采煤机惰轮轴裂纹超声检测与定量评价方法

董 明，于祥军，马宏伟，苏成明，王 昕

(1.西安科技大学 机械学院，陕西 西安 710054；2.陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室，陕西 西安 710054；3.西安智能再制造研究院有限公司，陕西 西安 710018)

煤炭是我国的主体能源，在我国现阶段能源结构中占很大比例[1，2]，在“中国制造2025”战略背景下，智能开采是我国煤炭绿色、安全和高效发展的必然选择[3，4]。各种煤矿机械对实现综合机械化采煤具有极其重要的作用，高可靠性采煤装备是实现工作面自动化、智能化开采的基本保障。采煤机作为煤矿开采的核心设备[5]，在环境恶劣、载荷复杂多变环境下运行，摇臂齿轮箱中的惰轮轴承受扭转和弯曲的作用，极易在压装部位产生由表面向轴心延伸的裂纹，严重时将引起重大事故[6-9]。为了保证采煤机安全运行，需要诊断采煤机中的惰轮轴是否产生裂纹，并对裂纹的大小进行定量评价。

超声检测具有穿透能力强、灵敏度高等特点，被广泛应用于裂纹的无损检测和评价[10-13]。在对摇臂中的惰轮轴进行超声检测时，惰轮轴安装紧凑、空间狭小，无法从轴身进行检测，只能在不拆卸的情况下，在轴端布置超声探头进行检测[14]。超声波在轴中传播、散射、缺陷相互作用相对复杂，并且轴肩、倒角等结构回波和裂纹回波混叠在一起，难以区分，易造成缺陷漏检，影响到缺陷的定量评价。因此，需要建立惰轮轴的回波模型，明确超声波在轴中的传播特性。李智明等[15]针对大型游乐设施中的轴免拆卸检测问题，采用小角度纵波探头在轴两个端面实施检测，并通过大量实验验证利用小角度纵波探头免拆卸超声检测轴类零件表面横向缺陷的可行性。何存富等[16]针对主轴压装部位缺陷进行检测研究，设计了一套风机主轴超声在线检测系统，实现了风机主轴压装部位缺陷监测要求。Kazunari Makino等[17]通过旋转弯曲试验，对微型轮对试件驾驶座表面产生的疲劳裂纹进行超声检测，用有限元模拟超声波传播过程，并分析了带轮与不带轮的回波高度变化。Lee K等[18]针对轴类零件超声检测过程中的多次波形转换、折射和衰减引起的回波混淆问题，用模式识别的方法对回波进行判断，但仅适用于结构简单轴类的检测。程俊等[19]针对在裂纹信号识别中容易混淆的端面回波问题，建立了风机主轴端面回波有限元模型，分析了超声波在轴中的传播路径，并对轴的表面裂纹进行圆周扫描，通过B扫描成像对裂纹位置进行扫描验证，为风力机主轴提供一种有效定期检测技术。虽然许多轴类零件裂纹检测方法被提出，但对结构回波和裂纹回波重叠的情况研究尚未实现。

本文针对轴中结构回波与裂纹回波混叠的问题，建立惰轮轴超声检测二维有限元模型，研究超声波在惰轮轴中的传播过程及其与缺陷相互作用规律，通过试验验证了有限元数值模型的有效性，分析了轴结构回波与裂纹回波重叠对时域波形和频域波形的影响规律，从而对轴肩处的裂纹进行定量分析。

1 采煤机惰轮轴超声检测模型

惰轮安装在摇臂中将动力传递给滚筒，采煤机惰轮轴的装配示意如图1所示，轴总长为300mm，大端直径为138mm，长度为95mm；轴颈直径为88mm，长度为130mm；小端直径为84mm，长度为75mm。惰轮轴轴颈安装有调心滚子轴承，齿轮安装在轴承外圈上，在轴的大端装有O型密封圈。惰轮轴轴颈与轴承过盈配合，在长期交变载荷作用下，在轴颈接触面和轴肩处易产生裂纹，影响结构完整性。惰轮轴安装紧凑，在不拆卸的情况下，只能在轴大端面进行检测。当轴肩根部因为应力集中产生裂纹时，轴肩回波与裂纹回波重叠在一起，仅从回波中难以判定裂纹是否存在。

探头的布置涉及到轴侧壁干涉问题，对于侧壁附近探头轴线上的小缺陷，避免侧壁干涉的条件为：

式中，d为探头中心到轴大端侧壁的距离，mm；a为探头与被检测区域的距离，mm；c为超声纵波在材料中的声速，m/s；f为声源激励信号的频率，Hz。选用直径为20mm、频率为2.5MHz的探头，超声波的速度为5900m/s。为实现对整个轴颈区域的检测，取a=95mm，按照式(1)计算d至少为21.22mm，为了便于布置探头，确定d为25mm。

2 惰轮轴建模及仿真

2.1 有限元模型建立

对惰轮轴进行超声检测时，要考虑轴肩和密封槽等结构对超声回波的影响，为了区分结构回波和裂纹回波，研究超声波在轴中的传播特性。有限元软件求解超声波在惰轮轴内的传播，由于轴的对称性，因此采用二维模型来模拟超声波的传播，用ABAQUS建立的二维有限元模型如图2所示，设置弹性模量为209GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.269。

在轴端面探头位置施加法向瞬时载荷作为超声波的激励，激励信号如图3所示，为加汉宁窗处理的频率为2.5MHz的正弦波。

为了保证有限元计算的精度，网格尺寸一般小于1/10波长，超声波频率为2.5MHz时，其波长λ为2.4mm，因此，设置网格尺寸为0.05mm，网格划分为线性四面体网格，属性为CPS4R。求解完成后，提取轴端面载荷表面所有节点在X方向的位移，对其求和作为超声探头接收到的回波。

