一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法及系统

本发明属于超声波无损检测，具体涉及一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法及系统，适用于异形截面环件缺陷定量检测。

背景技术：

1、随着新能源行业的快速发展，陆上风力发电和海上风力发电成为一种重要的清洁新能源。风力发电所用轴承环件是重要的承载受力部件，其内部缺陷会严重影响风力发电设备的安全运转和使用寿命。风电轴承环件是一种截面形状复杂的回转体结构，其中风电轴承的内齿圈环件和外齿圈环件通常带有不同曲率的滚道曲面结构。常规超声检测技术声束固定，在曲面界面散射严重，无法检测滚道曲面结构。超声相控阵检测技术具有声束偏转、聚焦，可自适应曲面结构入射，能够效检测环件滚道曲面结构。

2、在常规超声检测中，通常采用缺陷距离-幅值(dac)曲线来描述缺陷距离、幅值和当量尺寸的关系，用于对缺陷的定量检测。但是，线性超声相控阵探头检测曲面构件时，由于各发射孔径的声束在曲面结构内部辐射路径和发射角度不同，造成滚道曲面结构缺陷回波幅值不均，给缺陷定量评价带来困难。目前，尚未有研究人员提出滚道曲面结构相控阵线性聚焦扫描成像的缺陷定量方法。此外，风电轴承环件属于一种大型厚壁零件，其需要检测的深度范围大，普通的标准试块无法直接应用于轴承环件的缺陷定量检测。针对上述问题，本发明专利提出一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法及系统，适用于异形截面环件缺陷定量检测。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中没有风电轴承环件曲面结构相控阵线性聚焦扫描成像的缺陷定量检测方法，提供风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法及系统，实现具有滚道和台阶截面几何特征的风电轴承环件的缺陷检测，且检测范围更大，缺陷检测准确度更高。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、提供一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，包括以下步骤：

4、s1、根据待测风电轴承环件的材料属性和截面几何特征，制作端面检测对比试块和环面检测对比试块；

5、s2、选择端面超声相控阵探头对端面对比试块进行检测，形成端面缺陷定量评价dac曲线；选择环面超声相控阵探头对环面对比试块进行检测，形成环面缺陷定量评价dac曲线；

6、s3、根据待测风电轴承环件的截面几何特征进行检测区域划分，并将每一个检测区域和对应的对比试块进行关联；

7、s4、规划扫查路径，根据步骤s3中划分的检测区域，将具有相似几何特征的区域划归同一扫查路径，形成端面扫查路径和环面扫查路径；

8、s5、将待测风电轴承环件固定到检测系统上，并加注液体超声耦合剂浸没待测风电轴承环件，根据规划的端面扫查路径和环面扫查路径，通过相应的超声相控阵探头依次完成待测风电轴承环件端面和环面的检测，并将检测结果和对应缺陷定量评价dac曲线进行比较，进而判断待测缺陷是否超过标定缺陷尺寸，若超过则自动报警并记录缺陷位置。

9、接上述技术方案，步骤s1中制作端面检测对比试块的方法为：根据待测风电轴承环件的端面检测最大深度范围lmax，制作长、宽、厚为lmax×lmax×25mm的端面对比试块，在长度和宽度方向以等间距d加工n个缺陷横通孔，其中n＝lmax/d。

10、接上述技术方案，步骤s1中制作环面检测对比试块的方法为：根据风电轴承环件的环面滚道圆弧曲率半径r、环面滚道圆弧区域检测深度h，制作厚度为25mm的环面对比试块，结合超声相控阵探头在环面区域的检测角度范围内，沿环面滚道圆弧径向等间距r加工n个缺陷横通孔，其中n＝h/r，所述n个缺陷横通孔沿环面滚道圆弧周向等角度θ分布，其中曲率半径r不同的环面滚道圆弧制作不同的环面检测对比试块。

11、接上述技术方案，步骤s2中获取端面缺陷定量评价dac曲线的方法为：采用端面相控阵探头检测端面检测对比试块的上端面，以步进ls沿径向进行扫描，依次获得n个不同深度缺陷的相控阵检测幅值pls-n，并进行记录存储，根据端面检测对比试块缺陷超声相控阵检测幅值进行多项式拟合得到上端面缺陷定量评价曲线dacau；利用的同样的方法获得侧端面缺陷定量评价曲线dacas。

12、接上述技术方案，步骤s2中获取环面缺陷定量评价dac曲线的方法为：采用环面相控阵探头检测环面检测对比试块，将环面相控阵探头从环面滚道圆弧周向有效边界开始，绕环面滚道圆弧圆心以步进角α旋转扫描，依次获得n个不同深度缺陷的相控阵检测幅值pα-n，根据环面检测对比试块缺陷超声相控阵检测幅值进行多项式拟合得到n个不同轴向角度的环面缺陷定量评价曲线dacbi，其中i＝1,2,…,n。

13、接上述技术方案，步骤s3中的将每一个检测区域和对应的对比试块进行关联是指待测风电轴承环件的每一个检测区域和对应的对比试块采用相同的超声相控阵探头、检测用配置文件以及缺陷定量评价曲线。

