CN112098519B - 一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法 - Google Patents

一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法 Download PDF

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Abstract

一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，步骤如下：1)对齿轮进行数值模拟分析，分析齿轮运行中应力集中分布部位；2)制备齿轮模拟对比试块；3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处，加工纵向人工槽缺陷；4)设计双晶片纵波探头，发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置；5)识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷，制作人工槽AVG曲线作为基准；6)探头放置在相邻两齿之间，沿着两齿的齿面移动，若齿面无裂纹缺陷时，仪器屏幕上出现单一波峰；若齿面有裂纹缺陷时，仪器屏幕上不出现波峰或波峰较无裂纹时低；本发明能够实现带油污进行在役风机齿轮裂纹的识别，且检测准确率高。

Description

一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法。
背景技术
在风力发电机组齿轮传动过程中，由于工况的变化以及环境、管理维护等诸多因素的影响，齿轮容易出现断齿及裂纹、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等问题，据资料介绍，断齿及裂纹占齿轮故障率45.5％，齿轮的断裂多发生在齿根、齿身和齿面部位。导致断齿及裂纹的原因很多，包括制造质量差、过载、疲劳使用、磨削裂纹、淬火裂纹以及疲劳裂纹等。轮齿啮合时齿根处的局部啮合应力较大，再加之齿轮超载运行、瞬时产生的冲击、装配精度粗糙以及齿轮选材不足、可能会造成轮齿断裂；因加工工艺不完善造成的齿面、齿根应力集中，在齿轮周期性运转过程中会在齿根处形成细微裂纹，如果裂纹未被及时检测出来，将会恶化成断齿故障，严重影响安全生产。
目前，在役风力发电机组齿轮的维护主要是巡检听异响、或者依据振动监测判断，这些监督手段都是在齿轮失效后才能被发现的。还有采用表面检测技术对齿轮定期检验，缺点是由于齿轮工作环境限制，检测设备难以到达，表面检测难以实施，再者齿轮检测部位油污难清理，清理不干净，降低表面检测的灵敏度，造成缺陷漏检。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，该方法能够实现带油污进行在役风机齿轮裂纹的识别，且检测准确率高。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，包括以下步骤：
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析，结合实际工况，明确齿轮运行中应力集中分布的部位；
(2)制备齿轮模拟对比试块，并按齿圈加工工艺进行热处理，使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能；
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处，加工纵向人工槽缺陷；齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中，从前到后，第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm；第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm；第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm；第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm；
(4)设计双晶片纵波探头，探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配，能够耦合，探头内含发射晶片和接收晶片，晶片频率为5MHz，晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT，晶片长宽尺寸为6×6mm，发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置，使得检测声束折射角α度数为70°，发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置；
(5)采用双晶片纵波探头，识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷，制作人工槽AVG曲线，自动存入与双晶片纵波探头相连接的超声波仪器中，作为后续评价基准；
(6)将双晶片纵波探头放置在被测齿轮相邻两齿之间，沿着两齿的齿面移动，若齿面无裂纹缺陷时，表面下纵波沿齿面传播，超声波仪器屏幕上出现单一波峰；若齿面有裂纹缺陷时，超声波仪器屏幕上不出现波峰，或波峰比步骤(5)的人工槽AVG曲线低。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析，结合实际工况，分析齿轮运行中应力集中分布部位，进一步对在役风机齿轮检测提供方向性。利用超声检测技术，开发齿轮检测专用工艺，有针对性地研制专用检测探头和缺陷模拟对比试块，对在役风电机组的主要齿轮开展现场检测，可有效检测出传统目视检验无法发现的齿轮早期缺陷，为今后有计划开展齿轮的金属监督检验提供了新的、可靠的检测方法，有效提升风机齿轮的运行的安全可靠性。
附图说明
图1为齿轮模拟对比试块图。
图2为双晶片纵波探头结构及检测声束的传播图。
图3为无裂纹时仪器显示的波峰图。
图4为有较大裂纹及较小裂纹时仪器显示的波峰图，其中：图4(a)中是有较深裂纹时不出现波峰，图4(b)中是有较小裂纹时的波峰。
图5是本发明的流程图。
图6为AVG曲线图；图6(a)为无缺陷时波形图；图6(b)为有缺陷时波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
参照图5，一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，包括以下步骤：
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析，结合实际工况，明确齿轮运行中应力集中分布的部位。
(2)制备齿轮模拟对比试块，并按齿圈加工工艺进行热处理，使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能。
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处，加工纵向人工槽缺陷；参照图1，齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中，从前到后，第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm；第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm；第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm；第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm。
这样设计齿轮对比试块，基本模拟了齿轮面各位置的裂纹；纵向人工槽缺陷的位置排布，操作使用简单；能发现最小为1mm的裂纹，检测灵敏度高。
(4)参照图2，设计双晶片纵波探头，探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配，能够耦合，探头内含发射晶片和接收晶片，晶片频率为5MHz，晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT，晶片长宽尺寸为6×6mm，发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置，使得检测声束折射角α度数为70°，发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置。
表面下，纵波沿齿面传播所覆盖的区域与声速、纵波脉冲宽度、频率、晶片间距有密切关系，这样设计双晶片纵波探头是考虑到上述这些因素，合理设定参数，使探头性能最佳。
(5)采用双晶片纵波探头，识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷，制作人工槽AVG曲线，自动存入与双晶片纵波探头相连接的超声波仪器中，作为后续评价基准，参照图(6)，图6(a)为无缺陷时波形图；图6(b)为有缺陷时波形图。
(6)将双晶片纵波探头放置在被测齿轮相邻两齿之间，沿着两齿的齿面移动，若齿面无裂纹缺陷时，表面下纵波沿齿面传播，超声波仪器屏幕上出现单一波峰(参照图3)；若齿面有裂纹缺陷时，超声波仪器屏幕上不出现波峰，或波峰比步骤(5)的人工槽AVG曲线低，参照图4，图4(a)中是有较深裂纹时不出现波峰，图4(b)中是有较小裂纹时(高度低于屏幕10％)出现小的波峰。
本发明风力发电机组齿轮裂纹的实际检测中，检测灵敏度最小达到1mm，为风力发电机组齿轮监督及现场检测、发现齿轮早期的裂纹缺陷提供了简便、可靠的检测方法，有效提升风机齿轮的运行的安全可靠性。

