CN109239198B - 一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法 - Google Patents

一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法，本发明利用压电传感器以圆形扫查方式在主轴端面辐射超声波，并在主轴中心孔内壁布置两个筒形电磁声传感器，用于接收超声波与裂纹作用后的衍射波；通过两个电磁声传感器接收到的衍射信号时间分别建立声波衍射点椭圆轨迹；利用两个椭圆轨迹的交点确定裂纹尖端位置，从而得到主轴横向裂纹向轴心扩展的深度以及裂纹距主轴端面的长度。本发明通过衍射波对主轴横向裂纹进行检测，实现了风力发电机横向裂纹扩展深度和位置的精确评价。

Description

一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机主轴圆周表面开口横向裂纹的衍射波检测方法，属于无损检测领域。
背景技术
风能具有来源的无限性，存在的广泛性，开发利用的清洁性等优势，是目前应用规模最大的新能源发电方式。当前，水平轴风电机组是世界风电发展的主流机型，主要由机械传动、电气和控制三大***组成。主轴作为传动***核心部件，直接承担了支撑轮毂处传递的扭矩，是风能转化为机械能后第一道能量传输载体。主轴不仅遭受温差大、腐蚀强、沙尘多等恶劣工况带来的侵蚀，更是长期承受扭矩、轴向推力及气动弯矩等复杂应力作用，极易产生表面开口的横向裂纹，严重威胁风电机组的运行安全，甚至造成安全事故。对风机主轴实施定量检测，并及时采取风险管控措施，成为保障主轴运行安全的关键。
风机主轴是由多个轴段组成的具有中心孔的大型回转体，各轴段间有台肩、倒角、圆角及卸荷槽等轮廓特征。复杂的轮廓结构及大型尺寸是风机主轴的主要特点。针对风机主轴的裂纹检测，主要存在裂纹相对主轴尺寸较小，定位和量化表征困难；轮廓特征处的裂纹，端面检测受轮廓影响，回波识别困难；横向裂纹垂直于中心轴，圆周面检测效果不佳。目前，常规超声检测方法采用主轴端面和圆周面进行探伤，但存在较大局限性，例如：基于反射声波幅值的定量技术，主轴小裂纹量化精度低，检测过程受人为因素影响大；端面检测横向裂纹，小裂纹容易漏检，周向检测横向裂纹不敏感。当前面临的检测现状，尚不能针对主轴横向裂纹进行有效检测，并较为精确的评价开口较浅的横向裂纹。
本发明针对风力发电机主轴横向裂纹检测问题，提出了一种依靠主轴端面和中心孔实施的衍射波检测新方法，实现主轴裂纹位置和扩展深度的精确量化检测。
发明内容
本发明提供了一种利用裂纹尖端对声波衍射特性检测主轴横向裂纹的方法。采用纵波压电传感器在主轴端面辐射超声波，通过主轴中心孔内壁接收衍射声波，实现主轴圆周表面开口横向裂纹的检测。该方法可解决主轴端面检测横向裂纹难定量的问题，以及圆周面检测横向裂纹不敏感的问题，可达到裂纹位置和扩展深度较为准确评价的目的。相比于轴类工件检测的其他方法，本发明更有利于实现对主轴圆周表面开口扩展深度较浅的横向裂纹检测，避免回波幅值定量裂纹存在的弊端。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法，实现该检测方法所需装置包括超声信号激励源、纵波压电传感器、电磁声传感器和信号采集设备，其中，超声信号激励源与纵波压电传感器连接，电磁声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全尺寸参数，实测主轴纵波声速cL。选择中心频率为f，直径为Dp的纵波压电传感器，保证传感器在主轴材料中的指向角小于5°。其中，f的范围为2.5MHz～10MHz；Dp的范围为(10～30)mm。
步骤二、依据主轴中心孔直径d，设计两只筒形电磁声传感器。电磁声传感器的线圈采用回折线圈，回折方向沿筒形圆周方向，回折线圈间距为
Figure GDA0002691097170000021
