过磁力使左侧超声装置地固定在被测介质表面上并达到稳定的耦合状态；右侧固定装置与左侧固定装置的结构和功能相同。本发明采用上述结构的曲面超声无损检测探头及固定装置，可在服役情况下测定设备的平面与曲面应力。

Description

适应不同曲面的超声应力检测探头装置
技术领域：
本发明属于应力检测领域，具体地，涉及一种工件曲面应力检测装置，该装置体积小巧，质量轻，可以根据需要定量调节角度，适应不同大小的曲率，可广泛应用于不同曲率的工件弯曲表面的测量例如：输油输气管道，储气球罐，桥梁等；可以根据需要调节磁性吸附力大小，广泛应用于超声无损检测中传感器的固定领域。
背景技术：
残余应力是工件质量评估的一个重要标准，对服役的工件具有很大危害，例如，加速疲劳裂纹的产生，降低疲劳寿命，发生应力腐蚀、变形、失稳等，因此对材料的检测意义较大。当前最广泛采用的应变法和盲孔法存在有损设备和误差较大等缺陷，且装置较大不易携带，不便于测量。
超声波利用声弹性原理对残余应力进行测试，声弹性原理是指超声波的传播速度和工件中的应力呈现线性关系。目前使用较多、较为成熟的超声波测试波形为临界折射纵波，临界折射纵波是纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式，平行于待测工件的表面传播。固定收发探头之间的距离，根据临界折射纵波在工件中传播时间的变化则可以测试出工件中残余应力的状态。
在传统应力检测领域，残余应力检测通常以平面为主，对曲面的残余应力检测装置研发有所欠缺，尤其是在第一临界折射角的确定和装置固定方面。
由声弹性原理可知，超声波的入射角需确保为第一临界折射角。在平面检测中，超声波收发探头固定于一个有机玻璃楔块的两个相对的倾斜面，测试区域固定，且相对于待测工件表面的倾斜角度固定。这个固定的倾斜角是基于工件材料测试计算出的第一临界折射角。而在实际测量中存在很多曲面工件，由于平面检测装置的倾斜面固定且装置本身无法调节，使得在测量曲面应力时无法保证超声波按照第一临界折射角入射，造成很大误差，甚至错误。且由于曲面的曲率不同，固定装置若只适应一种曲率必造成极大浪费与设备冗杂，所以对于曲面应力检测，装置须能够根据不同的曲率进行精确调节，才能准确的使超声波按照第一临界折射角度入射，且能够广泛使用。
同时，曲面检测，尤其在非水平曲面检测方面，对装置的固定提出了更高要求。在传统的超声波无损检测领域，传感器的固定主要依靠技术人员手持并且按压在被测试工件表面，或用磁铁吸引固定。由于曲面工件的弯曲特性，技术人员无法保证传感器与被测工件表面充分耦合且部分曲面无法采用人工固定方式，以及由于设计使得磁铁吸引力不够等问题所造成的的测量结果的误差加大，甚至错误。
鉴于以上原因，本文提出一种可调角度以及能有效固定在工件弯曲表面的超声应力检测探头装置。
发明内容：
为了解决现有技术所存在的超声波换能器无法与被测设备的表面进行稳定耦合且缺少对设备曲面部分的测量装置的不足，本发明提供一种曲面超声无损检测装置，其具有精度高，操作简单的优点，能提供恒定的耦合压力，可检测服役状态下的设备的曲面部分。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
适应不同曲面的超声应力检测探头装置，包括：中间固定装置、左侧超声装置、右侧超声装置、左侧固定装置和右侧固定装置；其中，中间固定装置，在磁力作用下固定探头装置在被测介质表面；左侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置左侧，可在蜗杆带动下做定轴转动以适应被测介质曲面，左侧超声装置可发射/接收超声波；右侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置右侧，可在左侧超声装置齿轮带动下同步做定轴转动以适应被测介质曲面，右侧超声装置可发射/接收超声波；左侧固定装置通过螺纹孔和方形槽连接在左侧超声装置左侧，左侧固定装置通过磁力使左侧超声装置地固定在被测介质表面上并达到稳定的耦合状态；右侧固定装置与左侧固定装置的结构和功能相同。