矿山机械动力主轴相控阵超声波检测技术研究_高立.pdf

2023年 第5期 热加工113检 测T e s t i n g矿山机械动力主轴相控阵超声波检测技术研究高立，桑劲鹏，章文显，郑小康中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏常州 213100摘要：从检测原理上详细对比了常规超声波和相控阵超声波检测方法的特点。对某矿山机械大直径动力主轴分别进行了相控阵超声波检测和常规超声波检测，针对两种检测结果，对两种检测方法的优劣作进一步地比较分析。结果表明：在检测位置受限、探头移动空间不足时，相控阵超声波检测方法更适用。使用两种方法分别在轴身检测齿部不同深度的裂纹，观察检测信号最高幅值。试验结果表明：检测信号幅值与裂纹深度并没有相关性，故在测量大声程工件时，裂纹深度当量法失效。关键词：相控阵超声波检测；大径轴类检测；裂纹检测1 序言矿山机械是矿业生产重要的实施工具，其质量直接关系到矿山作业的安全和效果。大直径动力主轴（以下简称大径轴）是矿山机械的关键零部件，其承受周期性载荷，且作业环境恶劣、作业强度高，因此矿山机械零部件易产生失效，导致停工、事故等重大问题。矿山机械大径轴形貌如图1所示。该大径轴总长约3500mm、最大直径约为500mm，单轴重量4.5t。齿轴的两端均套装齿圈，经过齿圈与其他齿轮咬合进行动力传输。在齿轴的基体取样进行化学成分分析，结果见表1。从表1可看出，其化学成分均符合GB/T 30772015合金结构钢中40CrNi2Mo钢或ASTM A29M2015热锻碳素钢和合金钢棒材一般要求标准规范中4340钢的技术要求。图1矿山机械大径轴外观形貌 表1送检齿轴基体化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNiMoCuVAl齿轴实测值0.380.280.690.0090.0070.811.900.230.130.010.0240CrNiMo钢标准值0.380.430.170.370.600.800.0350.0350.700.901.652.000.200.304340钢标准值0.380.430.150.350.600.800.0350.0400.700.901.652.000.200.30对服役一段时间的大径轴拆卸后进行磁粉检测，在轴承花键变径处发现磁痕聚集痕迹（见图2），在齿根处发现轴向裂纹。轴向裂纹末端存在横向裂纹，轴向裂纹和横向裂纹呈Y形分布。由于该大径轴服役时两端花键处会嵌套小齿轮，出现裂纹的位置被小齿轮覆盖，无法采用磁粉检测方法进行质量检测1，因此考虑采用超声波检测方案，在大径轴的轴身使用斜探头检测该位置，实现在役检测裂纹的目的。常规超声波检测方法是将斜探头置于大径轴轴身上检测裂纹，如图3所示。但这种方法对于探头的移动跨距有一定的要求。如果小于一定移动距离，则必须增加探头角度，但严格来说，每次更换探头都需要重新校验设备的整体组合性能，需要重新扫查。因此，每增加一个探头，其工作量几乎增加一倍。而在检测之前，检测人员很难完全考虑到工2023年 第5期 热加工114检 测T e s t i n g件的所有缺陷。因此，这些探头的更换次数是有限的，很难覆盖到所有情况。2 相控阵超声波检测原理及优势相控阵成像是通过控制换能器阵列中各阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，来改变由各阵元发射（或接收）声波到达物体内某点时的相位关系，即可实现聚焦和声束方位变化，从而进行扫描成像的检测技术2。目前，相控阵超声波检测已成功应用于核电、运输、冶金及建筑等各个工业领域，在生产质量检测、设备使用及安全性能评估等方面发挥着重要作用。相控阵超声波检测的超声波脉冲发射和缺陷回波接收原理如图4所示。相控阵声束的激发和接收过程主要由激发与接收模块、延时器、探头阵元3个模块组成，工作时激发模块将一定幅值的触发信号传送至延时器，按发射聚焦法则分别计算各阵元声束发射的延迟时间，并对触发信号的脉冲宽度进行整合，整合后的脉冲信号分别加载至各个阵元。由于延迟的存在，各阵元发射的声束相位不一，声束在空间中产生叠加形成入射波波阵面，并聚焦在一定深度，以此进行工件中缺陷的检测。a）开裂处整体磁粉检测结果图4相控阵超声波脉冲发射和缺陷回波接收示意b）开裂处局部磁粉检测结果图2大径轴开裂处磁粉检测结果图3大径轴轴身扫查的超声波检测注：1、2、3为超声波检测线（路径）。