工程機(jī)械故障檢測(cè)與診斷第四章無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一些重要的零部件的失效會(huì)造成災(zāi)難性的事故，如航空、航天器、潛水艇等，而一些制造或使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷常常又不是在表面上，也不易用肉眼觀察到，因此需要借助先進(jìn)的儀器設(shè)備進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。它包括以下幾類檢測(cè)方法：

第1頁(yè)，共33頁(yè)。射線檢測(cè)

所用射線可以是x射線、γ射線、中子等，它們的檢測(cè)原理基本相同，不同點(diǎn)在于所能檢測(cè)的深度不同

，它是利用金屬基體與缺陷對(duì)射線的吸收或透射特性不同，而將材料內(nèi)部的缺陷記錄在感光片上，主要適用于檢查厚度小于500mm的鑄件的內(nèi)部缺陷，缺點(diǎn)是分辯率低，且不能檢查復(fù)雜形狀的零件。第2頁(yè)，共33頁(yè)。聲試驗(yàn)法檢測(cè)

聲試驗(yàn)法檢測(cè)包括超聲波探傷、聲阻法探傷和聲發(fā)射探傷。

超聲波探傷是利用超聲波的指向性

、反射性和穿透性來(lái)探測(cè)缺陷的大小

、數(shù)量及位置，其優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣（可檢查厚度100cm鋼材內(nèi)部裂紋和其他缺陷，也可檢測(cè)表面裂紋）、靈敏度高、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，并可以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；其缺點(diǎn)是不好檢測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，需要標(biāo)樣，一些組織結(jié)構(gòu)對(duì)回波花樣有影響。第3頁(yè)，共33頁(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷第4頁(yè)，共33頁(yè)。第5頁(yè)，共33頁(yè)。超聲波探頭第6頁(yè)，共33頁(yè)。第7頁(yè)，共33頁(yè)。聲阻法探傷是利用物體的聲阻大小來(lái)判斷被測(cè)物體的缺陷，目前只用于蜂窩結(jié)構(gòu)的質(zhì)量

檢查。聲發(fā)射法是利用裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)出一定頻率的聲音來(lái)判斷裂紋擴(kuò)展速率以確定零件的壽命，屬于動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)。超聲波檢測(cè)與射線檢測(cè)的比較見表1。第8頁(yè)，共33頁(yè)。超聲波檢測(cè)與射線檢測(cè)的比較第9頁(yè)，共33頁(yè)。轉(zhuǎn)軸裂紋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究摘要：聲發(fā)射技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，可以找到聲發(fā)射信號(hào)和裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系，分析材料變形與斷裂機(jī)制。介紹了聲發(fā)射技術(shù)用于轉(zhuǎn)軸裂紋監(jiān)測(cè)的研究，分析了聲發(fā)射信號(hào)與轉(zhuǎn)軸裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)表明采用聲發(fā)射技術(shù)可以對(duì)轉(zhuǎn)軸裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，證明了聲發(fā)射技術(shù)在轉(zhuǎn)軸監(jiān)測(cè)上的可行性。第10頁(yè)，共33頁(yè)。斷裂是機(jī)械和工件失效的主要形式之一，與其他失效形式（彈塑性失穩(wěn)、磨損、腐蝕等）相比，更具危險(xiǎn)性。轉(zhuǎn)軸作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要承力部件，發(fā)生斷裂可能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此，對(duì)轉(zhuǎn)軸的裂紋監(jiān)測(cè)是非常重要的。聲發(fā)射（AE）技術(shù)作為一種在線監(jiān)測(cè)方法，可以對(duì)轉(zhuǎn)軸的完整性進(jìn)行判斷。第11頁(yè)，共33頁(yè)。