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：采用上述结构的曲面超声无损检测探头及固定装置，可在服役情况下测定设备的平面与曲面部分，测定其残余应力并评估其安全性。可自动适应所测表面的曲率，提供稳定的力的作用，耦合状态稳定，操作简单，安全可靠，对实验现场条件要求低，不会引发设备的损坏。使用该工具测量设备的残余应力，用温度检测修正模块测出被测物体的温度并进行温度补偿，为设备的检测提供了一种高效准确的方法。
附图说明：
图1a是超声应力检测探头装置的立体示意图；
图1b是超声应力检测探头装置的正视示意图；
图1c是超声应力检测探头装置的剖面示意图；
图1d是超声应力检测探头装置的剖面示意图；
图2a是左侧有机玻璃楔块的立体示意图；
图2b是左侧有机玻璃楔块的立体示意图；
图3是右侧有机玻璃楔块的立体示意图；
图4是中心块的立体示意图；
图5是两侧磁铁固定块及其装配情况的立体示意图；
图6a是蜗杆整体的立体示意图；
图6b是蜗杆整体的剖视示意图；
图7a是蜗杆旋入固定端的立体示意图；
图7b是蜗杆旋入固定端的剖视图；
图中：1、左侧磁铁固定块，2、中心块，3、左侧有机玻璃楔块，4、右侧有机玻璃楔块，5、蜗杆上端，6、旋入端，7、右侧磁铁固定块，8、热电阻，9、凸台，10、底板磁铁，11、方形磁铁，12、弹簧片，13、左侧有机玻璃楔块的蜗轮，14、右侧有机玻璃楔块的齿轮，15、轴承，16、左侧有机玻璃楔块的齿轮，17、超声换能器，18、超声换能器，19、凸台，20、蜗杆下端。
具体实施方式：
如图1a、图1b所示，适应不同曲面的超声应力检测探头装置，包括：中间固定装置、左侧超声装置、右侧超声装置、左侧固定装置和右侧固定装置；其中，中间固定装置，在磁力作用下固定探头装置在被测介质表面；左侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置左侧，可在蜗杆带动下做定轴转动以适应被测介质曲面，左侧超声装置可发射/接收超声波；右侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置右侧，可在左侧超声装置齿轮带动下同步做定轴转动以适应被测介质曲面，右侧超声装置可发射/接收超声波；左侧固定装置通过螺纹孔和方形槽连接在左侧超声装置左侧，左侧固定装置通过磁力使左侧超声装置地固定在被测介质表面上并达到稳定的耦合状态；右侧固定装置与左侧固定装置的结构和功能相同。
如图1、图4所示，中间固定装置，包括：中心块2、底板磁铁10、蜗杆上端5、蜗杆下端20；中间固定装置的主体是中心块2，中心块2顶板开有圆形阶梯通孔，底板开有螺纹孔和盲孔，侧面横向开有矩形通孔，左右两侧各有通孔和刻有角度盘的弧形结构；底板磁铁10上开有沉头孔，通过沉头螺钉与中心块2底板上的螺纹孔连接，从而通过磁力将中心块2固定在被测物体表面。中心块2顶板的圆形阶梯通孔和底板的盲孔用于放置和固定蜗杆。蜗杆由蜗杆上端5和蜗杆下端20通过螺纹连接而成，蜗杆上端5是一个方形板下接有圆杆，蜗杆下端20上有螺旋齿和底端凸起。中心块2上端的圆形阶梯通孔内设有轴承15，蜗杆上端5穿过圆形阶梯孔与轴承15配合，旋入端6旋入中心块2压紧轴承15；蜗杆下端20的底端凸起顶在中心块2的底板盲孔处，从而避免蜗杆转动时出现的垂直方向的偏移，蜗杆只能做定轴转动。中心块2的侧面横向开有矩形通孔，中心块2左右两侧各有小通孔，用于与左侧有机玻璃楔块3和右侧有机玻璃楔块4通过销钉连接；中心块2左右两侧各有刻有角度表的弧形结构，与左侧有机玻璃楔块3和右侧有机玻璃楔块4上的弧形凹槽相配合，可显示左右两侧有机玻璃楔块的旋转角度。
