航空軸承套圈超聲檢測的表面盲區

張凱勝,孫慧霖,王歡

(中國航發哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025)

航空軸承的可靠性服役對航空發動機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孔洞、裂紋等缺陷[2]。超聲檢測法具有靈敏度高,重復性高,檢測范圍廣,效率高等特點,對軸承次表層及內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對套圈進行缺陷檢測,是通過超聲傳感器發射出特定時間寬度的脈沖波,若套圈次表層及內部缺陷距離表面較近,則缺陷回波信號與軸承界面回波信號混疊,無法準確評價缺陷大小和位置。水浸單晶傳感器的表面盲區主要由初始脈沖引起,脈沖寬度越大,表面盲區越大,同時也受超聲設備的分辨力、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無法避免,盲區內的微小缺陷難以準確判定甚至無法察覺,因此如何減小超聲盲區對提高檢出率和保證套圈質量至關重要。

近年來,國內外研究人員致力于從硬件和算法兩方面減小超聲信號的檢測盲區。硬件方面,通過提高單周脈沖超聲傳感器的分辨率進而減小脈沖發射寬度[4];通過反相疊加法減小換能器的拖尾進而減小檢測盲區[5]。算法方面,基于Golay互補對,利用二進制序列對超聲發射進行編碼,提高過程增益,獲得更好的精度和噪聲水平,進一步減小檢測盲區[6]。然而在超聲檢測工程應用中,超聲傳感器激發的較大寬度聲波對檢測時間、成本和結果具有不同程度的影響,尤其針對軸承套圈次表層及內部缺陷,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聚焦超聲傳感器可減小檢測盲區,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的干擾下減小盲區范圍,準確提取缺陷信號的特征,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相結合的方式,分析不同深度缺陷的超聲檢測效果及不同參數的超聲傳感器對外圈內徑次表面盲區范圍的影響,以實現外圈次表面及內部缺陷的探傷與評估。

1 仿真分析

1.1 有限元模型建立

根據超聲傳感器和外圈的結構特點,建立外圈超聲檢測等效模型,如圖1所示。外圈外徑195 mm,寬度40 mm,壁厚22 mm,構建平底孔以模擬次表面缺陷,平底孔直徑為0.2 mm,距離內徑面深度分別為0.9,1.1,1.3,1.5 mm。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,材料參數見表1。

圖1 外圈超聲檢測等效模型

通過仿真軟件構建二維仿真模型并開展數值計算。選擇物理場為“壓力聲學,瞬態”,并在等效模型中相應添加硬聲場邊界、平面波輻射、壓力等各類邊界條件。針對網格劃分問題,水層采用映射網格劃分,外圈內部缺陷采用自由三角形網格劃分,等效模型中超聲傳感器可簡化為一段圓弧,因此無需對其進行網格劃分。此外,研究一欄中選用默認求解器,設置瞬態研究的相關參數(步長、起始時間、結束時間)。

1.2 結果分析

模型求解計算完畢,對仿真結果進行后處理,以距外圈內徑面深度為1.5 mm的平底孔缺陷為例進行說明。在結果一欄中選擇二維繪圖組,繪制不同時間點聲波在水層和外圈內部傳播過程中的聲壓圖,如圖2所示。

(a) 2.15 μs

在結果一欄中選擇一維繪圖組,繪制聲波在水層和外圈內部傳播過程中的回波A掃信號。圖3為超聲傳感器接收到的缺陷回波信號。

(a) 相對聲壓圖

不同深度平底孔缺陷回波A掃信號如圖4所示：缺陷深度為1.5,1.3 mm時,缺陷回波信號與外圈內徑面回波信號差異較明顯,能夠清晰地分辨缺陷并計算缺陷到外圈內徑面的距離;缺陷深度為1.1 mm時,缺陷回波信號與外圈內徑面回波信號部分重合,較難計算缺陷到外圈內徑面的距離;缺陷深度為0.9 mm時,缺陷回波信號與外圈內徑面回波信號混疊,無法區分并識別缺陷在外圈中的位置。

(a) A掃信號匯總圖

對上述4種不同深度缺陷所獲超聲A信號匯總可知：平底孔缺陷距離外圈內徑面越遠,缺陷回波信號與內徑面回波信號時間間隔越遠,信號不發生混疊,可明顯識別缺陷信息;隨著缺陷位置逐漸靠近外圈內徑面,缺陷回波逐漸后移,缺陷回波信號與內徑面回波信號開始重合,可部分識別缺陷信息,具有一定的分辨力;當缺陷位置與外圈內徑面接近時,二者信號混疊嚴重,難以區分缺陷回波信號峰值位置, 即無法確定缺陷位置。因此, 利用超聲檢測外圈內部缺陷時, 在距離外圈內徑面0.9 mm范圍內的缺陷回波信號與外圈內徑面回波信號重疊,無法有效分辨,即存在約0.9 mm的外圈內徑次表面缺陷檢測盲區。