一、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)原理任何物體受到外力作用都會(huì)發(fā)生形變，超過(guò)一定限度便產(chǎn)生裂紋以至斷裂。在此過(guò)程中，物體內(nèi)部會(huì)發(fā)出不同的聲音（聲發(fā)射）。聲發(fā)射信號(hào)波形的幅度非常小，頻率非常高，利用非常靈敏的傳感器可把物體內(nèi)部發(fā)出的微弱聲信號(hào)接收下來(lái)，然后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而由聲發(fā)射系統(tǒng)分析處理，發(fā)現(xiàn)物體內(nèi)部裂紋的發(fā)展情況。第12頁(yè)，共33頁(yè)。金屬軸在屈服點(diǎn)附近出現(xiàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)高峰，標(biāo)志著裂紋的形成。一旦裂紋形成，轉(zhuǎn)軸局部地區(qū)的應(yīng)力集中得到卸載，產(chǎn)生聲發(fā)射。斷裂過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：裂紋成核、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂，三者都可以成為強(qiáng)烈的聲發(fā)射源。轉(zhuǎn)軸內(nèi)部發(fā)出的聲信號(hào)以彈性波的形式向四周傳播，到達(dá)轉(zhuǎn)軸表面，并經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)前置信號(hào)放大器放大，再由聲發(fā)射采集卡接收并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字信號(hào)，傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)軟件分析，就能確定轉(zhuǎn)軸上裂紋的全部發(fā)展過(guò)程，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。第13頁(yè)，共33頁(yè)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖1為轉(zhuǎn)軸裂紋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，由五部分組成，除預(yù)制實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)軸為自制外，其他均為美國(guó)物理聲學(xué)公司產(chǎn)品。第14頁(yè)，共33頁(yè)。圖2為預(yù)制實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)軸示意圖，尺寸20mmx300mm，所用材料為86CrMoV7。在轉(zhuǎn)軸上預(yù)制裂紋，深度2mm。第15頁(yè)，共33頁(yè)。1．預(yù)制實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)軸。2．聲發(fā)射傳感器。傳感器用于接收材料內(nèi)部的聲發(fā)射信號(hào)，其性能對(duì)測(cè)試非常重要。本實(shí)驗(yàn)選用R15型聲發(fā)射專用傳感器，外徑19mm，重量34g，可以在一65℃~177℃的范圍內(nèi)使用。其信號(hào)采集部分是壓電陶瓷，可采集信號(hào)頻率范圍是50~200kHz。3．前置信號(hào)放大器。聲發(fā)射傳感器的電壓輸出信號(hào)非常弱，因此，需要放大器放大后再傳輸。實(shí)驗(yàn)選用的前置放大器是一種通用放大器，可獲得20/40/60dB的增益，具有單端輸入和差分輸入兩種輸入方式。4．聲發(fā)射采集卡。選用PCI-2聲發(fā)射卡，是對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)、波形進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的二通道聲發(fā)射系統(tǒng)，具有18位A/D轉(zhuǎn)換、3kHz~3MHz頻率范圍。5．計(jì)算機(jī)分析軟件。采用AEwinTM和Wavelets軟件包，是Windows環(huán)境下的實(shí)時(shí)聲發(fā)射分析軟件包，包括前端數(shù)字濾波、圖解濾波、AE特征提取、報(bào)警輸出、各種定位功能、2-D和3-D圖形、多參數(shù)分析、聚類分析、波形處理及相關(guān)分析、HIT數(shù)據(jù)線形顯示、統(tǒng)計(jì)及重放功能等。Wavelets是小波分析軟件。第16頁(yè)，共33頁(yè)。HTR系列聲發(fā)射傳感器

HTPA系列聲發(fā)射傳感器

第17頁(yè)，共33頁(yè)。美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC公司）最新推出的高速、高性能聲發(fā)射/接收與數(shù)據(jù)采集卡第18頁(yè)，共33頁(yè)。第19頁(yè)，共33頁(yè)。第20頁(yè)，共33頁(yè)。第21頁(yè)，共33頁(yè)。數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)儀信號(hào)采集軟件含波形參數(shù)采集、聲源定位分析等功能（儀器標(biāo)配）。windows中文界面,WINDOWS環(huán)境下實(shí)時(shí)聲發(fā)射參數(shù)和波形采集、外參量輸入采集。實(shí)時(shí)波形、參數(shù)表、相關(guān)圖及定位圖形顯示。線形、平面、柱面、球面積立方體定位，罐底三維定位，可自動(dòng)布置換能器（傳感器）。多用鼠標(biāo)操作，流行windows操作方式。軟件設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)便。軟件還具有任意參數(shù)濾波器窗口設(shè)置，聚類，定位-參數(shù)-波形關(guān)聯(lián)分析顯示等多種信號(hào)處理功能。信號(hào)分析軟件多窗口選擇譜分析、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別第22頁(yè)，共33頁(yè)。美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC公司）的聲發(fā)射系統(tǒng)第23頁(yè)，共33頁(yè)。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集到的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上主要有四種類型，如圖3所示。帶預(yù)制裂紋的轉(zhuǎn)軸在扭矩作用下，開始采集到的聲發(fā)射信號(hào)如圖3a，信號(hào)幅值很低，最大峰值在0.5V以下，此時(shí)裂紋并沒(méi)有擴(kuò)展，除了預(yù)制裂紋外，沒(méi)有新的裂紋產(chǎn)生，處于穩(wěn)定狀態(tài)。第24頁(yè)，共33頁(yè)。第25頁(yè)，共33頁(yè)。第26頁(yè)，共33頁(yè)。從圖3b中可以看出已有較強(qiáng)的聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)幅值1V左右，為新裂紋萌生的開始。此外還可在圖4a中看出，裂紋萌生之后，發(fā)展速度緩慢，信號(hào)能量雖然增加，但幅度不高，總能量也不大。此時(shí)的能量多集中在40~100kHz之間，處于聲發(fā)射信號(hào)的低頻部分，可認(rèn)為此時(shí)代表裂紋萌生及緩慢發(fā)展階段。從圖3c和圖4b可以看出，聲發(fā)射信號(hào)幅值再次變大，超過(guò)2V，而且在能量譜上顯示的信號(hào)范圍主要集中于60~l20kHz之間，總能量大大增加。顯而易見，裂紋正在迅速擴(kuò)展?？烧J(rèn)為此時(shí)代表裂紋快速擴(kuò)展階段。從圖3d可以看出，信號(hào)繼續(xù)增強(qiáng)，接近4V，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最強(qiáng)信號(hào)，預(yù)制轉(zhuǎn)軸隨即斷裂。除此之外，還可以在圖4c中看出，在l40kHz附近能量有一個(gè)高峰，但總能量卻降低，即轉(zhuǎn)軸斷裂階段釋放了很大能量。第27頁(yè)，共33頁(yè)。四、結(jié)論