2.2 仿真结果和分析

采用有限元法模拟超声波在无裂纹的惰轮轴中传播，各接收结点位移叠加如图4所示，主要有5个明显的回波，回波的时间分别为t1=32.294μs、t2=64.426μs、t3=76.271μs、t4=96.612μs、t5=101.196μs。为了明确各个回波的产生原因，需要分析超声波在轴中的传播过程。

不同时刻超声波在惰轮轴中的传播过程如图5所示，由图5(a)可知，探头所产生的超声波向右传播，当超声波到达轴肩1处时，一部分波反射回探头形成回波1，一部分继续向右端面传播；由图5(b)可知，此时向右传播的波到达轴肩2处，轴肩1处的反射波到达左端面后，发生反射现象继续向右传播；由图5(c)可知，到达轴肩2处的波，一部分被反射向左传播，一部分继续向右传播，此时第一次左端面的反射波到达轴肩1后发生第二次反射，一部分被反射回探头形成回波2，一部分继续向右传播；由图5(d)可知，到达右端面的波发生反射现象向左传播，轴肩1处反射的波到达左端面后，产生第二次反射继续向右传播；由图5(e)可知，轴肩2处反射的波到达探头形成回波3，并在左端面产生第三次反射，反射波继续向右传播，左端面的第二次的反射波到达轴肩1后发生第三次反射，一部分被反射回探头形成回波4，一部分继续向右端面传播；由图5(f)可知，右端面反射的波到达探头形成回波5，此时，轴肩1处的反射波到达左端面产生第四次反射向右传播。

3 惰轮轴超声有限元模型验证

为了验证本文所建立的惰轮轴超声检测有限元模型的有效性，搭建的超声检测系统如图6所示，主要包括信号发生器、功率放大器、转换开关、示波器，检测试样为惰轮轴，探头直径为20mm，频率为2.5MHz，用磁力吸座固定于惰轮轴大端面。

有限元仿真回波和实验采集回波的对比如图7所示，仿真结果和实验结果各回波到达的时间基本一致，由于实际超声检测系统噪声的影响，使得两者在波形上存在细微差别，可以证明本文所建立的惰轮轴超声检测有限元模型是正确的。由于仿真忽略了实际材料内部晶界多重散射引起的衰减，因此，仿真回波幅值小于实验回波。

4 裂纹深度对回波的影响

4.1 不同深度裂纹回波的定量分析

惰轮轴在长期交变载荷作用下，轴肩根部因为应力集中易产生裂纹，在对轴肩根部裂纹进行检测时，裂纹回波与轴肩回波叠加在一起，难以判断是否存在裂纹，因此，需要建立仿真模型研究裂纹深度对轴肩反射回波的影响，为了提高计算效率，取惰轮轴1/2进行建模如图8所示。超声波检测能发现的最小缺陷尺寸为λ/2，根据所选探头参数，可检测裂纹深度最小为1.2mm。轴肩根部裂纹深度分别设置为1.2mm、1.6mm、2.0mm，裂纹的宽度设置为0.05mm。

计算结果如图9所示，由图9可知，裂纹回波与轴肩回波重叠在一起，但随着裂纹深度增加回波幅值也随之增大。

对裂纹回波进行傅里叶变换得到频谱，并进行归一化处理，结果如图10所示，由图可知，有裂纹回波信号与无裂纹回波信号频谱图相似，但有裂纹的回波信号频谱幅值随着裂纹深度增大而增大，中心频率附近的带宽也变宽。

根据以上分析，利用不同深度裂纹回波信号的频谱可对轴肩根部裂纹深度进行判定。以裂纹深度为自变量x，频谱幅值为因变量y，采用最小二乘法对频谱幅值进行拟合，得到拟合函数为：

y=0.1135x+0.7684

(2)

拟合相关系数为0.99905，可以很好描述裂纹深度与频谱幅值的变化趋势，从而对轴肩根部的裂纹进行定量分析。

4.2 实验验证

为了验证数值模拟所得裂纹回波频谱对轴肩根部裂纹深度定量的有效性，在惰轮轴轴肩根部加工裂纹进行了实验。试块的尺寸如图11所示，材料为45钢，采用线切割加工方式在轴肩根部每隔120°加工一个裂纹，深度分别为1.2mm、1.6mm、2.0mm，如图11(b)所示。

利用超声检测系统对惰轮轴中的裂纹进行检测，各裂纹回波信号和频谱如图12所示，由12(a)可知，轴肩回波与裂纹回波重叠在一起，但随着裂纹深度的增加回波幅值随之增大；由12(b)可知，回波频谱幅值随着裂纹深度增大而增大，中心频率附近的带宽增宽，裂纹深度对超声回波的影响规律与有限元结果吻合。

裂纹深度与频谱幅值的关系如图13所示，由图13可知，数值结果和实验结果相吻合，式(2)得到的拟合直线可用于表示裂纹深度与回波频谱幅值的关系。

5 结 论

1)建立了惰轮轴超声检测二维有限元模型，分析了超声波在轴中的传播过程，明确了接收信号中各回波与惰轮轴结构的关系。

2)搭建了惰轮轴超声检测系统，采集了超声回波信号，与有限元仿真结果进行了对比，两者在波形上的一致性较好，验证了有限元模型的有效性。

3)建立不同深度裂纹的惰轮轴模型，得到其回波，通过傅里叶变换得到各回波的频谱，回波幅值和频谱幅值随着裂纹深度的增大而增大，回波带宽随着裂纹深度增大而变宽。采用最小二乘法得到了频谱幅值和裂纹深度的拟合函数，通过实验验证了拟合函数的正确性，可用于表示裂纹深度与回波频谱幅值的关系。