一种旋转轴裂纹检测装置及系统的制作方法

1.本发明涉及转轴检测技术领域，更具体的说是涉及一种旋转轴裂纹检测装置及系统。


背景技术：

2.一般的机械设备具有承受载荷并做旋转运动的轴，这种轴不仅传递扭矩，在有的设备中还承受弯矩，在高速旋转和复合载荷等综合作用下往往容易发生断裂而失效，这种事故往往是在设备工作过程中发生，进而引起重大的安全或者经济损失，这种失效的一般原因是转轴设计余量不足、制造质量导致本身存在表面裂纹或者内部组织缺陷，在疲劳载荷的作用下，表面裂纹将逐步深度扩展直至断裂；内部缺陷也将产生裂纹从内部扩展到表面，直到断裂。
3.目前在工厂里一般采用超声波或者磁粉等无损检测方法对这些旋转轴进行探伤，但是在工作状态下，由于转轴是旋转的，这些方法都不容易采用；并且超声波受环境影响大，而且需要接触工件表面或者采用耦合剂，效果不理想，磁粉检测更加不合适。
4.因此，为避免工作过程中转轴突然发生断裂事故，如何提供一种对转轴裂纹在线监测或者在不拆卸的状态下进行检测的装置及系统，以便于提前发现表面裂纹，在断裂前发现问题，杜绝重大事故发生是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种旋转轴裂纹检测装置及系统以解决背景技术中提到的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种旋转轴裂纹检测装置，包括：探头和探伤仪；
8.探头包括激励线圈和测量线圈；
9.探伤仪包括激励信号源、信号检波电路和测量比较电路；
10.激励信号源输出端与激励线圈相连，测量线圈与激励线圈紧密耦合方式绕制于同一磁芯，测量线圈输出端与信号检波电路输入端相连，信号检波电路输出端与测量比较电路相连；
11.激励信号源输出高频正弦信号的激励信号至激励线圈，激励线圈产生一次交变磁场，试件在一次交变磁场作用下感生出交变的涡流，涡流在周围空间形成交二次变磁场，测量线圈在一次交变磁场和二次变磁场作用下产生感应电动势输出交流信号，信号检波电路检测测量线圈输出的交流信号中的高频信号包络线输出低频包络线波形信号，测量比较电路根据检波电路输出的低频包络线波形信号与预设参考电压比较，输出高低电平信号并判断被测试件表面有无缺陷。
12.优选的，激励信号源包括放大器、正反馈网络和选频网络，反馈信号的幅度等于原输入信号的幅度，正反馈信号与输入信号的相位相同，选频网络抑制信号中不满足自激振
荡条件的频率输出确定频率的正弦信号。
13.优选的，测量比较电路包括三极管、稳压管、精密变阻器和运算放大器；
14.三极管的基极与检波电路的输出端相连，三极管的输出端与运算放大器的反相输入端相连，稳压管的输出端经精密变阻器分压后与运算放大器的同相输入端相连。
15.优选的，当探头检测到被测试件表面有裂纹时，测量线圈输出的交流信号幅值会减小，经检波后得到向下弯曲的电压曲线，三极管基极输入电压减小、集电极输出电压增大，输入的包络线信号经三极管放大后输出的波形由集电极输出并输入至运算放大器，稳压管dz和调节电阻rvar形成参考电压输入至运算放大器，三极管输出电压与参考电压进行比较，当三极管的输出电压大于参考电压时输出低电平。
16.优选的，探伤仪还包括报警电路，报警电路与测量比较电路相连，报警电路用来对测量比较电路的输出电平信号进行处理转化为声光警示信号。
17.一种旋转轴裂纹检测系统，包括探头固定支架、探头、探伤仪和监控服务器；
18.探头固定支架固定于旋转轴的轴承座端盖上，探头固定于探头固定支架上，探头对准并靠近旋转轴最大应力或易产生裂纹的表面；
19.探伤仪与探头相连，探伤仪与监控服务器相连。
20.优选的，所述的一种旋转轴裂纹检测系统，还包括电源，电源与探伤仪相连。
21.优选的，探头数量至少为一个，探头固定支架数量与探头数量对应设置。
22.优选的，沿旋转轴一圈360
°
角布置多个探头，每个探头之间在纵向相隔一定距离。
