摘要：針對外圈內(nèi)徑次表面存在超聲檢測盲區(qū)且難以準(zhǔn)確評價(jià)盲區(qū)范圍的問題，開展了外圈超聲檢測的有限元仿真分析和試驗(yàn)研究，獲取了不同深度的外圈內(nèi)徑次表面缺陷與超聲無損檢測信號(hào)之間的變化規(guī)律，分析了不同頻率的超聲傳感器對外徑為195mm左右的外圈內(nèi)徑次表面缺陷的檢測水平。結(jié)果表明：當(dāng)缺陷與外圈內(nèi)徑面的距離為0.9mm時(shí)，缺陷信息檢測結(jié)果不顯著，即存在約0.9mm的外圈內(nèi)徑次表面缺陷檢測盲區(qū)；對于外圈內(nèi)徑次表面的平底孔和橫孔缺陷，頻率為15MHz的超聲傳感器的缺陷檢測效果較好；優(yōu)化傳感器參數(shù)并結(jié)合增益調(diào)整，可增強(qiáng)內(nèi)徑次表面盲區(qū)缺陷的超聲無損檢測效果，減小盲區(qū)范圍。關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承;外圈;有限元分析;超聲檢測;缺陷航空軸承的可靠性服役對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用具有重要意義[1]。套圈是軸承的重要組成部分,受原材料及加工工藝等因素的影響,在制造過程中不可避免存在各種隨機(jī)的自然或加工缺陷。為保障軸承可靠服役,開展套圈100%無損檢測,減少因材料和生產(chǎn)加工引起的各類缺陷對其服役性能的影響勢在必行。較大尺寸航空軸承套圈的常規(guī)無損檢測方法主要有目視、超聲、渦流、磁粉等,但因套圈含有鍛溝等曲面形狀,目視、渦流、磁粉等檢測方法檢測效率低、范圍小,僅能檢測出表面及近表層微細(xì)孔洞、裂紋等缺陷[2]。超聲檢測法具有靈敏度高,重復(fù)性高,檢測范圍廣,效率高等特點(diǎn),對軸承次表層及內(nèi)部缺陷較為敏感且能捕捉缺陷信息,相較于其他檢測法具有更高的可靠性。用超聲無損檢測技術(shù)對套圈進(jìn)行缺陷檢測,是通過超聲傳感器發(fā)射出特定時(shí)間寬度的脈沖波,若套圈次表層及內(nèi)部缺陷距離表面較近,則缺陷回波信號(hào)與軸承界面回波信號(hào)混疊,無法準(zhǔn)確評價(jià)缺陷大小和位置。水浸單晶傳感器的表面盲區(qū)主要由初始脈沖引起,脈沖寬度越大,表面盲區(qū)越大,同時(shí)也受超聲設(shè)備的分辨力、靈敏度及檢測零件的壁厚等多因素耦合影響[3]。超聲無損檢測的表面盲區(qū)無法避免,盲區(qū)內(nèi)的微小缺陷難以準(zhǔn)確判定甚至無法察覺,因此如何減小超聲盲區(qū)對提高檢出率和保證套圈質(zhì)量至關(guān)重要。近年來,國內(nèi)外研究人員致力于從硬件和算法兩方面減小超聲信號(hào)的檢測盲區(qū)。硬件方面,通過提高單周脈沖超聲傳感器的分辨率進(jìn)而減小脈沖發(fā)射寬度[4];通過反相疊加法減小換能器的拖尾進(jìn)而減小檢測盲區(qū)[5]。算法方面,基于Golay互補(bǔ)對,利用二進(jìn)制序列對超聲發(fā)射進(jìn)行編碼,提高過程增益,獲得更好的精度和噪聲水平,進(jìn)一步減小檢測盲區(qū)[6]。然而在超聲檢測工程應(yīng)用中,超聲傳感器激發(fā)的較大寬度聲波對檢測時(shí)間、成本和結(jié)果具有不同程度的影響,尤其針對軸承套圈次表層及內(nèi)部缺陷,上述幾種方法的使用受到限制;此外,通過采用頻率較高的點(diǎn)聚焦超聲傳感器可減小檢測盲區(qū),但分辨界面回波與缺陷回波的難度更大。因此,針對不同微小缺陷,在超聲探傷儀器噪聲信號(hào)的干擾下減小盲區(qū)范圍,準(zhǔn)確提取缺陷信號(hào)的特征,對于降低成本,提高檢出率具有重要意義。