（机械电子工程专业论文）声发射在旋转机械轴裂纹监测过程中的应用研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h l 7 学科分类号 4 6 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 3 7 4 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名张斌学号 2 0 0 4 0 0 0 3 7 4 获学位专业名称机械电子工程获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 课题来源自选项目研究方向 故障诊断及系统安全 论文题目声发射在旋转机械轴裂纹监测过程中的应用研究 关键词声发射；转轴；裂纹扩展；故障诊断；实时监测 论文答辩日期 2 0 0 7 5 2 8论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师高金吉教授北京化工大学诊断领域专家 指导教师杨剑锋副教授北京化工大学设备诊断 昆仑天辰仪表科技 评阅人1吴海琦高工仪器仪表 有限公司 评阅人2杨国安副教授北京化工大学故障诊断 评阅人3 评阅人4 评阅人5 昆仑天辰仪表科技 椭员会蛳吴海琦高工仪器仪表 有限公司 答辩委员1何立东研究员北京化工大学故障诊断 答辩委员2江志农副研究员北京化工大学故障诊断 答辩委员3杨国安副教授北京化工大学故障诊断 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 一 - l 摘要 声发射在旋转机械轴裂纹监测过程中的应用研究 摘要 断裂是一种危险的失效形式，转轴作为旋转机械的主要承力部件， 如果发生断裂，就可能发生灾难性的事故，造成生命和财产的巨大损 失。在转轴服役过程中，由于各种环境因素的作用，会在转轴内部和 表面形成裂纹。监测裂纹的形成、发展直至断裂的过程，对转轴的运 行风险评价和断裂控制，具有重大的意义。 声发射技术是一种非常好的动态无损检测方法。利用声发射技术 监测材料，找到声发射信号和裂纹扩展之间的关系，就可以分析材料 变形与断裂机制。传统的检测是在发现问题后的检测或者定期检测， 而新的观念是预测并管理，要求能对可能发生的缺陷、故障进行早期 预报，这样才能在保证安全的前提下，保障最大的效益。 本课题采用美国物理声学公司提供的声发射传感器、p c i 2 声发射 数据采集卡以及a e w i n 分析软件，对转轴裂纹进行实时监测，并能随 时查看当前状况和历史状况。主要研究内容包括传感器相关理论；信 号的采集和转换；信号的滤波和抗噪；信号的传输；数据的分析。通 过实验找出适合转轴裂纹声发射监测的各种特征参量。实验系统具有 较好的实用性与可扩展性。 把声发射技术用于旋转机械轴的研究目前还是一项处于实验阶段 的技术，它的很多方法和实现手段也处于试验阶段，没有达到在现场 北京化工大学硕上学位论文 生产过程中实际应用的地步。本课题通过研究进一步证实了声发射技 术用于轴裂纹监测的可行性，继续推动转轴故障诊断技术向前发展。 关键宇：声发射，转轴，裂纹扩展，故障诊断，实时监测 a b s t r a c t r e s e a r c h o na c o u s t i ce m i s s l 0 nm o n i t o l u n g f o rc r a c k so fs h a f ti nr o t 厶l t i n gm a c h i n e r y a b s t r a c t t h ef r a c t u r ei sas o r to fc r i t i c a lf a i l u r ef o r m i fi to c c u r st oar o t a t i n g s h a f t ，w h i c hi s t h em a i nc o m p o n e n to fr o t a t i n gm a c h i n e r y , d i s a s t r o u s a c c i d e n t s ，c a u s i n gl o s so f l i f ea n dd e s t r u c t i o no fw e a l t h ，m a yt a k ep l a c e d u et ov a r i o u se n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，i n n e ra n ds u r f a c ec r a c k sw i l lo c c u r i nt h ep r o c e s so fs h a f ts e r v i c e m o n i t o r i n gt h ep r o p a g a t i o no fc r a c k sh a s g r e a ts i g n i f i c a n c et o t h ei n t e g r i t ya p p r a i s a la n dt h ef r a c t u r ec o n t r o lo f r o t a