采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)軸所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)研究可以看出，隨著時(shí)間的變化，裂紋由萌生到發(fā)展，再到斷裂，在這三個(gè)階段，處于不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)軸所測(cè)取的信號(hào)特征有著明顯的區(qū)別，并且和實(shí)際的裂紋擴(kuò)展過(guò)程完全吻合。這對(duì)于進(jìn)一步將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸在線監(jiān)測(cè)以及故障診斷有著重要的意義。第28頁(yè)，共33頁(yè)。AM485型巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)第29頁(yè)，共33頁(yè)。電磁檢測(cè)

電磁檢測(cè)包括磁力探傷和渦流探傷

。前者是利用磁性材料在磁場(chǎng)中的行為觀察漏磁場(chǎng)大小、數(shù)量和分布，以判別裂縫等缺陷，適用于鐵磁材料的表面與次表面缺陷（圖2）。后者是利用交流磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流與材料缺陷固有特性間的關(guān)系來(lái)判別缺陷。第30頁(yè)，共33頁(yè)。第31頁(yè)，共33頁(yè)。滲透法檢測(cè)

目前使用的有熒光檢測(cè)和著色檢測(cè)，它適用于探測(cè)表面開口裂紋。熒光檢測(cè)是利用熒光液可以滲入裂縫內(nèi)，并在紫外線照射下能顯示顏色的特性判斷表面是否存在裂紋，適用于有色金屬。著色檢測(cè)是將有色的滲透液滲入裂縫內(nèi)，不用紫外線照射即能判斷表面是否存在裂紋。熱試驗(yàn)檢測(cè)

熱試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)有色及黑色金屬材料均可使用，有液晶法和表面張力法。前者是利用液晶的溫度效應(yīng)，直接可觀測(cè)被測(cè)工件各部位的溫度差別，進(jìn)而判定被測(cè)工件的缺陷情況；后者是利用某些液體表面張力的溫度效應(yīng)來(lái)判別工件的缺陷情況。第32頁(yè)，共33頁(yè)。內(nèi)容梗概無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。一些重要的零部件的失效會(huì)造成災(zāi)難性的事故，如航空、航天器、潛水艇等，而一些制造或使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷常常又不是在表面上，也不易用肉眼觀察到，因此需要借助先進(jìn)的儀器設(shè)備進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。射線檢測(cè)

所用射線可以是x射線、γ射線、中子等，它們的檢測(cè)原理基本相同，不同點(diǎn)在于所能檢測(cè)的深度不同

，它是利用金屬基體與缺陷對(duì)射線的吸收或透射特性不同，而將材料內(nèi)部的缺陷記錄在感光片上，主要適用于檢查厚度小于500mm的鑄件的內(nèi)部缺陷，缺點(diǎn)是分辯率低，且不能檢查復(fù)雜形狀的零件。其缺點(diǎn)是不好檢測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，需要標(biāo)樣，一些組織結(jié)構(gòu)對(duì)回波花樣有影響。斷裂是機(jī)械和工件失效的主要形式之一，與其他失效形式（彈塑性失穩(wěn)