針對上述檢測難題,以含有不同深度平底孔、橫孔缺陷的軸承外圈為檢測對象,通過有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式,分析不同深度缺陷的超聲檢測效果及不同參數(shù)的超聲傳感器對外圈內(nèi)徑次表面盲區(qū)范圍的影響,以實(shí)現(xiàn)外圈次表面及內(nèi)部缺陷的探傷與評估。1仿真分析1.1有限元模型建立根據(jù)超聲傳感器和外圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立外圈超聲檢測等效模型,如圖1所示。外圈外徑195mm,寬度40mm,壁厚22mm,構(gòu)建平底孔以模擬次表面缺陷,平底孔直徑為0.2mm,距離內(nèi)徑面深度分別為0.9,1.1,1.3,1.5mm。水域位置添加材料為水,缺陷位置添加材料為空氣,外圈材料為8Cr4Mo4V,材料參數(shù)見表1。表1外圈材料參數(shù)Tab.1Materialparametersofouterring圖1外圈超聲檢測等效模型Fig.1Equivalentmodelforultrasonictestingofouterring通過仿真軟件構(gòu)建二維仿真模型并開展數(shù)值計(jì)算。選擇物理場為“壓力聲學(xué),瞬態(tài)”,并在等效模型中相應(yīng)添加硬聲場邊界、平面波輻射、壓力等各類邊界條件。針對網(wǎng)格劃分問題,水層采用映射網(wǎng)格劃分,外圈內(nèi)部缺陷采用自由三角形網(wǎng)格劃分,等效模型中超聲傳感器可簡化為一段圓弧,因此無需對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此外,研究一欄中選用默認(rèn)求解器,設(shè)置瞬態(tài)研究的相關(guān)參數(shù)(步長、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間)。1.2結(jié)果分析模型求解計(jì)算完畢,對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理,以距外圈內(nèi)徑面深度為1.5mm的平底孔缺陷為例進(jìn)行說明。在結(jié)果一欄中選擇二維繪圖組,繪制不同時(shí)間點(diǎn)聲波在水層和外圈內(nèi)部傳播過程中的聲壓圖,如圖2所示。(a)2.15μs(b)3.8μs(c)4.6μs(d)6.35μs圖2不同時(shí)間點(diǎn)聲波在水層和外圈內(nèi)部傳播的聲壓圖Fig.2Soundpressurediagramofsoundwavespropagatinginsidewaterlayersandouterringatdifferenttimepoints在結(jié)果一欄中選擇一維繪圖組,繪制聲波在水層和外圈內(nèi)部傳播過程中的回波A掃信號(hào)。圖3為超聲傳感器接收到的缺陷回波信號(hào)。(a)相對聲壓圖(b)絕對聲壓圖圖3超聲傳感器接收到的缺陷回波信號(hào)Fig.3Defectechosignalreceivedbyultrasonicsensor不同深度平底孔缺陷回波A掃信號(hào)如圖4所示：缺陷深度為1.5,1.3mm時(shí),缺陷回波信號(hào)與外圈內(nèi)徑面回波信號(hào)差異較明顯,能夠清晰地分辨缺陷并計(jì)算缺陷到外圈內(nèi)徑面的距離;缺陷深度為1.1mm時(shí),缺陷回波信號(hào)與外圈內(nèi)徑面回波信號(hào)部分重合,較難計(jì)算缺陷到外圈內(nèi)徑面的距離;缺陷深度為0.9mm時(shí),缺陷回波信號(hào)與外圈內(nèi)徑面回波信號(hào)混疊,無法區(qū)分并識(shí)別缺陷在外圈中的位置。