t i n gs h a f t a c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi sav e r yg o o dm e t h o do fd y n a m i c n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g b yw a yo fa c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n gm a t e r i a l ， f i n d i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e na c o u s t i ce m i s s i o ns i g n a l sa n dc r a c k s g r o w t hc a na n a l y z em a t e r i a ld e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s m s t h e t r a d i t i o n a ld e t e c t i o ni sp e r f o r m e da f t e rd i s c o v e r i n gf l a wo rc a r r i e do u t p e r i o d i c a l l y h o w e v e r , t h en e wi d e a ，f o r e c a s t i n ga n dm a n a g i n ge a r l y d e f e c t sa n df a u l t sw h i c hm a yo c c u r , c a ng u a r a n t e et h eg r e a t e s tb e n e f i t so n t h ep r e m i s eo fs e c u r i t y i nt h i ss t u d y , a c o u s t i ce m i s s i o ns e n s o r s ，p c i - 2d a t aa c q u i s i t i o nc a r d a n da e w i ns o f t w a r ep r o d u c e db yp a c ( p h y s i c a la c o u s t i c sc o r p o r a t i o n ) i i i 忙 重 北京化工大学硕士学位论文 w e r ea d o p t e d t h e yc a nb o t hc a r r yo nr e a l - t i m em o n i t o r i n gc r a c k so f r o t o r , a n dl o o ki n t ot h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h eh i s t o r i c a lc o n d i t i o na ta n yt i m e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e st h er e l a t e dt h e o r yo ft r a n s d u c e r ；t h e a c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o no fs i g n a l ；t h ef i l t e r i n ga n da n t i - n o i s eo fs i g n a l ； s i g n a lt r a n s m i s s i o n ；d a t aa n a l y s i s t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fa c o u s t i c e m i s s i o n m o n i t o r i n g f o rc r a c k so fr o t o rw e r ei d e n t i f i e d t h r o u g h e x p e r i m e n t s t h ea c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi sf e a s i b l ea n d s c a l a b l e m o n i t o r i n gs h a f tb yw a yo fa c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi ss t i l la ta n e x p e r i m e n t a ls t a g e m a n yo ft h em e t h o d sa n dm e a n sa r ep l a c e do nt r i a ls t e p a n dn o ta p p l i e dp h y s i c a