23.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种旋转轴裂纹检测装置及系统，将涡流检测应用到检测转轴表面裂纹的在线监测，将涡流检测应用到不拆解设备的情况下对转轴进行检测，装置结构简单、成本低、易安装和维护，不需要耦合剂，不必要接触工件；适应转轴的工作环境，包括高低温、抗振性，可实现在线监测或者在转轴空转的情况下完成检测，检测更准确、高效；将发现裂纹信号输出至监控室、显示器或者进行报警，可以及时发现问题。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1附图为本发明提供的旋转轴裂纹检测装置示意图；
26.图2附图为本发明提供的旋转轴裂纹检测装置原理示意图；
27.图3附图为本发明提供的正弦波振荡器示意图；
28.图4附图为本发明提供的变压器反馈式lc正弦波振荡器原理示意图；
29.图5附图为本发明提供的检波电路示意图；
30.图6附图为本发明提供的测量比较电路示意图；
31.图7附图为本发明提供的一种旋转轴裂纹检测系统示意图；
32.图8附图为本发明提供的一种圆形探头示意图；
33.图9附图为本发明提供的探头安装示意图；
34.图10附图为本发明提供的一种风力发电机组主轴的应力分布云图；
35.图11附图为本发明提供的一种风力发电机组主轴的旋转轴裂纹检测系统实施方案示意图；
36.图12附图为本发明提供的两个探头安装在风机轴承座端盖上的旋转轴裂纹检测系统示意图示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明实施例公开了一种旋转轴裂纹检测装置，如图1，包括：探头和探伤仪；
39.探头包括激励线圈和测量线圈；
40.探伤仪包括激励信号源、信号检波电路和测量比较电路；
41.激励信号源输出端与激励线圈相连，测量线圈与激励线圈紧密耦合方式绕制于同一磁芯，测量线圈输出端与信号检波电路输入端相连，信号检波电路输出端与测量比较电路相连；
42.激励信号源输出高频正弦信号的激励信号至激励线圈，激励线圈产生一次交变磁场，试件在一次交变磁场作用下感生出交变的涡流，涡流在周围空间形成交二次变磁场，测量线圈在一次交变磁场和二次变磁场作用下产生感应电动势输出交流信号，信号检波电路检测测量线圈输出的交流信号中的高频信号包络线输出低频包络线波形信号，测量比较电路根据检波电路输出的低频包络线波形信号与预设参考电压比较，输出高低电平信号并判断被测试件表面有无缺陷，如图2。
43.为了进一步实施上述技术方案，如图3，激励信号源包括放大器、正反馈网络和选频网络，反馈信号的幅度等于原输入信号的幅度，正反馈信号与输入信号的相位相同，选频网络抑制信号中不满足自激振荡条件的频率输出确定频率的正弦信号。
44.在本实施例中，激励信号源正弦波振荡器。
45.在实际应用中，正弦波振荡器要满足产生自激振荡的幅度和相位平衡条件：幅度平衡条件指反馈信号的幅度应等于原输入信号的幅度，即，|vi|＝|vf|，|a||f|＝1；相位平衡条件指正反馈信号与输入信号的相位相同，即它们之间的相位差应满足：|vi|＝|vf|，|a||f|＝1，其中n＝1，2，3
…
，为产生某一确定频率的正弦波，还需具有选频网络，选频网络可使信号中不满足自激振荡条件的频率受到抑制，图4示例为变压器反馈式lc正弦波振荡器原理图。
46.在本实施例中，为了发现测量线圈的感生电动势变化，借鉴了收音机的检波原理，从而利用检波电路把测量线圈中的高频信号包络线检测出来，如图5(a)和(b)。
47.为了进一步实施上述技术方案，如图6，测量比较电路包括三极管、稳压管、精密变阻器和运算放大器；
48.三极管的基极与检波电路的输出端相连，三极管的输出端与运算放大器的反相输入端相连，稳压管的输出端经精密变阻器分压后与运算放大器的同相输入端相连。