阵元发射出的声束在工件中遇到缺陷会反射回来，而处于聚焦区域的缺陷会形成振幅较大的反射波波阵面3。由于探头阵元排列的空间位置不同，缺陷的反射回波到达各阵元的时间也会不同4。延迟器按照接收聚焦法则计算各阵元的接收延迟，依次对每个阵元的回波信号进行叠加，并反馈至信号接收模块5，6。相控阵检测技术的声束覆盖范围更大，更有利于复杂结构的检测。相控阵超声波检测技术可以实现各区域的聚焦，使局部区域的检测灵敏度和分辨力显著提升，更容易检出小缺陷以及更易区分相邻缺陷。相控阵检测技术集合了模型构建、图像显示等计算机技术，通过建模模拟工件结构，工件及缺陷所在显示更直观。相控阵超声波检测技术集合A、B、C、D、S型及带状图显示，缺陷评定更准确、便捷。3 相控阵超声波检测技术设计相控阵超声波检测设计方案如图5所示，使用周向沿线扫查结合相控阵S扫描的方式对关键区域进行相控阵超声波检测。4 检测轴类裂纹试验4.1 制作人工缺陷设备试验使用的大径轴，距轴端330mm处的齿2023年 第5期 热加工115检 测T e s t i n g部存在自然裂纹，故应防止两者重合，便于信号分析。在距轴端200mm处，沿圆周方向加工不同深度的人工刻槽，其加工位置及深度如图6所示。4.2 相控阵超声波检测与常规超声波检测结果对比本文参照EN12668.32013无损检验-超声检测设备表征和验证第三部分 组合设备和ISO 18563-3:2015Non-destructive testingcharacterization and verification of ultrasonic phased array equipmentPart 3:Combined systems、GB/T 325632016无损检测 超声检测 相控阵超声检测方法的规定4。相控阵超声波检测方案使用HSD-PA30相控阵设备，探头是5MHz-32阵元一维线阵相控阵探头搭配角度为35的环氧树脂楔块。常规超声波检测方法使用的是HS600检测仪，探头为2.5MHz-1313-K2横波探头，相控阵超声波和常规超声波检测工艺对比见表2。开始试验前使用B型便携式相控阵试块对相控阵仪器进行角度和声程校准，使用TZS-R60试块对常规超声波检测仪器进行校准。试验中使用齿部深度5mm的人工刻槽作为基准对仪器进行校准，将5mm人工刻槽的回波幅值自动增益为80%，在此灵敏度的基础上补偿6dB作为最终的检测灵敏度。在距大径轴轴端1060mm处的轴身处放置探头，检测大径轴上已知深度的人工刻槽，探头放置位置如图7所示。表2相控阵超声波和常规超声波检测工艺对比检测工艺相控阵超声波常规超声波探头距轴端距离/mm12001060探头5MHz-32阵元一维线阵相控阵探头2.5MHz-1313-K2横波探头搭配楔块35的环氧树脂楔块无最佳角度/（）51增益/dB61103.2显示方式S扫图形A扫波形a）轴向图图6人工刻槽加工位置及深度示意b）端面示图图5相控阵超声波检测示意图7人工刻槽检测探头放置示意注：位置1为轴的变径处，位置2为自然裂纹位置，位置3为人工加工刻槽位置。2023年 第5期 热加工116检 测T e s t i n g（1）相控阵超声波检测轴齿部裂纹试验将探头放置于大径轴轴身，调整聚焦参数，会发现有多个回波。将声束移至波最大幅值处，此时对应的声束角度为51。该位置的相控阵超声波检测结果如图8所示。在确定工艺后，检测时可忽略固定波，检测所关注的区域是否出现所关心的信号即可。时，采集对应不同人工刻槽深度的齿部位置处的回波幅值，记录各裂纹深度下的回波幅值：研究两种检测方法的差异。分析比较裂纹深度与回波幅值之间的关系。裂纹深度当量幅值对比试验结果如图10所示。观察分析图10中红色折线和蓝色折线得出以下结论。图8相控阵超声波检测结果注：13为缺陷。图9常规超声波检测结果注：位置1为轴的变径处，位置2为自然裂纹位置，位置3为人工加工刻槽位置。图10裂纹深度当量幅值对比试验结果（2）常规超声波方法检测大径轴轴端齿部裂纹试验将探头放置于轴身，调整探头位置及偏转，确保探头水平方向与轴中心线相互平行，同样会出现多个回波，常规超声波检测结果如图9所示。1）两者除在齿16处的检测幅值差异较大外，其他位置的检测幅值大体趋势相同；随着人工刻槽深度的增加，两种检测方法得到的检测幅值变化均呈先减小再增加的趋势，齿16处为趋势变化的拐点。2）去除齿16处对应的检测数据，相控阵超声波检测方法与常规超声波检测方法检测结果幅值最大差值出现在齿1处，差值为24.7%，最小差值出现在齿10处，差值为5.6%。