l l yi nf i e l d s i nt h i sp a p e r , t h ef e a s i b i l i t yt h a t a c o u s t i ce m i s s i o nt e c h n o l o g yi su s e dt om o n i t o rc r a c k so fs h a f ti nr o t a t i n g m a c h i n e r yw a sf u r t h e rv e r i f i e d t h ed e v e l o p m e n to ff a u l td i a g n o s i so n s h a f tw a sf u r t h e rp u s h e df o r w a r d k e yw o r d s ： a c o u s t i c e m i s s i o n ，r o t o r c r a c kp r o p a g a t i o n ，f a u l t d i a g n o s i s ，r e a l t i m em o n i t o r i n g 目录 目录 第一章绪论1 1 1 旋转机械轴裂纹声发射监测的研究意义1 1 2 转轴裂纹监测研究现状与发展趋势2 1 2 1 转轴裂纹监测研究现状2 1 2 2 转轴裂纹监测的发展趋势6 l - 3 目前存在的问题8 1 4 主要研究工作8 第二章旋转机械轴的受力状况与裂纹分析l o 2 1 转轴的力学分析1 0 2 1 1 断裂力学基础1 0 2 1 2 转轴受力分析1 l 2 2 转轴的裂纹分析1 2 2 2 1 转轴裂纹的分析1 2 2 2 2 转轴裂纹声发射信号的数学模型1 5 第三章声发射技术的原理和方法1 7 3 1 声发射技术1 7 3 1 1 声发射技术的相关概念1 7 3 1 2 声发射信号的常见来源1 7 3 1 3 声发射技术的特点1 9 3 1 4 声发射特性的影响因素2 1 3 1 5 声发射信号的类型2 1 3 1 6 声发射信号的特征参数2 2 3 2 声发射波传播理论研究2 4 3 2 1 声波在理想媒质中的波动方程2 4 3 2 2 声波在粘性媒质中的波动方程_ 2 6 3 2 3 变截面管对声波传播的影响2 7 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2 4 液体一固体界面上的反射与折射2 8 3 3 声发射信号常用处理方法3 1 3 3 1 声发射信号的参数分析方法3 l 3 3 2 声发射信号的波形分析方法，3 6 第四章旋转机械轴裂纹声发射监测系统的组成4 5 4 1 声发射监测系统的基本组成4 5 4 2 声发射监测系统硬件4 5 4 2 1 声发射传感器4 5 4 2 2 前置放大器4 7 4 2 3 声发射卡4 8 4 2 4 转轴裂纹声发射监测系统其它硬件构成5 0 4 3 声发射监测系统软件5 0 4 3 1 软件的层次结构5 1 4 3 2 软件的基本界面5 1 4 3 3 软件可实现功能5 7 4 3 4 数据文件格式转化6 0 第五章转轴裂纹声发射信号的处理与分析6 1 5 1 转轴裂纹声发射监测实验概述6 1 5 2 转轴裂纹声发射信号降噪处理6 1 5 2 1 设置浮动阈值! ：6 2 5 2 2 自适应滤波法6 3 5 2 3 抗电磁干扰：6 4 5 2 4 短时傅立叶变换的应用6 5 5 3 转轴裂纹声发射信号的分析6 6 5 3 1 声发射信号幅值分析6 6 5 3 2 幅度分布分析6 7 5 3 3 能量一频率谱分析6 8 5 3 4 能量一幅度相关分析6 8 5 3 5 功率谱分析6 9 5 3 6 声发射信号有效电压值( r m s ) 分析7 0 5 3 7 声发射信号的综合分析及转轴运行风险评价7 1 v i 目录 5 3 8 实验中声发射信号的影响因素6 7 2 第六章结论7 4 参考文献7 6 蜀【j 射8 0 研究成果及发表的学术论文。8 1 导师与作者简介8 2 v i i 北京化工大学硕十学位论文 v i i i ，- c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s i g n i f i c a n c eo f a em o n i t o r i n go nc r a c k 1 1 2s t a t u sa n dt r e n do fm o n i t o r i n gr o t o rc r a c k 2 1 2 1s t a t u s 2 1 2 2t r e n d 6 1 3p r e s e n tp r o b l e m s 8 1 z im f l i nr e s e a r c hw o r k 8 c h a p t e r 2 a n a l y s i so ft o r q u ea n dc r a c ko fr o t o r 1 0 2 1a n a l y s i so f r o t o rm e c h a n i c s 1 ( ) 2 1 1b a s i ck n o w l e d g ea b o u tf r a