风力发电球墨铸铁齿轮箱的超声波检测

设计研究铁道机车车辆工人第6期2011年6月文章编号100760422011060001一O4风力发电球墨铸铁齿轮箱的超声波检测刘仕远万升云章文显郑小康任好娟南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州213011摘要通过分析风力发电球墨铸铁齿轮箱的结构特点和缺陷种类，选择采用直接接触法对球墨铸铁风电齿轮箱进行手工超声波检测，试验结果表明此法可以成功地检测出齿轮箱的内部缺陷。关键词风力发电；球墨铸铁；齿轮箱；超声波检测中图分类号TG115285文献标识码B1问题的提出近年来，随着国内能源供需矛盾的日益突出，在国家的政策引导和大力扶持下，风力发电产业得到迅速发展，风力发电设备制造业进入了黄金期，制造技术和生产能力不断提升，逐步完成了技术和生产经验的积累。风力发电具有清洁、环境效益好，可再生、永不枯竭，基建周期短，装机规模灵活等优点。风力发电球墨铸铁齿轮箱以下简称风电球铁齿轮箱是风力发电机组中的关键部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速，通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。齿轮箱的表面质量主要通过磁粉检测加以控制，而检测其内部质量常规的方法是采用X射线检测，但风电球铁齿轮箱由于体积大、壁厚会导致常规射线机能量无法穿透，且采用射线检测的周期长、成本高，因此考虑采用手工超声波检测方法对风电球铁齿轮箱进行检测。风电球铁齿轮箱结构见图1较复杂，外表面多为曲面，圆弧部位多、1一设计研究铁道机车车辆工人第6期2011年6月壁厚不均匀，且壁内外表面不平行，超声波探伤难度大。2齿轮箱内部组织特点1组织不均匀，与模壁相垂直的方向生长成彼此平行的柱状晶体，在铸件的中心部分，形成等轴晶区。一般说来，晶粒比较粗大。2组织不致密，液态金属的结晶以树枝生长方式进行，树枝间的液态金属最后凝固，但树枝间很难由液态金属全部填满，因而造成铸件普遍存在的不致密性。3缺陷种类较多，注入模中的液态金图1风电球铁齿轮箱外形示意图属在冷却及凝固过程中如体积收缩而未获足够的补充，亦可形成疏松甚至缩孔，还有冷隔、夹杂、气孔等。3齿轮箱超声波检测特点风电球铁齿轮箱为球墨铸铁件，超声波的可穿透性差，粗大的晶粒、不均匀的组织和复杂的界面，都增强了超声波的散射使超声波的能量衰减加剧，以致可探厚度比锻件要小。此外存在着杂波干扰，超声波在不均匀、不致密组织和粗大晶粒界面散射时，它们的信号强度很大，并为探头所接收，在荧光屏上显示为杂乱的林状回波。粗糙的铸造表面对声波反射后会形成杂波，铸件形状复杂会引起超声波在外廓上的反射形成杂波或产生迟到回波。以上这些复杂的波形显示有可能湮没缺陷回波，妨碍缺陷回波的确认。31探头选择提高探头频率，波长变短，扩散角小，同时脉冲宽度小，分辨力高，有利于发现较小的缺陷。但频率的提高会引起超声波的严重衰减，考虑到风电球铁齿轮箱内部组织特点以及探头频率、晶片尺寸对分辨力及超声波衰减的影响，决定采用25P12FG20及25P20Z探头进行测试并绘制距离一波幅曲线。32试块制作及测试试块的质量影响着检测中对缺陷定位评价的准确性。特别在超声波的探伤过程中，试块直接反映了探伤水平，它与仪器、探头一样，都是超声波探一2一设计研究铁道机车车辆工人第6期2011年6月伤的重要设备，只有在试块上制作出标准、精确的人工反射体，才能利用这已知相应的信号量来校定仪器和探头性能，并与仪器检出的工件缺陷变量对比来完成对缺陷的定性、定量和定位评价。根据标准EN126803要求及风电球铁齿轮箱特点，并结合GB11259标准中对于试块制作的要求，采用与齿轮箱同材质的球墨铸铁材料设计并制作风电球铁齿轮箱超声波探伤系列对比试块见图2图5，试块测试曲线如图6图9所示。善；毒毒L536165图21试块适用壁厚1020MRL1图32试块适用壁厚20100MM图43试块适用壁厚100250MM图54试块适用壁厚250400MM图61试块DAC曲线25P12FG20探头图72试块DAC曲线25P20Z探头一3一设计研究铁道机车车辆工人第6期2011年6月值5O4O；O2OL001图83试块DAC曲线25P20Z探头图94试块DAC曲线25P20Z探头33探伤灵敏度根据齿轮箱探伤部位厚度选择相应的对比试块，将探头置于试块之上，移动探头过程中，须确保探头与试块之间耦合良好。移动探头扫查试块上最大声程处平底孔，将反射波调至示波屏满刻度的80，补偿试块与工件之间的耦合差，以此作为风电球铁齿轮箱超声波的探伤灵敏度，扫查时再提高46DB作为探伤扫查灵敏度。34探伤结果风电球铁齿轮箱按EN126803标准等级为3级验收。采用风电球铁齿轮箱系列对比试块，按上述灵敏度对风电球铁齿轮箱进行手工超声波检测，发现齿轮箱内部缺陷主要集中在齿轮箱圆弧过渡区、拐角区域及壁厚较厚的区域，缺陷类型主要有气孔及疏松等。4结束语在对风电球铁齿轮箱的超声波探伤中，探头的选择与对比试块的使用非常关键，探头型号是否合适直接影响着缺陷能否被完全检出，对比试块的使用正确与否直接关系到缺陷的定量是否合适。在实际探伤操作过程中，需要使用粘度较大的耦合剂，进行探伤扫查时，移