一种用于风力发电机主轴裂纹检测的相控阵超声波技术的制作方法

本发明涉及风力发电机检测领域，具体来说，涉及用于风力发电机的主轴缺陷检测的一种用于风力发电机主轴裂纹检测的相控阵超声波技术。

背景技术：

1、当前的风力发电机越来越大型化，作为风力发电机传动链上的主轴在服役过程中，会经历各种复杂的工况，如变转速、变扭矩、风力的轴向载荷以及各种因素导致的弯矩。各种复杂的载荷可能导致风力发电机主轴出现早期磨损，裂纹等失效情形发生。另外主轴在材料冶炼、锻造加工过程中也可能出现主轴内部暗含的一些潜在缺陷。

2、主轴作为风力发电机的主要部件，其几何尺寸大且具有变直径(带锥度)特征：与轮毂连接处由于使用连接法兰结构，法兰直径可能超过2000mm，另外一端连接到齿轮箱的中空轴，直径从200mm到500mm不等，长度范围可能从2500mm到大于5000mm。但是主轴出现的早期磨损或者裂纹绝大部分都出现在无法肉眼观察的部位，比如轴承内环下面、轴承定位环下面等，这些部位的缺陷检测非常困难。由于风力发电主轴的安装部位在于50米以上甚至超过100米的高空，对于其健康状态的检查变得困难且费用高昂。

3、目前相控阵超声技术(phased-array ultrasonic test，简称paut)作为一种无损探伤技术越来越多地应用在各个领域比如工业制造，医疗等。以其快捷，直观、精确、易用的特点被认可。但是对于在役的风力发电机主轴损伤的定量化检测依然是个挑战。b&v公司使用shaft test技术可以对主轴的开裂进行检测判断。但是该技术的作业地点是在风力发电机的轮毂内，作业环境恶劣，工作效率低；并且该技术只是针对于损伤严重的情况能够给出较为准确的定性判断，并无法给出缺陷的定量评估。

技术实现思路

1、为了解决上述技术难题，本技术提出了使用paut技术的一种用于风力发电机主轴裂纹检测的相控阵超声波技术，该技术可以在主轴的轴身表面针对可能存在表面开裂的区域进行检测，能够克服现有技术的上述不足。

2、为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种用于风力发电机主轴裂纹检测的相控阵超声波技术，包括以下步骤：

4、s1定制样块并设定参数：定制包括样块一、样块二和样块三在内的3个样块，3个所述样块皆采用与主轴相同的轴身材料及加工工艺制成；样块一和样块二用于各项工艺参数校准工作；样块三按照和所述主轴的待检区域尺寸1:1的比例制成，在样块三上加工若干个深度不同、长度相同、槽口相同的模拟裂纹，样块三的模拟裂纹区域即对应所述主轴的待检区域，检测样块三的模拟裂纹区域并得到各模拟裂纹的信号波高，通过信号波高定义现场扫查的灵敏度；

5、s2评估波高法的可靠性：以样块三为参照样本，采取波高法得出样块三上的各模拟裂纹的计算值，对各模拟裂纹深度尺寸的计算值和实际值进行对比并记录各偏差值，进而通过各模拟裂纹所对应的偏差值，评估波高法应用于检测所述主轴缺陷的可靠性以及误差范围是否精确到可接受范围内；

6、s3评估尖端衍射法可靠性：采用尖端衍射法测得各所述模拟裂纹深度尺寸的测量值，然后结合各所述模拟裂纹深度尺寸的测量值与实际值之间的偏差进行评估，从而验证所述尖端衍射法的可靠性以及误差范围是否精确到可接受范围内；

7、s4扫查前序准备：首先准备编码器和扫查小车，用以记录在不同扫查位置取得的数据；然后对设备的探头系统进行扫查范围设定和尺寸校准，并对所述主轴进行清理；最后在所述主轴轴身上测量出探头放置的轴向位置，在所述主轴轴身上标记出四个沿周向分段的扫查轨迹线；

8、s5分段扫查操作：选定尚未扫查的某个所述分段后，首先所述锁定风力发电机的叶轮，对选定的所述分段进行首次扫查并记录数据；然后检查复核所述数据的质量，复核结构信号的波高是否满足要求、所述轴身是否存在缺陷信号、缺陷信号是否存在饱和；数据质量合格后对数据进行存储，并再进行若干次扫查记录数据；如果没有发现缺陷信号则直接跳至步骤s6，如果发现目标区域存在缺陷信号，则提升扫查增益并进行尖端衍射扫查；

9、s6循环扫查不同分段：每完成上一个所述分段的扫查后，解锁风机叶轮，将所述主轴转动90度，选定下一个尚未扫查的所述分段，然后重复步骤s5，直到完成对所有所述扫查轨迹线的全部扫查；