c t u r em e c h a n i c s 1 0 2 1 2a n a l y s i so fr o t o rm e c h a n i c s 11 2 2d e v e l o p m e n to f r o t o rc r a c k 1 2 2 2 1p r o p a g a t i o no f c r a c k 1 2 2 2 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo f r o t o rc r a c ka es i g n a l s 15 c h a p t e r3p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fa et e c h n o l o g y 1 7 ：；1 6 l et e c h n o l o g y j 17 ：；1 1c o n c e p t i o n ( ) f a et e c h n o l o g y 17 3 1 2s o u r c e ) f a es i g n a l s 17 ：；1 3c h a r a c t e r i s t i co n a et e c h n o l o g y 1 9 3 1 4f a c t o r sa f f e c t i n g a 】三c h a r a c t e r i s t i c s 2 1 ：；1 5t y p e s ( f 6 l es i g n a l s 21 ：；1 6a es i g n a lp a r a m e t e r s 2 2 2 ：；：! a ew a v ep r o p a g a t i o nt h e o r y ：! z i 3 2 11 1 黼ee q u a t i o ni nt h ei d e a lm e d i u m 2 4 3 2 2w a v ee q u a t i o ni nv i s o , o t i sm e d i u m 2 6 3 2 3e f f e c t i o no f v a r i a b l ec r o s s s e c t i o no nw a v ep r o p a g a t i o n 2 7 3 2 4r e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no f l i q u i d s o l i di n t e r f a c e 2 8 ： ：；a es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s 31 3 3 1a es i g n a lp a r a m e t e r sa n a l y s i s 3 l ：；：；：! 6 l es i g n a lw a v ea n a l y s i s 3 6 c h a p t e r 4c o m p o n e n t so fa es y s t e mo nr o t o rc r a c k 4 5 北京化工大学硕士学位论文 4 1f r a m e w o r ko f a em o n i t o r i n gs y s t e m 4 5 4 2h a r i 击w a r eo f a em o n i t o r i n gs y s t e m 4 5 4 2 1t r a n s d u c e r 4 5 4 2 2p r e a m p l i f i e r z 1 7 4 2 3a c q u i s i t i o nc a r d z 1 8 4 2 4o t h e i h a r d w a r e 5 ( ) 4 3 s o f t w a r eo f a em o n i t o r i n gs y s t e m 5 0 4 3 1s t r u c t u r eo fs o f t - w a r e 5l 4 3 2i n t e r f a c eo f s o f t w a r e 5 1 4 3 3f u n c t i o no f s o t t w a r e 5 7 4 3 4f i l ef o r m a t 6 0 c h a p t e r5p r o c e s sa n da n a l y s i so fa es i g n a l 6 】【 5 1o u t l i n eo f a em o n i t o r i n go nr o t o rc r a c k 61 5 2a es i g n a lp r o c e s s 6 1 5 2 1f l o a t i n gt h r e s h o l d 6 2 5 2 2a d a p t i v ef i l t e r 6 3 5 2 3r e s i s t a n c et oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 6 4 5 2 4s t f f t 6 5 5 ：；a es i g n a la n a l y s i s 6 6 5 3 1a m p l i t u d ea n a l y s i s 6 6 5 3 2a m p l i t u d ed i s t r i b u t i o n ：6 7 5 3 3e n e r g y - f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s 6 8 5 3 4c o r r e l a t i o na n a l y s i so ne n e r g y - a m p l i t u d e 6 8 5 3 5p o w e rs p e c t r a la n a l y s i s j 。