3）相控阵超声波检测结果的幅值普遍高于常规超声波检测结果的幅值，平均值为14.64%，故在此试验中，相控阵超声波检测方法的信噪比高于常规超声波检测方法。4）裂纹深度与检测结果幅值无正相关趋势，故在使用超声横波斜探头检测裂纹时，裂纹深度当量失效。5 结束语相控阵超声波检测与常规超声波检测相比有以下优点。其一，相控阵超声波可以不移动探头或尽量少移动探头即可扫查厚大工件和形状复杂工件的部分区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。其二，相控阵探头由多个晶片同时聚焦，聚焦通过对比两种检测结果可发现如下特点。1）相控阵超声波检测方法可以实时彩色成像，检测结果比较直观，便于缺陷判读。2）常规超声波检测方法所用探头晶片较相控阵单个阵元大很多，因此单晶能量要比相控阵单个晶片高很多，在探头放置位置不受限时，检测信噪比会比相控阵的效果要好。4.3 裂纹深度当量幅值对比试验分别使用常规超声波检测和相控阵超声波检测，按图7所示放置探头位置。在增益均为30dB2023年 第5期 热加工117检 测T e s t i n g区能量远大于普通单晶聚焦探头，具有较高的检测灵敏度和分辨力。相控阵超声波检测与常规超声波检测相比有以下缺点。其一，设备相对较贵，成本较高，对操作人员的专业技术要求更高。其二，对于检测前已经知道位置的固定缺陷，其检出灵敏度不如固定角度的常规超声波检测探头的检测灵敏度。通过裂纹深度当量幅值对比试验，得出以下结论。1）相控阵超声波检测方法和常规超声波检测方法除在齿16处的检测幅值差异较大外，其他位置的检测幅值大体趋势相同，随着人工刻槽深度的增加，两种检测方法得到的检测幅值变化均呈先减小再增加的趋势，齿16处为趋势变化的拐点。2）去除齿16处对应的检测数据，相控阵超声波检测方法与常规超声波检测方法检测结果幅值最大差值出现在齿1处，差值为24.7%，最小差值出现在齿10处，差值为5.6%。3）相控阵超声波检测结果的幅值普遍高于常规超声波检测结果的幅值，平均值为14.64%，故在此试验中，相控阵超声波检测方法的信噪比高于常规超声波检测方法。4）裂纹深度与检测结果幅值无正相关趋势，故在使用超声横波斜探头检测裂纹时，裂纹深度当量失效。参考文献：1 柳建国熔模铸钢件裂纹改善措施研究与应用J金属加工（热加工），2015（7）：78-81.2 万升云相控阵超声波检测技术及应用M北京：机械工业出版社，2021.3 桑劲鹏，万升云，章文显，等基于声场及声程的标准难点解析和应用研究J轨道交通装备与技术，2019（1）：25-27.4 桑劲鹏，万升云，章文显，等国际超声检测标准应用研究J无损探伤，2020（3）：25-29.5 郑小康，奚丽君，万升云超声波检测中端点反射法的应用及研究探讨J轨道交通装备与技术，2019（1）：62-64.6 章文显，万升云，刘仕远，等在役HX-D1C型机车齿轴油孔处疲劳裂纹超声波探伤J机车车辆工艺，2011（6）：31-32.20230218紧。按照先焊筋板与下盖板连接焊缝，再焊筋板与外立板连接焊缝，最后焊筋板与内立板连接焊缝，即132焊接顺序，从中间向两端焊接。主焊缝焊接时，工装定位与内部焊缝焊接时一致，焊接顺序调整为：456746465757，且焊接方向为：上下盖板与内立板连接焊缝自两端向中间焊接，上下盖板与外立板自中间向两端焊接。通过前工序组装反变形及引导焊接形成反变形，满足后续附件焊接的变形抵消。以上焊接顺序、焊接方向均通过机器手编程完成，实现自动化焊接，提高焊接稳定性及变形一致性。7 结束语1）采用数值模型对焊接工艺进行模拟，可以快速掌握焊接工件的变形趋势，为合理的焊接工艺制定提供理论依据，在工装夹具设计时更有针对性。2）通过调整焊接顺序、焊接方向，采用反变形法、刚性固定法等措施的合理配合使用，可以有效控制大尺寸结构件变形量。3）统筹焊接工件，根据其常规变形趋势，采用逆向思维，在前工序采用反变形、预留定位悬空量，引导焊接变形，满足后续焊接变形抵消，使完成焊接的工件无需调修。4）充分利用自动化焊接，能有效保证焊缝质量稳定及变形一致性。参考文献：1 袁朝桥自动化焊接新技术在机械制造中的应用J内燃机与配件，2019（11）：221-222.2 朱江焊接变形的控制和预防J电焊机，2009，39（8）：90-933 王秋实转向架构架侧梁的焊接变形数值模拟研究D成都：西南交通大学，2017.4 李娅娜焊接变形预测与控制的数值方法研究及工程应用D大连：大连交通大学，2010.20230209（上接第99页）