10、s7最终评估：完成所述扫查轨迹线的扫查工作后，最终对扫查所得的数据，参照s2所提及的波高法和s3所提及的尖端衍射法进行整体评估。

11、进一步地，所述s1具体包括以下过程：

12、s101:所述样块一为标准样块并采用csk-1a标准，用于声速校准及楔块延迟校准；所述样块二按照实际检测的声程路径1:1比例定制，用于校准楔块延迟以及项目扫查所用的各聚焦法则下的acg、tcg设定或校准；

13、s102：根据所述实际服役的所述主轴的裂纹缺陷的位置范围和深度，采用edm工艺在所述样块三上加工若干个深度不同、长宽相同、尖端截面形状相同的所述模拟裂纹，所述模拟裂纹的深度范围为1mm-15mm；实施时，所述模拟裂纹的裂纹深度在6mm以下时可以0.5mm的幅度递增，所述模拟裂纹的裂纹深度在6mm以上时可以1mm的幅度递增，具体视情况而定；

14、s103：检测所述样块三上特定深度的所述模拟裂纹并得到其对应的信号波高，通过所述信号波高定义现场扫查的灵敏度，所述灵敏度包括记录灵敏度和评估灵敏度。

15、进一步地，所述s103中，所述样块三上特定深度的所述模拟裂纹的检测方式，是使用所述主轴的中心孔表面作为声波反射面，将声波反射到所述样块三的所述模拟裂纹区域，从而测得所述信号波高并将其用于定义现场扫查的灵敏度。

16、进一步地，所述标准样块三上加工的所述模拟裂纹的数量为22个。

17、进一步地，所述s2的具体过程如下：

18、s201:选取样块三上跟所述主轴对应的参照结构的信号波高，以及样块三上的不同深度的各模拟裂纹的信号波高，计算出各模拟裂纹的信号波高相对于所述参照结构的信号波高的分贝值db；

19、s202：根据s201得出的各模拟裂纹信号所对应的分贝值db和测得的各模拟裂纹深度尺寸的测量值，通过线性回归的方式推导出各模拟信号的分贝值db与对应模拟裂纹深度尺寸的测量值关系方程；

20、s203:通过所述模拟裂纹测量值关系方程对各模拟裂纹进行计算，得出各模拟裂纹深度尺寸的计算值，对各模拟裂纹深度尺寸的计算值和实际值进行对比并记录各偏差值，通过所述各偏差值的大小来评估采用波高法所得出的所述线性关系方程的精度范围和可靠性，进而评估波高法应用于检测所述主轴缺陷的可靠性以及误差范围是否精确到可接受范围内。

21、s204:将所述模拟裂纹测量值关系方程中所体现的线性函数关系拿出，根据实际带缺陷的所述主轴的实验室分析结果和对应paut扫查的缺陷信号波高分贝数，对所述线性函数关系进行常数替换，最终得出用于现场实际所述主轴的裂纹深度评估的线性关系方程。

22、进一步地，所述s202中，采用波高法测得各所述模拟裂纹深度尺寸的测量值后，经过实际计算验证，可以得出当所述模拟裂纹深度尺寸的测量值≤15mm时，各信号参数之间存在的所述模拟裂纹测量值关系方程如下：

23、h1＝a1x1+b1；

24、所述模拟裂纹测量值关系方程中：

25、h1—通过波高法测得的模拟裂纹深度尺寸的测量值，为确定值，单位mm；

26、x1＝20*lg(裂纹信号波高/参照结构信号波高)；x1为所述模拟裂纹相对于参考结构信号的波高修正系数，为计算值且单位为分贝db；其中裂纹信号波高和参照结构信号波高均以百分比(％)表示；

27、a1—线性斜率；

28、b1—系统常数；

29、将h1和x1代入所述模拟裂纹测量值关系方程中，从而得出a1、b1值。

30、进一步地，所述s203得出所述线性关系方程的具体过程为：

31、s2301:使用s202得出的所述模拟裂纹测量值关系方程的线性函数关系，参照所述线性函数关系中的常数所述a1和所述b1，并对实际失效断裂的所述主轴的实验室分析结果和paut扫查的缺陷信号波高分贝数得出常数a2和b2；

