在役風(fēng)機(jī)主軸超聲合成孔徑成像檢測工藝

郭會(huì)軍 ，張國輝 ，竇 才 ，楊周斌 ，李 榮

（1.遼寧大唐國際新能源有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000；3.北京博比風(fēng)電科技有限公司，北京 100176）

1 檢測對象描述

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也逐步向大型化的方向發(fā)展。其中風(fēng)機(jī)主軸是連接葉片和機(jī)艙的重要部件，其長期在各種復(fù)雜的應(yīng)力、周期振動(dòng)等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，主軸易產(chǎn)生表面向軸心延伸的裂紋，該類缺陷隨著主軸長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)不斷由主軸表面向軸心擴(kuò)展，最終導(dǎo)致主軸斷裂，直接危害風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來出現(xiàn)過數(shù)起由于主軸斷裂引起的倒塌事故，因此對風(fēng)機(jī)主軸運(yùn)行過程中的檢測極為重要[1]。

目前，超聲合成孔徑成像算法已先后在王源果[2]、馮全威[3]、李晨[4]等的論文中提到并應(yīng)用，論文中提到該技術(shù)具有良好的聲束形成能力，提高了系統(tǒng)分辨率，具有較好的成像質(zhì)量，可以用小孔徑的實(shí)際基元換能器和較低的工作頻率，對位于遠(yuǎn)處目標(biāo)物具有高方位分辨率的探測、觀察能力。劉冬青等[5]認(rèn)為合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）有兩大優(yōu)勢：①合成孔徑能夠提高聚焦區(qū)域的橫向分辨率；②能夠在聚焦區(qū)域產(chǎn)生動(dòng)態(tài)聚焦的效果。

本文利用超聲合成孔徑聚焦成像技術(shù)，通過軸外端面網(wǎng)格式的數(shù)據(jù)采集，軟件的數(shù)據(jù)處理、圖像重建、數(shù)據(jù)分析即可實(shí)現(xiàn)不拆卸主軸下無損檢測。

2 超聲合成孔徑聚焦成像原理

超聲合成孔徑是指傳感器以一定步長沿線性孔徑軌跡移動(dòng)，在軌跡上的孔徑位置向成像區(qū)域發(fā)射脈沖信號，并接收和儲(chǔ)存檢測信號，然后下一孔徑位置進(jìn)行相同的發(fā)射、接收和儲(chǔ)存，直到掃描完成。然后按照重建點(diǎn)對相應(yīng)孔徑檢測號的回波做時(shí)延調(diào)整、信號疊加和平均等處理，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)聚焦，最終重建整個(gè)成像區(qū)域的信號反射圖。

針對在役大軸的不拆卸超聲成像檢測，本文主要通過自發(fā)自收的方式，在大軸端面的規(guī)定位置進(jìn)行超聲檢測，采集全部回波信息，通過合成孔徑SAFT 算法對大軸三維超聲成像，檢測大軸內(nèi)部缺陷的檢測方式。同時(shí)基于在役風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)特殊性，按探頭本身的性能和計(jì)算所得的探頭間距，在主軸端面上劃分網(wǎng)格以確定每個(gè)探頭相應(yīng)的位置并組成檢測陣列。然后將每一個(gè)區(qū)域中的A 掃信號使用合成孔徑技術(shù)疊加，即可得到超聲波在工件中不同深度下的斷面成像。

3 檢測工藝

3.1 檢測對象

通常要求對在役風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行整體檢測，特別是對表面及近表面向軸心延伸的周向裂紋。由于是在役風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行不拆卸檢測，因此通常只有主軸的一個(gè)端面能夠成為有效的檢測平面，這也是軸類檢測的難點(diǎn)之一。

3.2 檢測準(zhǔn)備

3.2.1 表面要求

當(dāng)主軸表面有銹蝕、凹凸不平，探頭與螺栓耦合不良會(huì)直接造成檢測靈敏度的下降，甚至?xí)z。因此，在主軸檢測前應(yīng)清理影響探頭與檢測面耦合的銹蝕、鍍鋅層凸起和其他雜物等，一般要求檢測面粗糙度應(yīng)不超過Ra6.3 μm。