(a)A掃信號(hào)匯總圖(b)盲區(qū)匯總圖圖4不同深度缺陷回波A掃信號(hào)及盲區(qū)匯總圖Fig.4SummaryofA-scansignalandblindspotofdefectechoesatdifferentdepths對上述4種不同深度缺陷所獲超聲A信號(hào)匯總可知：平底孔缺陷距離外圈內(nèi)徑面越遠(yuǎn),缺陷回波信號(hào)與內(nèi)徑面回波信號(hào)時(shí)間間隔越遠(yuǎn),信號(hào)不發(fā)生混疊,可明顯識(shí)別缺陷信息;隨著缺陷位置逐漸靠近外圈內(nèi)徑面,缺陷回波逐漸后移,缺陷回波信號(hào)與內(nèi)徑面回波信號(hào)開始重合,可部分識(shí)別缺陷信息,具有一定的分辨力;當(dāng)缺陷位置與外圈內(nèi)徑面接近時(shí),二者信號(hào)混疊嚴(yán)重,難以區(qū)分缺陷回波信號(hào)峰值位置,即無法確定缺陷位置。因此,利用超聲檢測外圈內(nèi)部缺陷時(shí),在距離外圈內(nèi)徑面0.9mm范圍內(nèi)的缺陷回波信號(hào)與外圈內(nèi)徑面回波信號(hào)重疊,無法有效分辨,即存在約0.9mm的外圈內(nèi)徑次表面缺陷檢測盲區(qū)。2試驗(yàn)驗(yàn)證2.1試驗(yàn)設(shè)備及人工缺陷為與仿真結(jié)果進(jìn)行對比,在外圈內(nèi)徑次表面加工了一系列尺寸的人工缺陷,包括平底孔缺陷和橫孔缺陷,缺陷直徑為0.2mm,與外圈內(nèi)徑面的距離分別為0.9,1.1,1.3,1.5mm,如圖5所示。檢測所用試驗(yàn)設(shè)備如圖6所示。(a)平底孔缺陷(b)橫孔缺陷圖5外圈人工缺陷示意圖Fig.5Diagramofartificialdefectsinouterring圖6超聲無損檢測試驗(yàn)設(shè)備Fig.6Ultrasonicnon-destructivetestingequipment2.2外圈內(nèi)徑次表面缺陷檢測目前,盤環(huán)件水浸聚焦超聲傳感器主要分為5,10,15,25MHz幾種,25MHz因頻率過高而使用較少,5MHz因靈敏度低而幾乎不使用,因此主要使用10,15MHz的超聲傳感器進(jìn)行超聲檢測,下文以航空產(chǎn)品常用的10MHz超聲傳感器為例開展外圈內(nèi)徑次表面的缺陷檢測。使用頻率為10MHz,焦距為5.08cm,晶片直徑為0.635cm的超聲傳感器對不同深度的平底孔和橫孔缺陷進(jìn)行檢測,并對試驗(yàn)信號(hào)幅值進(jìn)行量綱一化處理,超聲回波A掃信號(hào)和C掃圖像如圖7—圖10所示：各輸出信號(hào)基本形狀及幅值相似,隨著缺陷到外圈內(nèi)徑面的距離增加,缺陷位置的反射波形與內(nèi)徑面回波逐漸遠(yuǎn)離,易于觀測。

圖7不同深度的平底孔缺陷A掃信號(hào)Fig.7A-scansignalofflatbottomholedefectsatdifferentdepths圖8不同深度的平底孔缺陷C掃圖像Fig.8C-scanimageofflatbottomholedefectsatdifferentdepths