如图1，图2所示，左侧超声装置，包括：左侧有机玻璃楔块3、左侧有机玻璃楔块的蜗轮13、左侧有机玻璃楔块的齿轮16、超声换能器17、凸台9、热电阻8；其主体左侧有机玻璃楔块3右端有半圆形凸起，分别为左侧有机玻璃楔块的蜗轮13和左侧有机玻璃楔块的齿轮16，上端开有通孔，底端有凸台9，左端有螺纹孔和方形槽；左侧有机玻璃楔块3设有28°斜面；左侧有机玻璃楔块3通过销钉与中心块2相连，左侧有机玻璃楔块的蜗轮13与蜗杆下端20相啮合，蜗杆上端5转动时带动左侧有机玻璃楔块3做定轴转动；左侧有机玻璃楔块的齿轮16与右侧有机玻璃楔块的齿轮相啮合；左侧有机玻璃楔块3上端开有的通孔用以放置热电阻8，测量被测介质温度，用以温度补偿；换能器17通过螺纹固定在左侧有机玻璃楔块3的28°斜面上，用以发射/接收超声波；左侧有机玻璃楔块3上的凸台9与被测物体表面接触，达到耦合状态；左侧有机玻璃楔块3左端的螺纹孔和方形槽用于与左侧固定装置连接。
如图1、图3所示，右侧超声装置，包括：右侧有机玻璃楔块4、右侧有机玻璃楔块的齿轮14、超声换能器18、凸台19；其主体右侧有机玻璃楔块4的左端半圆形凸起为右侧有机玻璃楔块的齿轮14，底端有凸台19，右端有螺纹孔和方形槽；右侧有机玻璃楔块4通过销钉与中心块2相连；右侧有机玻璃楔块的齿轮14与左侧有机玻璃楔块的齿轮16相互啮合，当蜗杆转动时，左侧有机玻璃楔块3和右侧有机玻璃楔块4将同步转动，使左侧超声装置的凸台9和右侧超声装置的凸台19同时与被测物体曲面相接触，达到耦合状态；同时可以以旋入端6上的环形刻度尺作为指标，通过蜗杆转动的角度来计算左侧有机玻璃楔块3、右侧有机玻璃楔块4转动的角度和所测曲面的曲率；换能器18通过螺纹固定在右侧有机玻璃楔块4的28°斜面上，用以发射/接收超声波；右侧有机玻璃楔块4右端的螺纹孔和方形槽用于与右侧固定装置连接。
如图1、图5所示，左侧固定装置，包括：左侧磁铁固定块1、弹簧片12、方形磁铁11组成；右侧固定装置由右侧磁铁固定块4，弹簧片12，方形磁铁11组成；左右两侧固定装置完全相同，只对左侧固定装置进行说明。
如图2、图5所示，左侧磁铁固定块1上有两个通孔和两个凸出方形板，用以与左侧有机玻璃楔块3左端的螺纹孔和方形槽连接固定；左侧磁铁固定块1开有T型槽，与弹簧片12和方形磁铁11相配合，弹簧片12和方形磁铁11均开有通孔并通过沉头螺栓相连；方形磁铁11由于磁力的作用吸附在被测物体表面上，通过沉头螺栓将力传递给弹簧片12，弹簧片12压在T型槽的阶梯上并产生形变将左侧磁铁固定块1固定在被测物体表面。通过左侧磁铁固定块1、弹簧片12、方形磁铁11给左侧有机玻璃楔块3提供的力使左侧超声装置稳定地固定在被测物体的表面上并使凸台9与被测物体表面达到稳定的耦合状态。
上述装置的整体工作原理如下：首先将本装置放置在被测物体表面，中心块2通过底板磁铁10提供的磁力固定在被测物体表面；旋转蜗杆上端5，通过蜗杆下端20与左侧有机玻璃楔块的蜗轮13的配合，使左侧有机玻璃楔块3旋转，左侧有机玻璃楔块的齿轮16和右侧有机玻璃楔块的齿轮14的啮合使得左右侧有机玻璃楔块3、4同步转动来适应所测物体的曲面；通过左侧磁铁固定块1、和右侧磁铁固定块7提供的力使装置稳定地固定在被测物体曲面并使左右侧有机玻璃楔块3、4上的凸台9、19与被测物体表面达到稳定的耦合状态；读取旋入端6的环形刻度尺上蜗杆上端5转过的角度可得到所测物体表面的曲率；通过热电阻8测量被测介质温度来进行温度补偿；超声换能器17和18配合其他仪器进行超声波的发射和接收，以完成测量被测介质的残余应力。

Claims (6)

1.一种适应不同曲面的超声应力检测探头装置，包括：中间固定装置、左侧超声装置、右侧超声装置、左侧固定装置和右侧固定装置；其中，中间固定装置，在磁力作用下固定探头装置在被测介质表面；左侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置左侧，可在蜗杆带动下做定轴转动以适应被测介质曲面，左侧超声装置可发射/接收超声波；右侧超声装置通过销钉连接在中间固定装置右侧，可在左侧超声装置齿轮带动下同步做定轴转动以适应被测介质曲面，右侧超声装置可发射/接收超声波；左侧固定装置通过螺纹孔和方形槽连接在左侧超声装置左侧，左侧固定装置通过磁力使左侧超声装置稳定地固定在被测介质表面上并达到稳定的耦合状态；右侧固定装置与左侧固定装置的结构和功能相同。