3.2.2 耦合方式

超聲合成孔徑聚焦成像檢測風(fēng)機(jī)主軸，探頭與主軸耦合和傳統(tǒng)的方式基本相同，采用直接接觸法，即探頭經(jīng)耦合劑耦合后直接與試件表面接觸，探頭發(fā)射出的聲波通過耦合劑傳播到工件內(nèi)部進(jìn)行檢測，耦合的好壞決定了聲波能量傳入螺栓的聲強(qiáng)透射率高低，所以保證耦合良好很關(guān)鍵。

由于主軸長度達(dá)數(shù)米，表面有防腐涂層，宜采用透聲性好且不損傷檢測表面的水基耦合劑糨糊或潤滑脂，以保證良好耦合，注意一旦環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，耦合劑中應(yīng)添加防凍液。

3.3 探頭布局與掃查方式

3.3.1 探頭布局

（1）探頭網(wǎng)格的劃分。首先根據(jù)主軸的長度及材料選擇頻率及晶片尺寸。主要保證單個(gè)探頭激發(fā)的超聲能量足夠有效檢出整個(gè)主軸長度上的信號。其次根據(jù)晶片直徑劃分網(wǎng)格，選擇最小尺寸，即探頭為10 mm 晶片，網(wǎng)格劃分為10×10，由于聲束采集越多越密集，成像精度越高，因此不建議擴(kuò)大網(wǎng)格大小。最后根據(jù)得到的相關(guān)參數(shù)設(shè)置探頭間距，確定軸端截面上畫格子數(shù)量，探頭采集數(shù)據(jù)的位置應(yīng)和軟件中格子位置保持一致。

（2）成像單元的劃分。成像單元的劃分應(yīng)至少是探頭網(wǎng)格的10 倍，即20×20 的探頭網(wǎng)格，成像單元應(yīng)至少劃分為200×200，劃分越密集，成像精度越高。對于一個(gè)變徑的風(fēng)機(jī)主軸，當(dāng)直徑超過探頭端面時(shí)，多出的部分將不能檢測成像。當(dāng)直徑小于探頭端面時(shí)，減少部分對應(yīng)的成像單元數(shù)值。賦值為0 時(shí)，只對剩余部分的成像單元進(jìn)行合成孔徑成像。

3.3.2 掃查方式

由于主軸端面較為平整，適合超聲波入射，使探頭與主軸端面保持良好耦合，根據(jù)探頭在網(wǎng)格中心位置對應(yīng)軟件網(wǎng)格所在的格子中完成信號采集。

3.3.3 檢測靈敏度

眾所周知，超聲檢測靈敏度表示檢測能力的強(qiáng)弱程度，在超聲檢測儀器上能識(shí)別最小超聲信號，或檢出最小缺陷。在實(shí)施風(fēng)機(jī)主軸超聲合成孔徑聚焦成像檢測時(shí)，將探頭放置在主軸端面，探頭中心應(yīng)盡量保持與網(wǎng)格中心重合，手持探頭耦合穩(wěn)定時(shí)，調(diào)整儀器掃描范圍使底波出現(xiàn)在80%時(shí)基范圍處，此時(shí)增益為基本檢測靈敏度。信號采集完畢后保存信號，同時(shí)將增益dB 數(shù)增加20 dB 后再次對主軸進(jìn)行信號采集并保存數(shù)據(jù)。

3.4 檢測流程

針對風(fēng)機(jī)主軸檢測由3 個(gè)部分組成：①在役主軸建模-畫網(wǎng)格；②現(xiàn)場對應(yīng)網(wǎng)格在線采集數(shù)據(jù)；③離線數(shù)據(jù)分析。