圖9不同深度的橫孔缺陷A掃信號(hào)Fig.9A-scansignaloftransverseholedefectsatdifferentdepths圖10不同深度的橫孔缺陷C掃圖像Fig.10C-scanimageoftransverseholedefectsatdifferentdepths由試驗(yàn)檢測外圈內(nèi)徑次表面缺陷處的A掃信號(hào)可知：缺陷與外圈內(nèi)徑面的距離分別為1.1,1.3,1.5mm時(shí),缺陷信號(hào)與內(nèi)徑面回波信號(hào)不存在混疊,超聲傳感器可檢測出所有的內(nèi)徑次表面缺陷;當(dāng)缺陷與外圈內(nèi)徑面的距離為0.9mm時(shí),缺陷信號(hào)與內(nèi)徑面回波信號(hào)發(fā)生一定的混疊,C掃圖像中缺陷深度為0.9mm的檢測結(jié)果不明顯。由于超聲波的衰減,試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)外圈內(nèi)徑次表面平底孔缺陷的回波信號(hào)幅值為最大峰值的30%～40%,如果閘門閾值設(shè)置略高可能會(huì)導(dǎo)致漏檢,為此通過提高增益以發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑次表面缺陷,減小次表面盲區(qū)范圍。由聲波在外圈中傳播的速度和時(shí)間可準(zhǔn)確計(jì)算并定位外圈內(nèi)缺陷的位置。以平底孔缺陷為例,仿真與試驗(yàn)計(jì)算的缺陷位置及誤差見表2。由于缺陷與外圈內(nèi)徑面的距離為0.9mm時(shí)難以有效分辨缺陷信息,因此僅給出其余深度缺陷的計(jì)算結(jié)果。表2仿真與試驗(yàn)計(jì)算的平底孔缺陷位置及誤差Tab.2Locationanderrorofflatbottomholedefectscalculatedbysimulationandexperiment由表2可知：通過仿真及試驗(yàn)所得缺陷深度與實(shí)際缺陷深度存在一定誤差,缺陷距離外圈內(nèi)徑面越近,離盲區(qū)越近,誤差越大,最大誤差為7%左右,實(shí)際生產(chǎn)中認(rèn)為10%以內(nèi)的誤差可以被接受,因此最大誤差在允許誤差范圍內(nèi)。2.3超聲傳感器參數(shù)對檢測結(jié)果的影響為對比超聲傳感器的頻率對檢測結(jié)果的影響,分別使用10,15MHz的超聲傳感器對外圈內(nèi)徑次表面平底孔缺陷進(jìn)行檢測,得到仿真A掃信號(hào)對比如圖11所示：頻率為15MHz的超聲傳感器的檢測能力大于頻率為10MHz的,對于內(nèi)徑次表面平底孔缺陷,頻率越高,缺陷檢出效果越好,檢出率越高;但頻率并非越大越好,如試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)25MHz的超聲傳感器接收到的超聲波衰減很快,無法檢測到內(nèi)徑次表面缺陷,因此在實(shí)際應(yīng)用中選用15MHz的超聲傳感器。

圖11不同超聲傳感器頻率下平底孔缺陷仿真A掃信號(hào)對比Fig.11ComparisonofA-scansignalforsimulationofflatbottomholedefectsatdifferentultrasonicsensorfrequencies在實(shí)際生產(chǎn)檢測過程中,為縮小內(nèi)徑次表面檢測盲區(qū),可通過設(shè)置適當(dāng)增益來調(diào)節(jié)反射波的振幅,即設(shè)置距離增益補(bǔ)償(TimeCorrectedGain,TCG)曲線,使外圈的尾波幅值達(dá)到最大峰值的30%左右;在提高增益的同時(shí),還應(yīng)保證雜波幅值低于閘門閾值,以提高信號(hào)分辨能力,減小內(nèi)徑次表面的盲區(qū)。3結(jié)論通過對外圈內(nèi)徑次表面缺陷進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出以下結(jié)論：1)針對外圈內(nèi)徑次表面內(nèi)的缺陷,當(dāng)缺