2.根据权利要求1所述的适应不同曲面的超声应力检测探头装置，其特征在于，中间固定装置的主体是中心块，中心块顶板开有圆形阶梯通孔，底板开有螺纹孔和盲孔，侧面横向开有矩形通孔，左右两侧各有通孔和刻有角度盘的弧形结构；底板磁铁上开有沉头孔，通过沉头螺钉与中心块底板上的螺纹孔连接，从而通过磁力将中心块固定在被测物体表面；中心块顶板的圆形阶梯通孔和底板的盲孔用于放置和固定蜗杆；蜗杆由蜗杆上端和蜗杆下端通过螺纹连接而成，蜗杆上端是一个方形板下接有圆杆，蜗杆下端上有螺旋齿和底端凸起；中心块上端的圆形阶梯通孔内设有轴承，蜗杆上端穿过圆形阶梯孔与轴承配合，旋入端旋入中心块压紧轴承；蜗杆下端的底端凸起顶在中心块的底板盲孔处，从而避免蜗杆转动时出现的垂直方向的偏移，蜗杆只能做定轴转动；中心块的侧面横向开有矩形通孔，中心块左右两侧各有小通孔，用于与左侧有机玻璃楔块和右侧有机玻璃楔块通过销钉连接。
3.根据权利要求1或2所述的适应不同曲面的超声应力检测探头装置，其特征在于，左侧超声装置，包括：左侧有机玻璃楔块、左侧有机玻璃楔块的蜗轮、左侧有机玻璃楔块的齿轮、超声换能器、凸台、热电阻；主体左侧有机玻璃楔块右端有半圆形凸起，分别为左侧有机玻璃楔块的蜗轮和左侧有机玻璃楔块的齿轮，上端开有通孔，底端有凸台，左端有螺纹孔和方形槽；左侧有机玻璃楔块设有28°斜面；左侧有机玻璃楔块通过销钉与中心块相连，左侧有机玻璃楔块的蜗轮与蜗杆下端相啮合，蜗杆上端转动时带动左侧有机玻璃楔块做定轴转动；左侧有机玻璃楔块的齿轮与右侧有机玻璃楔块的齿轮相啮合；左侧有机玻璃楔块上端开有的通孔用以放置热电阻，测量被测介质温度，用以温度补偿；换能器通过螺纹固定在左侧有机玻璃楔块的28°斜面上，用以发射/接收超声波；左侧有机玻璃楔块上的凸台与被测物体表面接触，达到耦合状态；左侧有机玻璃楔块左端的螺纹孔和方形槽用于与左侧固定装置连接。
4.根据权利要求3所述的适应不同曲面的超声应力检测探头装置，其特征在于，右侧超声装置，包括：右侧有机玻璃楔块、右侧有机玻璃楔块的齿轮、超声换能器、凸台；其主体右侧有机玻璃楔块的左端半圆形凸起为右侧有机玻璃楔块的齿轮，底端有凸台，右端有螺纹孔和方形槽；右侧有机玻璃楔块通过销钉与中心块相连；右侧有机玻璃楔块的齿轮与左侧有机玻璃楔块的齿轮相互啮合，当蜗杆转动时，左侧有机玻璃楔块和右侧有机玻璃楔块将同步转动，使左侧超声装置的凸台和右侧超声装置的凸台同时与被测物体曲面相接触，达到耦合状态；同时可以以旋入端上的环形刻度尺作为指标，通过蜗杆转动的角度来计算左侧有机玻璃楔块、右侧有机玻璃楔块转动的角度和所测曲面的曲率；换能器通过螺纹固定在右侧有机玻璃楔块的28°斜面上，用以发射/接收超声波；右侧有机玻璃楔块右端的螺纹孔和方形槽用于与右侧固定装置连接。
5.根据权利要求4所述的适应不同曲面的超声应力检测探头装置，其特征在于，左侧固定装置，包括：左侧磁铁固定块、弹簧片、方形磁铁；右侧固定装置，包括：右侧磁铁固定块，弹簧片，方形磁铁；左右两侧固定装置完全相同、对称设置；左侧磁铁固定块上有两个通孔和两个凸出方形板，用以与左侧有机玻璃楔块左端的螺纹孔和方形槽连接固定；左侧磁铁固定块开有T型槽，与弹簧片和方形磁铁相配合，弹簧片和方形磁铁均开有通孔并通过沉头螺栓相连；方形磁铁由于磁力的作用吸附在被测物体表面上，通过沉头螺栓将力传递给弹簧片，弹簧片压在T型槽的阶梯上并产生形变将左侧磁铁固定块固定在被测物体表面；通过左侧磁铁固定块、弹簧片、方形磁铁给左侧有机玻璃楔块提供的力使左侧超声装置稳定地固定在被测物体的表面上并使凸台与被测物体表面达到稳定的耦合状态。
6.根据权利要求5所述的适应不同曲面的超声应力检测探头装置，其特征在于，中心块左右两侧各有刻有角度表的弧形结构，与左侧有机玻璃楔块和右侧有机玻璃楔块上的弧形凹槽相配合，可显示左右两侧有机玻璃楔块的旋转角度。
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