线圈匝数为(10～20)匝。其中，线圈周向长度为πd。电磁声传感器采用筒形永磁铁，永磁铁磁化方向沿筒轴线方向；将两块永磁铁分别布置于回折线圈两侧，异名磁极相对，并固定线圈与永磁铁相对位置；筒形永磁铁外径小于主轴中心孔尺寸(1～2)mm。
步骤三、获取主轴检测范围，即裂纹容易产生的区域。并将检测区域分为若干个(30～70)mm的小检测区域段；
步骤四、获得小检测区域段边界与主轴端面的距离H1和H2，H1<H2；在主轴端面将纵波压电传感器置于半径为Ri的圆周上，保证小检测区域段近表面能够被辐射到超声波。
步骤五、分别将两只电磁声传感器分别置于主轴中心孔内部，电磁声传感器与主轴端面距离分别为H2和H2+(20～50)mm位置。
步骤六、激励源激励纵波压电传感器，并记录激励起始时刻t0；分别采集两只电磁声传感器输出信号，并分别记录衍射波到达时刻t1和t2。
步骤七、以主轴端面中心点为圆心，主轴中心轴为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系；根据纵波压电传感器位置坐标F(0，Ri)、两只电磁声传感器位置坐标
Figure GDA0002691097170000031
分别建立两个椭圆轨迹；其中一个椭圆轨迹的两个焦点分别为F、F1，长轴长度为cL×(t1-t0)，另一个椭圆轨迹的两个焦点分别F、F2，长轴长度为cL×(t2-t0)。
步骤八、在步骤七所获得的两个椭圆轨迹上，寻找两个椭圆轨迹的交点；将y值大的交点记为裂纹尖端衍射点P(xp,yp)。
步骤九、横向裂纹在主轴中的位置通过P点横坐标xp表示；在此基础上，获得距离端面xp位置处主轴横截面半径Rc，通过Rc-yp计算得到裂纹扩展深度。
步骤十、在主轴端面沿半径为Ri的圆移动纵波压电传感器，依据步骤六至步骤九得到主轴不同圆周方向上横向裂纹的位置和扩展深度。
步骤十一、在主轴端面，根据不同小检测区域段的位置，调整纵波压电传感器扫查半径Ri，重复步骤四至步骤十，直到检测完所有小区域段为止。
裂纹位置及扩展深度，是利用裂纹尖端衍射声波分别到两只电磁声传感器的声程共同决定的，即衍射波一个时间对应的一个衍射波声程，从而确定一个椭圆轨迹；衍射波另一个时间对应的第二个衍射波声程，从而确定第二个椭圆轨迹；两个轨迹的交点即为裂纹尖端衍射点；该衍射点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到的深度位置；
所采用的方法利用纵波压电传感器在主轴端面辐射声波，利用电磁声传感器在主轴中心孔内部接收信号。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
1、本发明利用裂纹尖端对声波的衍射特性，针对风力发电机主轴表面开口横向裂纹，提出了一种有效的检测手段；同时，利用衍射波到达时间检测裂纹位置和扩展深度，避免了回波幅值评定裂纹当量存在的弊端。
2、本发明提出的在主轴端面辐射超声波，在主轴中心孔内壁接收裂纹尖端衍射信号的检测方法，对风力发电机主轴圆周外表面生长的小裂纹检测灵敏，解决了常规检测方法在主轴端面和圆周表面检测该类裂纹不敏感的难题。
附图说明
图1是本发明评价裂纹位置和扩展深度的示意图；
图2是本发明实施例所检测主轴的尺寸和检测区域；
图3是本发明实施例所设计的电磁声传感器；
图4是本发明实施例中传感器布置及声束覆盖示意图；
图5是本发明实施例中电磁声传感器采集的时域波形；
图6是本发明实施例获得的裂纹位置和扩展深度；
图中：1—纵波压电传感器；2—衍射波确定的椭圆轨迹1；3—表面开口横向裂纹；4—衍射波确定的椭圆轨迹2；5—风力发电机主轴；6—主轴中心线；7—电磁声传感器；8—筒形永磁铁；9—回折线圈
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