6 9 5 3 6r m sa n a l y s i s 7 0 5 3 7c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dr i s ke v a l u a t i o n 7 1 5 3 8f a c t o r sa f f e c t i n ga es i g n a l s 7 2 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 7 4 r e f e r e n c e 7 6 t h a n k s 。8 0 7 p a p e rp u b l i s h e d 8 1 i n t r o d u c t i o no fi n s t r u c t o r sa n dg r a d u a t e 8 2 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 旋转机械轴裂纹声发射监测的研究意义 旋转机械广泛应用于石油、化工、电力、航天、国防、矿山等各个行业，尤 其是在石油化工企业中，很多生产过程要靠旋转机械完成。由于旋转机械的结构 特点和运行方式，使得这些设备在使用中经常发生主要部件的断裂事故，其中转 轴的断裂事故危害最为严重。断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一，它比 其它失效形式，如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性。轴作为旋转机械 或工程结构的主要承力部件若发生断裂，就可能发生灾难性的事故，造成人员生 命和财产的巨大损失。断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力学、物理 和化学环境下，会有不同的断裂形式。例如，在循环应力作用下材料会发生疲劳 断裂，在高温持久应力作用下会发生蠕变断裂，在腐蚀环境下会发生应力腐蚀或 腐蚀疲劳断裂等等。研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在服役过程中 的安全。在轴服役过程中，由于力学、温度和介质等环境因素的作用，在构件中 会形成裂纹。研究裂纹的萌生、发展直至断裂的过程，结合应力和应变分析，建 立新的断裂判据，寻找断裂机制和提高材料断裂韧性的途径，用于转轴的安全性 评估或断裂控制设计，具有重大的工程应用意义【l 3 】。 经过几十年的发展，声发射技术已经成为一种比较好的动态在线监测方法。 通过对金属轴裂纹扩展过程的声发射监视，建立声发射信号和裂纹扩展过程之间 的关系，就可以对转轴运行风险做出评价。裂纹的形成和发展就是一种声发射源， 它与材料的变形有关，而材料的变形是由轴在旋转过程中受n 多, i - 界扭矩产生应力 形成的。当轴在扭矩的作用下旋转的时候，如果转轴内部的应力没有超过自身的 屈服应力，那么当除去外力后，将完全恢复原来的形状和尺寸。但是，当外力过 大时，变形就会超出弹性形变的范围，出现塑性变形。转轴的这种变形，是形成 声发射源的一个重要机制之一，金属轴在屈服点附近出现声发射计数高峰，标志 着裂纹的开始形成。一旦裂纹形成，金属轴内部局部地区的应力集中得到卸载， 产生声发射。断裂过程大体上可以分为三个阶段，裂纹成核、裂纹扩展和最终断 裂。这三个阶段都可以成为声发射源，在微观裂纹扩展成为宏观裂纹之前，需要 经过裂纹的慢扩展阶段。理论计算表明，裂纹扩展所需要的能量比裂纹形成需要 的能量大1 0 0 倍到1 0 0 0 倍。裂纹扩展是间接进行的，大多数金属都具有一定的朔 性，裂纹向前扩展一步，将积蓄的能量释放出来，裂纹尖端区域得到卸载。这样， 裂纹扩展产生的声发射很可能比裂纹形成的声发射还大得多。裂纹扩展到接近裂 北京化工大学硕士学位论文 纹临界长度时，就开始失稳扩展，成为快速断裂。这时所产生的声发射强度更大， 有时候会出现人耳可以听得见的声音【4 】。 