3.4.1 主軸建模

首先在計(jì)算機(jī)上根據(jù)軸的圖紙建立二維模型，其次根據(jù)探頭布局確定檢測間距或格子尺寸，最后根據(jù)儀器設(shè)定的參數(shù)在主軸端面用記號筆畫出相應(yīng)大小的格子。

3.4.2 采集數(shù)據(jù)

首先準(zhǔn)備機(jī)油或潤滑脂作為耦合劑，均勻點(diǎn)涂在格子中心位置，其次將探頭放置軟件對應(yīng)格子中心保持良好耦合，最后保持底波信號在80%左右，點(diǎn)擊儀器軟件采樣，其他網(wǎng)格如上操作依次采集，完成網(wǎng)格采樣后保存數(shù)據(jù)。

3.4.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模型視圖移動(dòng)深度分析線，結(jié)合A 掃信號、深度截面圖像，通過軟件整合形成整體平面信號分布圖示。按照一定的分層距離來顯示信號強(qiáng)度變化，從而評判是否存在缺陷以及缺陷的大小，還可對同一根軸不同時(shí)間段的檢測結(jié)果進(jìn)行對比。

4 檢測配置

檢測使用的探頭為常規(guī)超聲波單晶直探頭。針對不同材質(zhì)的主軸選擇適合的頻率以及直徑尺寸來滿足信號采集的要求。一般晶粒細(xì)密的材質(zhì)宜采用頻率較高的探頭，如4 MHz、5 MHz。材質(zhì)衰減較大或者粗晶材質(zhì)的主軸宜采用低頻探頭，如0.5 MHz～2 MHz。主軸端面直徑大的宜采用大直徑探頭，端面尺寸小的宜采用小直徑探頭。設(shè)備采用武漢中科生產(chǎn)的HS-SF-I 型超聲合成孔徑聚焦檢測儀。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于風(fēng)機(jī)主軸實(shí)物難以獲取，目前未發(fā)現(xiàn)存在裂紋缺陷，因此現(xiàn)階段采用圓柱體作為驗(yàn)證對象，圓柱體材質(zhì)為碳鋼，直徑180 mm，長500 mm。圓柱體樣件缺陷信息如表1 所示。

表1 圓柱體樣件缺陷信息

按上文所述工藝進(jìn)行檢測，通過軸外端面網(wǎng)格式的數(shù)據(jù)采集等工藝流程檢測圓柱體不同類型、不同深度、不同距離的缺陷，檢測結(jié)果如圖1 所示。

如圖1a 所示，在深度為151.4 mm 截面處發(fā)現(xiàn)缺陷1 信號，距離誤差為1.4 mm。

如圖1b 所示，在深度為253.5 mm 截面處發(fā)現(xiàn)缺陷2/3/5 信號，距離誤差為3.5 mm。在同一深度截面上通過選擇不同位置的采樣探頭可以得到缺陷2/3/5 的最佳成像效果（方框），同時(shí)觀察相應(yīng)A 掃信號，其缺陷信號幅值基本高于滿屏的40%，具有很好的信噪比。

圖1 圓柱體檢測結(jié)果

如圖1c 所示，在深度為355.1 mm 截面處發(fā)現(xiàn)缺陷4 信號，距離誤差為5.1 mm。

6 結(jié)語

采用超聲合成孔徑聚焦成像檢測技術(shù)的設(shè)備和專用探頭組合檢測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)單一超聲縱波探頭網(wǎng)格式掃查檢測方法相比，克服了風(fēng)電主軸在役檢測的操作空間狹窄、不拆卸的狀態(tài)下長距離檢測靈敏度低、單一波形結(jié)構(gòu)信號難以分析等問題。通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲合成孔徑聚焦成像檢測方法具有良好檢出率和直觀檢測效果，因此有利于對役風(fēng)機(jī)主軸質(zhì)量健康狀態(tài)進(jìn)行評估，確保風(fēng)機(jī)長期穩(wěn)定運(yùn)行。