2 試驗驗證

2.1 試驗設備及人工缺陷

為與仿真結果進行對比,在外圈內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0.2 mm,與外圈內徑面的距離分別為0.9,1.1,1.3,1.5 mm,如圖5所示。檢測所用試驗設備如圖6所示。

(a) 平底孔缺陷

圖6 超聲無損檢測試驗設備

2.2 外圈內徑次表面缺陷檢測

目前,盤環件水浸聚焦超聲傳感器主要分為5,10,15,25 MHz幾種,25 MHz因頻率過高而使用較少,5 MHz因靈敏度低而幾乎不使用,因此主要使用10,15 MHz的超聲傳感器進行超聲檢測,下文以航空產品常用的10 MHz超聲傳感器為例開展外圈內徑次表面的缺陷檢測。

使用頻率為10 MHz,焦距為5.08 cm,晶片直徑為0.635 cm的超聲傳感器對不同深度的平底孔和橫孔缺陷進行檢測,并對試驗信號幅值進行量綱一化處理,超聲回波A掃信號和C掃圖像如圖7—圖10所示：各輸出信號基本形狀及幅值相似,隨著缺陷到外圈內徑面的距離增加,缺陷位置的反射波形與內徑面回波逐漸遠離,易于觀測。

圖7 不同深度的平底孔缺陷A掃信號

圖8 不同深度的平底孔缺陷C掃圖像

圖9 不同深度的橫孔缺陷A掃信號

圖10 不同深度的橫孔缺陷C掃圖像

由試驗檢測外圈內徑次表面缺陷處的A掃信號可知：缺陷與外圈內徑面的距離分別為1.1,1.3,1.5 mm時,缺陷信號與內徑面回波信號不存在混疊, 超聲傳感器可檢測出所有的內徑次表面缺陷;當缺陷與外圈內徑面的距離為0.9 mm時,缺陷信號與內徑面回波信號發生一定的混疊,C掃圖像中缺陷深度為0.9 mm的檢測結果不明顯。由于超聲波的衰減,試驗過程中發現外圈內徑次表面平底孔缺陷的回波信號幅值為最大峰值的30%～40%,如果閘門閾值設置略高可能會導致漏檢,為此通過提高增益以發現內徑次表面缺陷,減小次表面盲區范圍。

由聲波在外圈中傳播的速度和時間可準確計算并定位外圈內缺陷的位置。以平底孔缺陷為例,仿真與試驗計算的缺陷位置及誤差見表2。由于缺陷與外圈內徑面的距離為0.9 mm時難以有效分辨缺陷信息,因此僅給出其余深度缺陷的計算結果。

表2 仿真與試驗計算的平底孔缺陷位置及誤差

由表2可知：通過仿真及試驗所得缺陷深度與實際缺陷深度存在一定誤差,缺陷距離外圈內徑面越近,離盲區越近,誤差越大,最大誤差為7%左右,實際生產中認為10%以內的誤差可以被接受,因此最大誤差在允許誤差范圍內。

2.3 超聲傳感器參數對檢測結果的影響

為對比超聲傳感器的頻率對檢測結果的影響,分別使用10,15 MHz的超聲傳感器對外圈內徑次表面平底孔缺陷進行檢測,得到仿真A掃信號對比如圖11所示：頻率為15 MHz的超聲傳感器的檢測能力大于頻率為10 MHz的,對于內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,如試驗中發現25 MHz的超聲傳感器接收到的超聲波衰減很快,無法檢測到內徑次表面缺陷,因此在實際應用中選用15 MHz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掃信號對比

在實際生產檢測過程中,為縮小內徑次表面檢測盲區,可通過設置適當增益來調節反射波的振幅,即設置距離增益補償(Time Corrected Gain,TCG)曲線,使外圈的尾波幅值達到最大峰值的30%左右;在提高增益的同時,還應保證雜波幅值低于閘門閾值,以提高信號分辨能力,減小內徑次表面的盲區。

3 結論

通過對外圈內徑次表面缺陷進行仿真分析和試驗驗證,得出以下結論：

1)針對外圈內徑次表面內的缺陷,當缺陷與內徑面的距離為0.9 mm時,缺陷信息檢測結果不顯著;距離為1.1 mm及以上時,可通過繪制TCG曲線調節增益,使內徑面回波信號的幅值為最大峰值的30%,同時配合檢測閘門閾值的調整,以提高超聲無損檢測盲區檢測效果,減小檢測盲區。

2)外圈內缺陷的分辨能力受超聲傳感器頻率的影響,對于外圈內徑次表面的平底孔和橫孔缺陷,頻率為15 MHz的超聲傳感器的缺陷檢測效果優于頻率為10,25 MHz的。因此在工程批量化檢測前,應開展預測試工作,定制與被檢測對象材料相同的標準試塊,根據檢測效果優劣,確定超聲傳感器頻率參數。