14、接上述技术方案，所述检测用配置文件包括水层高度、发射孔径和聚焦深度。

15、本发明还提供一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测系统，用于实现权利要求1中所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，包括装有液体超声耦合剂的上开口箱体，所述箱体的底部中心设置有旋转工作台，旋转工作台上设置有装夹风电轴承环件的三爪卡盘，还包括端面扫描架和环面扫描架，端面扫描架上安装端面超声相控阵探头，环面扫描架上安装环面超声相控阵探头，所述端面超声相控阵探头和环面超声相控阵探头分别通过端面超声相控阵检测仪和环面超声相控阵检测仪与计算机连接，所述计算机上安装有超声相控阵软件。

16、接上述技术方案，所述旋转工作台是可以做整圆周转动的电动工作台，所述三爪卡盘为定心三爪卡盘。

17、接上述技术方案，所述端面扫描架和环面扫描架至少具有工作台轴向、工作台径向平移自由度和端部沿工作台轴面转动自由度。

18、本发明产生的有益效果是：本发明所提出的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，可实现复杂几何特征的大型环件超声相控阵线性聚焦扫描成像和缺陷尺寸定量检测。根据环件端面检测尺寸和滚道曲面圆弧半径，分别设计了带有人工缺陷的端面对比试块和环面对比试块，所提出的对比试块设计方法，可节省人工缺陷加工数量；所提出的超声相控阵线性聚焦扫描成像缺陷dac曲线判定方法可实现缺陷自动判断与记录缺陷位置，具有检测速度快、灵敏度高和适用于滚道曲面结构等优点，有很高的应用价值。

技术特征：

1.一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，步骤s1中制作端面检测对比试块的方法为：根据待测风电轴承环件的端面检测最大深度范围lmax，制作长、宽、厚为lmax×lmax×25mm的端面对比试块，在长度和宽度方向以等间距d加工n个缺陷横通孔，其中n＝lmax/d。

3.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，步骤s1中制作环面检测对比试块的方法为：根据风电轴承环件的环面滚道圆弧曲率半径r、环面滚道圆弧区域检测深度h，制作厚度为25mm的环面对比试块，结合超声相控阵探头在环面区域的检测角度范围内，沿环面滚道圆弧径向等间距r加工n个缺陷横通孔，其中n＝h/r，所述n个缺陷横通孔沿环面滚道圆弧周向等角度θ分布，其中曲率半径r不同的环面滚道圆弧制作不同的环面检测对比试块。

4.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，步骤s2中获取端面缺陷定量评价dac曲线的方法为：采用端面相控阵探头检测端面检测对比试块的上端面，以步进ls沿径向进行扫描，依次获得n个不同深度缺陷的相控阵检测幅值pls-n，并进行记录存储，根据端面检测对比试块缺陷超声相控阵检测幅值进行多项式拟合得到上端面缺陷定量评价曲线dacau；利用的同样的方法获得侧端面缺陷定量评价曲线dacas。

5.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，步骤s2中获取环面缺陷定量评价dac曲线的方法为：采用环面相控阵探头检测环面检测对比试块，将环面相控阵探头从环面滚道圆弧周向有效边界开始，绕环面滚道圆弧圆心以步进角α旋转扫描，依次获得n个不同深度缺陷的相控阵检测幅值pα-n，根据环面检测对比试块缺陷超声相控阵检测幅值进行多项式拟合得到n个不同轴向角度的环面缺陷定量评价曲线dacbi，其中i＝1,2,…,n。

6.根据权利要求1所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，步骤s3中的将每一个检测区域和对应的对比试块进行关联是指待测风电轴承环件的每一个检测区域和对应的对比试块采用相同的超声相控阵探头、检测用配置文件以及缺陷定量评价曲线。

7.根据权利要求6所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，其特征在于，所述检测用配置文件包括水层高度、发射孔径和聚焦深度。

8.一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测系统，其特征在于，用于实现权利要求1中所述的风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，包括装有液体超声耦合剂的上开口箱体，所述箱体的底部中心设置有旋转工作台，旋转工作台上设置有装夹风电轴承环件的三爪卡盘，还包括端面扫描架和环面扫描架，端面扫描架上安装端面超声相控阵探头，环面扫描架上安装环面超声相控阵探头，所述端面超声相控阵探头和环面超声相控阵探头分别通过端面超声相控阵检测仪和环面超声相控阵检测仪与计算机连接，所述计算机上安装有超声相控阵软件。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述旋转工作台是可以做整圆周转动的电动工作台，所述三爪卡盘为定心三爪卡盘。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述端面扫描架和环面扫描架至少具有工作台轴向、工作台径向平移自由度和端部沿工作台轴面转动自由度。

技术总结
本发明公开了一种风电轴承环件超声相控阵缺陷定量检测方法，根据待测风电轴承环件的材料属性和截面几何特征，制作端面检测对比试块和环面检测对比试块，并采用相应的超声相控阵探头获取端面缺陷定量评价DAC曲线和环面缺陷定量评价DAC曲线，再根据待测风电轴承环件的截面几何特征进行检测区域划分，并将每一个检测区域和对应的对比试块进行关联，规划出扫查路径，借助检测系统实现复杂几何特征的大型环件超声相控阵线性聚焦扫描和缺陷尺寸定量检测。本发明的方法及系统，可节省对比试块缺陷加工数量，同时实现缺陷自动判断与记录缺陷位置，具有检测速度快、检测准确度高和适用于滚道曲面结构等优点，有很高的应用价值。

技术研发人员：华林,关山月,汪小凯,钱东升,蒋秋月,朱顺毅
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15