49.在本实施例中，三极管bg2起低放作用，电阻r1、r2分别为其基极、集电极的偏置电阻，电容c1为10μf的大电容，c2为0.01μf的小电容。由于大电容的时间常数很大，对于高频信号近似于断路，对于低频信号相当于短路；而小电容时间常数小，对于低频信号相当于断路，对于高频信号相当于短路。而该电路的输入信号包络线波形为低频信号，因此该信号能通过电容c1送到三极管bg2的基极，而输入信号中有高频成分噪声则会通过小电容c2接地，使c2起到屏蔽信号高频分量的作用。
50.为了进一步实施上述技术方案，当探头检测到被测试件表面有裂纹时，测量线圈输出的交流信号幅值会减小，经检波后得到一个向下弯曲的电压曲线，曲部分就代表了探测到试件缺陷对涡流的影响；三极管基极输入电压减小、集电极输出电压增大，输入的包络线信号经三极管bg2放大后输出至运算放大器，稳压管dz和调节电阻rvar形成参考电压输入至运算放大器，三极管输出电压与参考电压进行比较，当三极管的输出电压大于参考电压时输出低电平，表示探头线圈探测到了金属表面的缺陷，之后探头线圈又接触到无缺陷的部分，反向端的输入电压再一次减小，运算放大器输出高电平，因此测量比较电路的输出是否为低电平表明被测试件有无缺陷。
51.为了进一步实施上述技术方案，探伤仪还包括报警电路，报警电路与测量比较电路相连，报警电路用来对测量比较电路的输出信号进行处理转化为声光警示信号。
52.在实际应用中，测量比较电路的输出电平可直接驱动发光二极管亮、灭，再采用由集成555定时器组成的单稳态触发器构成报警电路，可以显示报警信号；或者输出其它方式警示信号。
53.一种旋转轴裂纹检测系统，如图7，包括探头固定支架、探头、探伤仪和监控服务器；
54.探头固定支架固定于旋转轴的轴承座端盖上，探头固定于探头固定支架上，探头对准并靠近旋转轴最大应力或易产生裂纹的表面；
55.探伤仪与探头相连，探伤仪与监控服务器相连。
56.在实际应用中，探头可做成圆形，探头前端直径就是基本的探测范围，结构上可带螺纹便于安装，如图8。
57.探头通过螺栓及安装支架安装在轴承座端盖上或者机舱的机架上，如图9。
58.为了进一步实施上述技术方案，一种旋转轴裂纹检测系统，还包括电源，电源与探伤仪相连。
59.在本本实施例中，电源可直接使用电池，或者设备以及工厂电源：110v/60hz或者220v/50hz。
60.为了进一步实施上述技术方案，探头数量至少为一个，探头固定支架数量与探头数量对应设置。
61.为了进一步实施上述技术方案，沿旋转轴一圈360
°
角布置多个探头，每个探头之间在纵向相隔一定距离。
62.在本实施例中，对于工厂设备或者野外无人值守设备，探伤仪可自用带电源或者外部电源，将一个或者多个探头安装固定在设备机架上或者在转轴的轴承盖上，探头安装角度任意确保探头检测端对准并靠近转轴最大应力或者易产生裂纹的表面(不限于圆弧过渡面)；由于探头感应区域小，因此可以沿转轴一圈360
°
角布置多个探头，每个探头之间在
纵向可以相隔一定距离，这样使探测范围扩大，保证不漏检，电缆从探头与探伤仪连接，探伤仪的显示器或者报警器可放置在设备旁边或者在监控室。
63.以风力发电机组的主轴为例，如图10为其应力分布云图，可见最大应力在轴承支撑位置的前后，可以在轴承支撑的前端或者后端布置探头；图11为实施的基本方案框图，探伤系统从机舱取电，将探头通过螺栓及安装支架安装在轴承座端盖上或者机舱的机架上，并使探头对准主轴的最大应力或应力集中位置处(不限于圆弧过渡面)；为避免漏测，可以采用多个通道，在360
°
圆周布置多个探头，探头之间轴向具有一定间距，就可以增大检测范围，在整个轴颈位置区域实施检测和监测，如图12为两个探头安装在风机轴承座端盖上的一种示例，检测出的输出信号接入风机监控系统，就可在监控室查看到结果；由于该监测方法只需要主轴旋转一定圈数就行，在风机不发电空转的情况下也能进行在线监测，所以该方法也可以在风机进行定检或者巡检时完成检测。
64.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