Claims (1)

1.一种风力发电机组齿轮裂纹的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用ANSYS模拟软件对齿轮进行数值模拟分析，结合实际工况，明确齿轮运行中应力集中分布的部位；
(2)制备齿轮模拟对比试块，并按齿圈加工工艺进行热处理，使其与实际工况中的齿轮材质具有相同或相近的化学成分、组织性能；
(3)在齿轮模拟对比试块的齿面、齿部倒角处，加工纵向人工槽缺陷；齿轮模拟对比试块的各纵向人工槽缺陷中，从前到后，第一个纵向人工槽缺陷①的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、60mm、0mm；第二个纵向人工槽缺陷②的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、50mm、35mm；第三个纵向人工槽缺陷③的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、40mm、75mm；第四个纵向人工槽缺陷④的长度、宽度、深度、与齿顶的距离、与试块前侧端面之间的距离，分别为5mm、0.5mm、1mm、30mm、105mm；
(4)设计双晶片纵波探头，探头透声楔曲面尺寸与齿轮检测面相匹配，能够耦合，探头内含发射晶片和接收晶片，晶片频率为5MHz，晶片材料为锆钛酸铅压电陶瓷PZT，晶片长宽尺寸为6×6mm，发射晶片和接收晶片在楔块内倾斜布置，使得检测声束折射角α度数为70°，发射晶片和接收晶片通过隔声层分开布置；
(5)采用双晶片纵波探头，识别齿轮模拟对比试块上的人工槽缺陷，制作人工槽AVG曲线，自动存入与双晶片纵波探头相连接的超声波仪器中，作为后续评价基准；
(6)将双晶片纵波探头放置在被测齿轮相邻两齿之间，沿着两齿的齿面移动，若齿面无裂纹缺陷时，表面下纵波沿齿面传播，超声波仪器屏幕上出现单一波峰；若齿面有裂纹缺陷时，超声波仪器屏幕上不出现波峰，或波峰比步骤(5)的人工槽AVG曲线低。
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