声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现 为：声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而 不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；声发射检测方法对线性缺 陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不 产生声发射信号；在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构 中活性缺陷的状态；可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时 或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；由于对被检 件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、 核辐射、易燃、易爆及剧毒等环境；对于在用设备的定期检验，声发射检验方法 可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；对于设备的加载试验，声发射检验方 法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载 荷；由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的 构件。 总之，把声发射技术用于转轴裂纹的监测是对转轴裂纹监测行之有效的方法， 它的主要意义在于： ( 1 ) 声发射技术可监测转轴裂纹变化的实时信息，因而适用于转轴运行过程 的早期故障预报。 ( 2 ) 由于声发射技术监测的是动态缺陷，所以它可检测对结构安全更为有害 的活动性缺陷，能提供缺陷在应力作用下的动态信息，适于评价缺陷对结构的实 际有害程度。 ( 3 ) 声发射技术对转轴可提供整体的快速检测，在设备运转过程中，就可确 定缺陷的危害程度，从而省工、省时、易于提高检测效率。 ( 4 ) 声发射技术降低了设备维护的成本，减少了设备的停机时间，提高了设 备利用率和生产率，使生产连续有效运行。 根据安全生产的需要，现代检测技术中无损检测技术发展的大趋势是对 的无损检测到安全评价，最终目的是对安全状态进行评价，确定危险源，进 早维护，以避免灾难性事故的发生，确保生产生活的安全。 1 2 转轴裂纹监测研究现状与发展趋势 1 2 1 转轴裂纹监测研究现状 2 第一章绪论 转轴中最严重的缺陷是出现裂纹，裂纹产生的原因是多种多样的，主要有以 下几种： ( 1 ) 在制造阶段由原材料产生的裂纹； ( 2 ) 加工制造阶段产生的裂纹； ( 3 ) 设备在使用中发生的裂纹。 检查这些裂纹通常使用无损检测法，可是，要想判断这些裂纹对转轴安全运行 的影响大小相当困难。一旦产生错判，运行的转轴上产生裂纹的扩展就会对生产 安全运行造成很大威胁和严重后果。所以，在大多数情况下，或者是要规定裂纹 的大小或数量标准，或者根据破坏检查强度变化来预测产生裂纹的原因和设备的 使用寿命。以上各种检查及判断，都是在已产生裂纹情况下进行的。而如果能在 设备开始使用时检查出发生的裂纹，那么，就能使诊断获得相当重要的情报。下 面介绍一些裂纹检测技术和方法。 1 2 1 1 超声检测 超声检测是利用发射的高频超声波( 1 1 0 m h z ) 射人到被检测物的内部，如 遇到内部缺陷则一部分人射的超声波在缺陷处被反射或衰减，然后经探头接收后 再放大，由显示的波形来确定缺陷的部位及其大小，再根据相应的标准来评定缺 陷的危害程度。超声检测裂纹的方法主要利5 】： ( 1 ) 6 d b 法 6 d b 法是超声测量长度的传统方法，通常是探头找到最大峰值后向相反的二个 方向水平移动使回波峰值下降一半时的波束中心线距离即为长度，该长度称为指 示长度但并非裂纹的真实长度。这种方法可以用来测高，但是误差较大。 ( 2 ) 表面波延时法 对表面开口的裂纹可采用表面波延时法来测量裂纹深度，该法主要是通过裂纹 对表面波的延时作用来计算裂纹的深度。但当缺陷内含油或水等液体时，表面波 有可能跨越缺陷开口，使测试误差大大增加。此外，缺陷的端部太尖锐接收到超 声波信号很低甚至接收不到。缺陷表面过于粗糙也会造成误差增大。 ( 3 ) 端点衍射波法 超声波入射到裂纹面上时，根据惠更斯原理，在裂纹尖端会形成次波源而产 生衍射称为衍射波，超声端点衍射法是通过测量裂纹端点衍射回波的延迟时间差 值来求得裂纹高度的。但是衍射波的强度很弱难发现，所以用衍射波测量裂纹高 度有较大的难度。 ( 4 ) 端点反射波法 入射波入射到裂纹的端点，有一部分将沿着原路反射，称为端点反射回波如 北京化工大学硕上学位论文 图l 所示。端点反射回波法是通过测量主声束入射到裂纹顶端时，所产生的端点 回波声程计算裂纹的高度，从方法上说是比较正确较为可行的方法。 1 2 1 2 射线检测 所谓射线检测就是以具有穿透能力的射线( 如x 射线、丫射线等) 穿透试件， 再达于底片或屏幕等介质，生成影像，然后分析影像以了解试件质量。当底片暴 露于x 射线或y 射线时，底片上的感光乳化剂产生一种看不见的变化，将底片在 暗房内浸于显影液后，曝光部分会变黑，变黑之程度则随曝光量成正比，当显影 完成后，立刻以中止液或清水清洗，以阻止继续显影作用，再将底片置于定影液 中，以溶解感光乳化剂的未变黑部分，最后再以清水洗除定影液，将之干燥处理， 就可以对图像进行分析。 在设备监测中，常用易于穿透物质的x 、y 射线。