65.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，包括：探头和探伤仪；探头包括激励线圈和测量线圈；探伤仪包括激励信号源、信号检波电路和测量比较电路；激励信号源输出端与激励线圈相连，测量线圈与激励线圈紧密耦合方式绕制于同一磁芯，测量线圈输出端与信号检波电路输入端相连，信号检波电路输出端与测量比较电路相连；激励信号源输出激励信号至激励线圈，激励线圈产生一次交变磁场，试件在一次交变磁场作用下感生出交变的涡流，涡流在周围空间形成二次交变磁场，测量线圈在一次交变磁场和二次变磁场作用下产生感应电动势输出交流信号，信号检波电路检测测量线圈输出的交流信号中的高频信号包络线输出低频包络线波形信号，测量比较电路根据检波电路输出的低频包络线波形信号与预设参考电压比较，输出高低电平信号并判断被测试件表面有无缺陷。2.根据权利要求1所述的一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，激励信号源包括放大器、正反馈网络和选频网络，反馈信号的幅度等于原输入信号的幅度，正反馈信号与输入信号的相位相同，选频网络抑制信号中不满足自激振荡条件的频率，输出确定频率的正弦信号。3.根据权利要求1所述的一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，测量比较电路包括三极管、稳压管、精密变阻器和运算放大器；三极管的基极与检波电路的输出端相连，三极管的输出端与运算放大器的反相输入端相连，稳压管的输出端经精密变阻器分压后与运算放大器的同相输入端相连。4.根据权利要求3所述的一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，当探头检测到被测试件表面有裂纹时，测量线圈输出的交流信号幅值减小，经检波后得到向下弯曲的电压曲线，三极管基极输入电压减小、集电极输出电压增大，输入的包络线信号经三极管放大后输出的波形由集电极输出并输入至运算放大器，稳压管dz和调节电阻rvar形成参考电压输入至运算放大器，三极管输出电压与参考电压进行比较，当三极管的输出电压大于参考电压时输出低电平。5.根据权利要求1所述的一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，探伤仪还包括报警电路，报警电路与测量比较电路相连，报警电路用来对测量比较电路的输出电平信号进行处理转化为声光警示信号。6.一种旋转轴裂纹检测系统，基于权利要求1-5任意一项所述的一种旋转轴裂纹检测装置，其特征在于，包括探头固定支架、探头、探伤仪和监控服务器；探头固定支架固定于旋转轴的轴承座端盖上，探头固定于探头固定支架上，探头对准并靠近旋转轴最大应力或易产生裂纹的表面；探伤仪与探头相连，探伤仪与监控服务器相连。7.根据权利要求6所述的一种旋转轴裂纹检测系统，其特征在于，还包括电源，电源与探伤仪相连。8.根据权利要求6所述的一种旋转轴裂纹检测系统，其特征在于，探头数量至少为一个，探头固定支架数量与探头数量对应设置。9.根据权利要求8所述的一种旋转轴裂纹检测系统，其特征在于，沿旋转轴一圈360
°
角
布置多个探头，每个探头之间在纵向相隔一定距离。

技术总结
本发明公开了一种旋转轴裂纹检测装置及系统，包括：探头和探伤仪；探头包括激励线圈和测量线圈；探伤仪包括激励信号源、信号检波电路和测量比较电路；激励信号源输出端与激励线圈相连，测量线圈与激励线圈紧密耦合方式绕制于同一磁芯，测量线圈输出端与信号检波电路输入端相连，信号检波电路输出端与测量比较电路相连；该系统包括探头固定支架、探头、探伤仪和监控服务器；探头固定支架固定于旋转轴的轴承座端盖上，探头固定于探头固定支架上，探头对准并靠近旋转轴最大应力或易产生裂纹的表面；探伤仪与探头相连，探伤仪与监控服务器相连；本发明通过涡流检测实现对转轴表面裂纹的在线监测，并且实现在不拆解设备的情况下对转轴进行检测。进行检测。进行检测。


技术研发人员：晏红文 谌雪琴
受保护的技术使用者：谌雪琴
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/7/27