风力发电机在长期服役过程中，容易在主轴圆周面产生表面开口的横向裂纹，该裂纹直接威胁主轴运行安全，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验证。
本实施例采用的风力发电机主轴即图1中待测主轴5，主轴材料为42CrMo4，其结构如图2所示，在距离主轴端面121.60mm处存在深度为5mm的表面开口横向裂纹3。检测面为主轴法兰侧端面和中心孔内壁。
本实施例采用的设备包括1台超声信号激励源、2只纵波压电传感器、2只电磁声传感器，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全尺寸参数，如图2所示。实测该主轴超声纵波速度cL＝5790m/s。选择2只中心频率为5MHz，直径Dp＝20mm的纵波压电传感器，辐射角分别为0°和8°，此时纵波压电传感器在主轴中的指向角为4.05°。
步骤二、依据主轴中心孔直径d＝40mm，设计两只筒形电磁声传感器，如图3所示。电磁声传感器的线圈采用回折线圈9，回折方向沿筒形圆周方向，回折线圈间距为W＝0.58mm，回折周期数为20。线圈周向长度为125.60mm。电磁声传感器采用筒形永磁铁8，永磁铁磁化方向沿筒轴线方向；将两块永磁铁8分别布置于回折线圈9两侧，异名磁极相对，并固定线圈与永磁铁相对位置；筒形永磁铁外径DM＝38mm。
步骤三、在距离端面(100～170)mm范围内为裂纹高发部位，该区域为检测区域，如图2所示。将检测区域均分为2个小检测区域段，分别为A(100～130)mm、B(130～170)mm。
步骤四、检测区域A边界与主轴端面的距离H1＝100mm和H2＝130mm；将辐射角为0°的纵波压电传感器1置于主轴端面半径R1＝90mm的圆周上，由于纵波压电传感器具有4.05°扩散角，故可保证(100～130)mm区域段近表面能够被辐射到超声波，如图4所示。
步骤五、分别将两只第一电磁声传感器和第二电磁声传感器7分别置于中心孔内部，与主轴端面距离分别为130mm和150mm，如图4所示。
步骤六、采用超声信号激励源激励纵波压电传感器，并记录激励起始时刻t0＝0μs；采用信号采集设备分别采集第一电磁声传感器和第二电磁声传感器输出信号，并分别记录衍射波到达时刻t1＝32.54μs和t2＝33.41μs，如图5所示。
步骤七、如图6所示，以主轴端面中心点为圆心O，主轴中心轴6为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系；根据纵波压电传感器位置坐标F(0,90)、第一电磁声传感器位置F1(130，20)、第二电磁声传感器位置F2(150，20)分别建立两个椭圆轨迹；其中一个椭圆轨迹2的两个焦点分别为F(0,90)、F1(130,20)，长轴长度为188.41mm，另一个椭圆轨迹4的两个焦点分别F(0,90)、F2(150,20)，长轴长度为193.44mm。
步骤八、在步骤七所获得的两个椭圆轨迹上，获取两个椭圆轨迹的交点，坐标分别为P1(122.90,85.03),P2(133.10,-4.82)。将y值大的交点P1(122.90,85.03)，记为裂纹尖端衍射点。
步骤九、横向裂纹在主轴中的位置通过P1点横坐标xp＝122.90mm表示；在此基础上，获得距离端面xp＝122.90mm位置处主轴横截面半径Rc＝89.36mm，此时可确定裂纹扩展深度为4.33mm，如图6所示。
步骤十、在主轴端面沿半径为R1＝90mm的圆移动纵波压电传感器。依据步骤六至步骤九，对出现衍射信号位置测试横向裂纹的位置和扩展深度。
步骤十一、针对检测区域B，采用辐射角为8°的纵波压电传感器1进行检测，将其位置调整到半径R2＝65mm的扫查圆周上，如图4所示。由于该传感器具有4.05°的扩散角，故可保证检测区域B(130～170)mm近表面能够被辐射到超声波。
步骤十二、调整电磁声传感器在主轴中心孔内部位置，使之距离主轴端面分别为170mm和190mm。