32、s2302：将s2301得到的a2和b2代入所述线性函数关系，即得出实际应用所需的所述线性关系方程：h2＝a2*x2+b2；

33、所述线性关系方程中：

34、h2－需要评估计算的特定裂纹深度尺寸的计算值，单位mm；

35、x2＝20*lg(adefct/aref)，数值以分贝db表示；

36、adefct－裂纹的信号波高，数值以％表示；

37、aref－参照结构的信号波高，数值以％表示；

38、a2－实际失效断裂的所述主轴的实验室分析结果和paut扫查的缺陷信号波高分贝数得出的常数，用于替换所述a1；

39、b2－实际失效断裂的所述主轴的实验室分析结果和paut扫查的缺陷信号波高分贝数得出的常数，用于替换所述b1。

40、进一步地，所述s3中，所述尖端衍射法的具体过程如下：

41、s301检查缺陷是否存在衍射信号：如果发现选定区域存在裂纹，则对所述选定区域进行尖端衍射扫查，并评估扫查得到的数据，检查数据中是否存在衍射信号；

42、s302得出数值：如果发现衍射信号，然后则使用光标读取对应的裂纹开口声波最强点位置和衍射信号最强点位置数值；

43、s303计算结果：最后按以下公式计算出测量值h；

44、h＝uref-umea；

45、所述公式中：

46、h—裂纹深度的测量值，单位mm；

47、uref—裂纹开口声波最强点位置数值，作为计算的参考位置(referenceposition)，单位mm；

48、umea—衍射信号最强点位置的数值，作为计算的测量位置(measurementposition)，单位mm。

49、进一步地，所述s3中，所述尖端衍射法使用的paut探头的最低晶元数为32个、最小激发孔径大于19.2mm且使用所述主轴的内孔作为声波反射面。

50、进一步地，所述s4包括以下步骤：

51、s401：首先准备编码器和扫查小车，并对所述设备的探头系统进行设定和校准，对所述扫查小车的所述编码器进行校准；

52、s402：对所述主轴的表面进行清理，除去异物，确保楔块和所述主轴之间耦合良好；

53、s403：在所述主轴的轴身测量出探头放置的轴向位置，在所述轴身上标记出各所述扫查轨迹线；同时标记扫查起点，所述扫查起点的位置是风力发电机被选定的一个叶片垂直向下时，所述主轴截面的12点钟位置。

54、进一步地，s403中，选定的风力发电机的所述叶片可以视实际需要而定，优选为叶片a。

55、进一步地，进行所述s403的过程中，根据实际需要，可以在所述主轴的承座上安装辅助扫查对齐的工装，所述工装贴合在所述主轴的轴身并在轴向上定位，确保探头距离参考面的距离恒定；并且有与所述轴身锥度相垂直的平面与楔块的前平面贴合，保证探头能够以固定的角度进行扫查，降低探头偏转带来的数据质量不稳定，所述工装将人为因素对扫查结果数据质量的影响降到最低。

56、进一步地，所述s5包括以下步骤：

57、s501：选定尚未扫查的其他某个所述分段后，锁定风力发电机的叶轮，并使用刹车刹住叶轮，以防止叶轮转动，避免影响扫查效果；

58、s502：扫查选定的所述分段，扫查过程中确保使用固定品牌的齿轮箱油耦合，耦合性更好；另外要确保每次的探头扫查操作，选定的所述分段的扫查起始线和楔块中心线对齐；

59、s503：使用标准灵敏度扫查，扫查增益的范围控制在所述s1中定义的扫查灵敏度的±3db范围内，扫查一遍完成后，在屏幕上检查扫查的数据质量，并复核结构信号的波高是否满足要求、是否存在缺陷信号、缺陷信号是否存在饱和；若所述结构信号或所述缺陷信号任一出现饱和，则降低扫查灵敏度，重新扫查；若所述结构信号或所述缺陷信号均没出现饱和，但是结构信号波高达不到要求，则提升扫查灵敏度使结构信号处于合格的波高，重新扫查；最终对质量合格的数据进行记录存储，保持该扫查增益值重复扫查三遍且记录数据；

60、s504高增益扫查操作：如果没有发现缺陷信号，则直接跳到所述步骤s6；如果发现目标区域存在缺陷信号，则提升扫查增益，并进行尖端衍射扫查；所述扫查增益的设定值＝所述缺陷信号的满屏波高80％时的增益值+(18～23)db；扫查三遍并对扫查数据进行存储；

61、s505：重复步骤s503、s504三遍；

62、s506：扫查其他分段，重复步骤s501到s505。

63、本发明的有益效果：在役风力发电机主轴的高达90％以上的损伤或缺陷都是起始于表面，主要体现为磨损、裂纹等。本公开通过利用风力发电机主轴的空心结构作为声波反射面,来检测大直径主轴轴身的表面缺陷，从而涵盖了绝大部分主轴的损伤或缺陷。基于此，本公开能够对在役风力发电机主轴表面的裂纹深度和裂纹长度进行定量评估，准确性高。

64、本公开通过结合了paut技术的一套综合性检测技术，在主轴的轴身表面针对可能存在表面开裂的区域进行检测，可以在风力发电机机舱内作业，作业环境较好，检测效率高。本公开所作出的定量化结果给评估风力发电机的安全运行、维护、维修计划提供了可靠的依据。