曲轴残余应力巴克豪森测试仪的研究

　　0　引言

　　在曲轴使用过程中,我们期望能方便的、无损的测量出圆角部位的残余应力状态与大小,以便能够对曲轴的早期疲劳损伤状况做出预测。本检测装置的功能就是利用巴克豪森噪声信号对曲轴的残余应力进行测量。

　　1　测试仪器的组成

　　本测试装置由以下部分组成:电源电路、激磁电路、信号接收放大电路、信号处理电路等。[1]仪器的整机框图如图1所示。

　　下面就各部分电路进行介绍:

　　2　激磁电路

　　激磁电路由信号发生器、功率放大器及磁化器组成。信号发生器选用Inter公司生产的精波确形发生器芯片ICL8038,与少量的外围元件组成正弦波发生器。ICL8038输出的正弦波经缓冲放大器后输出。功率放大器采用了意大利SGS公司生产的TDA2030A芯片为核心,把正弦波发生器输出的信号进行功率放大,生成激磁信号。激磁信号的频率可在20~60Hz范围内调节。

　　内燃机曲轴过渡圆角部位如图2所示。其连杆轴径为圆柱面,两端与平面结构的曲柄臂部分相联结,连杆轴径的轴线垂直于曲柄臂平面,连杆轴径圆柱面与曲柄臂平面的连接部位一般有R3~R5 mm的圆弧过渡。需测试残余应力的部位为图中所指A圆角处。

　　常用磁化器的结构多为在U形铁芯上绕制线圈,线圈通以激磁电流,激磁线圈与铁芯封装为一体。测试时,铁芯与试件间的气隙变化所引起的激磁磁场的变化会直接影响到试样的磁化过程,从而影响释放的BN信号的强度。因此为了消除该影响,一般应对试样的表面进行平整处理,若所测试件表面为曲面,就难以解决。本仪器采用在曲轴的曲柄和轴径上缠绕导线作为激磁线圈的轴向激磁方式,将所测曲轴作为铁芯,与空气中的漏磁形成封闭磁路。激磁线圈所产生的磁场强度的大小既要保证曲轴材料被充分磁化,但又不能使磁化过程达到饱和状态,以激发出大量的BN信号。当激磁磁场强度为40奥斯特时,曲轴圆角部位释放的BN信号丰富,能量较高。

　　式中:μ为磁导率;α为线圈对角线与轴线的夹角。

　　由于磁化器激磁过程为交流激磁,电流反复变化,故取导线过流为j=1·5 A/mm2,空载时电流值为2 A,则导线截面积s与导线线径d分别为:

　　3　接收放大电路

　　实验数据发现,当接收线圈内带有高频磁芯时,磁芯的频率与接收材料内某点的BN信号频率接近的情况下,信号接收效果最佳,最能反映材料某点的应力和状态的变化,并且BN信号的频带对于一般材料来讲在1~500 kHz频段较丰富,因此设计为接收器带有高频磁芯的单体笔形接收器。为了使测得的残余应力值为某点的点应力,设计中尽量减小接收器与曲轴测试部位的接触面积,使接收器拾得的BN信号范围缩小为某点。为了隔离外界无线电及电磁信号的干扰,探头外壳采用1 mm厚铜皮卷制,单独接地,对探头内接收器线圈及放大器起静电屏蔽作用。