步骤十三、按照步骤六至步骤十所述的方法，测试检测区域B中裂纹位置和扩展深度，直到纵波压电传感器在半径R2＝65mm的检测路径上扫查完毕为止。

Claims (3)

1.一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法，其特征在于：实现该检测方法所需装置包括超声信号激励源、纵波压电传感器、电磁声传感器和信号采集设备，其中，超声信号激励源与纵波压电传感器连接，电磁声传感器与信号采集设备连接，该方法具体实施步骤包括如下，
步骤一、获取风力发电机主轴全尺寸参数，实测主轴纵波声速cL；选择中心频率为f，直径为Dp的纵波压电传感器，保证传感器在主轴材料中的指向角小于5°；其中，f的范围为2.5MHz～10MHz；Dp的范围为(10～30)mm；
步骤二、依据主轴中心孔直径d，设计两只筒形电磁声传感器；电磁声传感器的线圈采用回折线圈，回折方向沿筒形圆周方向，回折线圈间距为
Figure DEST_PATH_FDA0001772526050000011
线圈匝数为(10～20)匝；其中，线圈周向长度为πd；电磁声传感器采用筒形永磁铁，永磁铁磁化方向沿筒轴线方向；将两块永磁铁分别布置于回折线圈两侧，异名磁极相对，并固定线圈与永磁铁相对位置；筒形永磁铁外径小于主轴中心孔尺寸(1～2)mm；
步骤三、获取主轴检测范围，即裂纹容易产生的区域；并将检测区域分为若干个(30～70)mm的小检测区域段；
步骤四、获得小检测区域段边界与主轴端面的距离H1和H2，H1<H2；在主轴端面将纵波压电传感器置于半径为Ri的圆周上，保证小检测区域段近表面能够被辐射到超声波；
步骤五、分别将两只电磁声传感器分别置于主轴中心孔内部，电磁声传感器与主轴端面距离分别为H2和H2+(20～50)mm位置；
步骤六、激励源激励纵波压电传感器，并记录激励起始时刻t0；分别采集两只电磁声传感器输出信号，并分别记录衍射波到达时刻t1和t2；
步骤七、以主轴端面中心点为圆心，主轴中心轴为x轴，端面半径为y轴，建立平面直角坐标系；根据纵波压电传感器位置坐标F(0，Ri)、两只电磁声传感器位置坐标
Figure DEST_PATH_FDA0001772526050000021
分别建立两个椭圆轨迹；其中一个椭圆轨迹的两个焦点分别为F、F1，长轴长度为cL×(t1-t0)，另一个椭圆轨迹的两个焦点分别F、F2，长轴长度为cL×(t2-t0)；
步骤八、在步骤七所获得的两个椭圆轨迹上，寻找两个椭圆轨迹的交点；将y值大的交点记为裂纹尖端衍射点P(xp,yp)；
步骤九、横向裂纹在主轴中的位置通过P点横坐标xp表示；在此基础上，获得距离端面xp位置处主轴横截面半径Rc，通过Rc-yp计算得到裂纹扩展深度；
步骤十、在主轴端面沿半径为Ri的圆移动纵波压电传感器，依据步骤六至步骤九得到主轴不同圆周方向上横向裂纹的位置和扩展深度；
步骤十一、在主轴端面，根据不同小检测区域段的位置，调整纵波压电传感器扫查半径Ri，重复步骤四至步骤十，直到检测完所有小区域段为止。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法，其特征在于：裂纹位置及扩展深度，是利用裂纹尖端衍射声波分别到两个电磁声传感器的声程共同决定的，即衍射波一个时间对应的一个衍射波声程，从而确定一个椭圆轨迹；衍射波另一个时间对应的第二个衍射波声程，从而确定第二个椭圆轨迹；两个轨迹的交点即为裂纹尖端衍射点；该衍射点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到的深度位置。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机主轴横向裂纹衍射波检测方法，其特征在于：所采用的方法利用纵波压电传感器在主轴端面辐射声波，利用电磁声传感器在主轴中心孔内部接收信号。
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