当射线在穿透物体过程中， 由于受到吸收和散射，使强度减弱，其衰减的程度与物体厚度、材料的性质及射 线的种类有关，因此当物体有气孔等体积缺陷时，射线就容易通过。反之，若混 有吸收射线的异物夹杂时，射线就难以通过。用强度均匀的射线照射所检测的物 体，使透过的射线在底片上感光，通过对底片的观察来确定缺陷种类、大小和分 布状况，按照相应的标准来评价缺陷的危害程度。但此法费用较高【6 1 。 1 2 1 3 涡流检测 涡流检测就是运用电磁感应原理，将j 下弦波电流激励探头线圈，当探头接近 金属表面时，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流。对于金属，感应电 流的流向是以线圈同心的圆形，形似旋涡，称为涡流。同时涡流也产生相同频率 的磁场，其方向与线圈磁场方向相反。 涡流通道的损耗电阻，以及涡流产生的反磁通，又反射到探头线圈，改变了 线圈的电流大小及相位，即改变了线圈的阻抗。因此，探头在金属表面移动，遇 到缺陷或材质、尺寸等变化时，使得涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻 抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其它 物理性质变化。 影响涡流场的因素有很多，诸如探头线圈与被测材料的耦合程度，材料的形 状和尺寸、电导率、导磁率、以及缺陷等等。因此，利用涡流原理可以解决金属 材料探伤、测厚、分选等问题。 利用涡流裂纹探测器检测裂纹的时候，是探测器接触裂纹时，使探测器线圈 的阻抗减弱而取得电压上的变化，即在仪器刻度盘上显示出相应数值或发出报警 4 第一章绪论 声。同样还能利用涡流法来测量裂纹的深度值【7 1 。 1 2 1 4 磁粉检测 磁粉检测技术关键在于如何在裂纹或缺陷处形成足够强度的漏磁场，吸附磁 粉形成便于识别和观察的磁痕。分析常规复合磁化漏磁场特征以及寻找可达到相 同或相近吸附效果的其它漏磁场，是在技术方法上寻求突破的有效途径。从磁化 方式上分类，可分为纵向、周向和复合磁化三种主要方式。其中复合磁化可一次 探测任意方向的裂纹，包含了纵向和周向磁化技术。常规复合磁化技术依据2 个 在时间上同时并连续存在、具备一定相位差且方向相互垂直的外加磁化磁场h 1 和 h 2 ，其合成( 复合) 磁场( h = h 1 + h 2 ) 轨迹在探测面上形成一个闭合的近似圆 周，该磁场与任意方向裂纹均有机会相交，从而吸附磁粉形成裂纹痕迹。该磁场 在任意方向上的裂纹漏磁场为连续的近似正弦波形，具备该特征的漏磁场对磁粉 的累计冲量是磁粉吸附在裂纹处形成磁痕在旋转磁场作用下形成的。漏磁场达到 最大值时，对应于旋转磁场方向与裂纹方向垂直。漏磁场为0 时，对应于旋转磁 场方向与裂纹方向平行。基于常规复合磁化技术原理，需对零件进行夹持并通以 低电压大电流以产生合成矢量的一个周向磁场矢量，在探伤设备上表现为各类相 同的机械夹持器。在对异型或大型零件探伤时，显著影响探伤效率，降低探伤精 度，并带来各种安全隐患( 如接触导致打火、引燃煤油磁悬浮液介质，并可能烧 伤零件，形成局部硬点，影响其机械性能。) 与常规复合磁化技术原理相比，本 项目在复合磁化技术方法上进行了大胆地创新和突破，从而研制出一种新型的多 向磁化磁粉探伤产品。对应于常规复合磁化原理的”旋转磁场”概念，我公司开发的 多维时序磁化磁粉探伤机引入了一个核心概念一”多维时序磁场”的概念。 多维时 序磁场的磁化工艺主要是采用在时间上分时存在、快速轮换的磁场来替代常规旋 转磁场，即以一种非连续性磁场来逼近或模拟连续性的旋转磁场在裂纹处的漏磁 场吸附磁粉的特征( 效果) 。任意方向的一条裂纹在该磁场作用下漏磁场特征： h 1 和h 2 分别为2 个方向相互垂直的磁场，分时作用于裂纹，作用时间均为t 1 ， 其中间隔停顿时间为t 2 t l 。对应于h 1 和h 2 的漏磁场峰值h 1 0 和h 2 0 的大小与 其和裂纹之间的角度b 有关：h 1 0 = h 1 s i n1 3 ，h 2 0 = h 2 c o s1 3 。在极端情况下， h l o = h l ，h 2 0 = 0 或h 1 0 - - 0 ，h 2 0 = - h 2 。通过试验调整t 1 和t 2 的值，可使该特征 漏磁场对磁粉的累积冲量近似于常规方式，从而同样吸附磁粉，达到近似的裂纹 痕迹显示效果，同时避免h 1 和h 2 之间的相互干扰【引。 1 2 1 5 渗透法检测 5 北京化工大学硕士学位论文 渗透检测是在金属表面涂上具有浸透性的某种有色液体，擦拭以后，由于在 裂纹中残留有液体，故能显示出裂纹。 着色( 渗透) 探伤灵敏度的主要因素有：渗透剂的性能的影响；乳化剂的乳 化效果的影响；显像剂性能的影响；操作方法的影响；缺陷本身性质的影响。 1 2 1 6 声发射检测 一般金属物体产生裂纹时发出很高的高频超声波。把这种声波的释放叫声发 射。利用声发射的原理，监测裂纹的方法叫做声发射法。 当设备的某些部位的缺陷在外力或内应力作用下发生扩展时，由于能量释放会 产生声波，并向四周传播。安放在被测表面上的传感器接收到这种信号，经放大 和数据处理来确定声源的位置，并根据已有的一些标准和规定来判断缺陷的严重 然后再由 卢波探伤 从接收到 测。这是 的是加载 全性和可 测。