转轴裂纹声发射监测研究

　　断裂是机械和工件失效的主要形式之一, 与其他失效形式 ( 弹塑性失稳、磨损、腐蚀等) 相比,更具危险性。转轴作为旋转机械的主要承力部件,发生断裂可能导致灾难性的事故, 造成生命和财产的巨大损失。因此, 对转轴的裂纹监测是非常重要的。声发射 ( AE) 技术作为一种在线监测方法,可以对转轴的完整性进行判断。

　　一、声发射监测原理

　　任何物体受到外力作用都会发生形变, 超过一定限度便产生裂纹以至断裂。在此过程中, 物体内部会发出不同的声音 ( 声发射) 。声发射信号波形的幅度非常小, 频率非常高, 利用非常灵敏的传感器可把物体内部发出的微弱声信号接收下来, 然后转换成电信号, 进而由声发射系统分析处理, 发现物体内部裂纹的发展情况。

　　金属轴在屈服点附近出现声发射计数高峰, 标志着裂纹的形成。一旦裂纹形成, 转轴局部地区的应力集中得到卸载, 产生声发射。断裂过程大致可分为三个阶段: 裂纹成核、裂纹扩展和最终断裂,三者都可以成为强烈的声发射源。转轴内部发出的声信号以弹性波的形式向四周传播, 到达转轴表面, 并经过传感器转变为电信号, 经过前置信号放大器放大, 再由声发射采集卡接收并进行 A/D 转换,成为数字信号, 传入计算机, 经软件分析, 就能确定转轴上裂纹的全部发展过程, 实现在线监测。

　　二、实验设备

　　图1 为转轴裂纹声发射监测实验系统图, 由五部分组成, 除预制实验转轴为自制外, 其他均为美国物理声学公司产品。

　　1. 预制实验转轴。图2 为预制实验转轴示意图, 尺寸20mm×300mm, 所用材料为 86CrMoV7。在转轴上预制裂纹, 深度 2mm。

　　2. 声发射传感器。传感器用于接收材料内部的声发射信号, 其性能对测试非常重要。本实验选用 R15 型声发射专用传感器, 外径 19mm, 重量34g, 可以在- 65℃～177℃的范围内使用。其信号采集部分是压电陶瓷, 可采集信号频率范围是 50~200kHz。

　　3. 前置信号放大器。声发射传感器的电压输出信号非常弱, 因此, 需要放大器放大后再传输。实验选用的前置放大器是一种通用放大器, 可获得20/40/60dB 的增益, 具有单端输入和差分输入两种输入方式。

　　4. 声发射采集卡。选用 PCI- 2 声发射卡, 是对声发射特征参数、波形进行实时处理的二通道声发射系统, 具有 18 位 A/D 转换、3kHz~3MHz 频率范围。

　　5. 计算机分析软件 。采用AEwin TM 和Wavelets 软件包, 是 Windows 环境下的实时声发射分析软件包, 包括前端数字滤波、图解滤波、AE特征提取、报警输出、各种定位功能、2- D 和 3- D图形、多参数分析、聚类分析、波形处理及相关分析 、HIT 数据线形显示 、统计及重放功能等 。