一种旋转轴表面裂纹在线检测系统及检测方法

摘要

本发明涉及一种旋转轴表面裂纹在线检测系统及检测方法，所述的检测方法包括以下步骤：激光频率控制器根据轴的转速，控制激光脉冲发射的频率；将空气耦合接收探头放置在与激光超声激发源周向90度位置和轴向共线的位置，接收激光激发的周向超声波和轴向超声波；运用信号处理方法提取轴向和周向超声信号的特征值，并判断裂纹存不存在以及严重程度，当判断某一位置存在裂纹时，计算机自动存储裂纹的位置和接收的时刻，并做出轴向和周向超声信号的时间-幅值-位置的三维图形，可视化旋转轴该位置处的裂纹状况。本发明能够无损、非接触、远距离、在线检测旋转轴的裂纹状况，能够快速确定裂纹的横向、纵向形态和位置，检测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转轴表面裂纹在线检测系统与方法，属于无损检测领域。

背景技术

设备的轴系对设备的正常运转起到至关重要的作用，轴系大多工作载荷比 较大，运转环境比较恶劣，所以非常容易出现疲劳裂纹，疲劳裂纹的出现严重 缩短了轴的服役寿命，并且容易造成严重的事故。现有的针对于轴系的无损检 测大多需要设备停机并将轴拆装后进行检测，并且无损检测周期比较长，对生 产造成比较大的影响。因此，对运转的轴系实时监测关键位置的裂纹状况，确 定裂纹位置，评估裂纹的严重程度，对合理安排生产具有重要意义。

由于轴系的运转速度比较快，需要对轴系非接触、远距离、快速检测。激 光超声技术是利用激光激发超声的无损检测技术，激光具有较好的指向性和远 距离不发散的特点，能够激发出多种模态的超声波，且能够检测到表面微小的 裂纹，可以实现裂纹的快速、远距离、非接触高效率检测。

发明内容

本发明旨在提供一种旋转轴表面裂纹在线检测系统与方法，可以通过激光 扫描实现轴类的非接触、实时、快速检测，检测出轴表面的横向和纵向裂纹， 并确定裂纹的位置。

为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种旋转轴表面裂纹在线检测系统，用于检测被检测轴表面裂纹，包括脉 冲激光器、频率控制装置、激光束调制光路、激光扫描单元、轴向空气耦合接 收探头、周向空气耦合接收探头、轴向位置编码器、周向位置编码器、信号处 理电路及计算机；

所述脉冲激光器发出的激光经所述频率控制装置、激光束调制光路、激光 扫描单元调节后照射在被检测轴上，形成激光入射点，定义该点处的轴表面法 线为a；

所述周向空气耦合接收探头对应被检测轴上的测量点一，用于检测在同一 个轴面上的平行于轴线的裂纹；所述测量点一与所述激光入射点在同一轴横截 面上，且所述测量点一处的轴表面法线b⊥a，所述周向空气耦合接收探头与法 线b的夹角为α，其中，式中，c_air为超声波在空气中的传播速 度，c_w为超声波在轴中的传播速度；

所述轴向空气耦合接收探头对应被检测轴上的测量点二，用于检测垂直于 轴向的裂纹；所述测量点二与所述激光入射点在同一条平行于轴心的线上；定 义测量点二处的被检测轴表面法线为c，所述轴向空气耦合接收探头与法线c的 夹角也为α；

所述周向位置编码器与所述周向空气耦合接收探头相连，用于确定测量点 一的随时间变化的位置；所述轴向位置编码器与所述轴向空气耦合接收探头相 连，用于确定测量点二的随时间变化的位置。

作为进一步的改进，所述激光扫描单元内设有可旋转的反光镜，用于实现 所述激光入射点在被检测轴表面的移动；所述测量点一和测量点二随着所述激 光入射点移动相同距离，在此过程中，所述周向空气耦合接收探头跟随测量点 一移动且保持与测量点一的相对位置不变；所述轴向空气耦合接收探头跟随测 量点二移动且保持与测量点二的相对位置不变。

优选的，所述周向空气耦合接收探头和轴向空气耦合接收探头距离被检测 轴表面的距离为10～20mm。

本发明还提供了一种使用如上所述的旋转轴表面裂纹在线检测系统进行的 旋转轴表面裂纹在线检测方法，包括以下步骤：

步骤一、根据被检测轴的旋转速度确定脉冲激光发射的频率，运用公式

使所述激光入射点随着被检测轴的旋转在轴的周向等间隔分布；

式中，t₀为每次发射激光的时间间隔，n为激光入射点的个数，v_轴为被检 测轴旋转速度，其单位为r/min；R为被检测轴的半径，l为被检测轴周向相 邻激光入射点之间的弧长；

步骤二、所述周向空气耦合接收探头接收测量点一处传来的周向超声波， 检测被检测轴上平行于轴线的裂纹；

步骤三、所述轴向空气耦合接收探头接收测量点二处沿轴方向传播的表面 波，检测激光入射点与测量点二之间的垂直于轴线的裂纹；

步骤四、当被检测轴旋转完一周后，脉冲激光器的激光扫描单元控制激光 束以一定间隔沿轴向移至下一检测位置，进行步骤二和步骤三所述的检测；

步骤五、计算机接收到每一时刻的超声信号以及周向位置编码器和轴向位 置编码器提供的探头位置信号，运用时频信号处理方法提取轴向和周向超声信 号的特征值，并判断裂纹存不存在以及严重程度；当判断某一位置存在裂纹时， 计算机自动存储裂纹的位置和接收的时刻，并做出轴向和周向超声信号的时间- 幅值-位置的三维图形，可视化被检测轴在该位置处的裂纹状况，并输出检测报 告。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明运用激光激发超声波，可以非接触、远距离地实现轴类裂纹的检测， 能够快速定位裂纹的横向、纵向形态和位置；通过控制激光的发射频率，可以 实现轴在运转过程中就可以在线检测到轴类表面的裂纹；通过控制扫描模块以 及空气耦合接收探头的移动，可以快速的实现整条轴系的裂纹检测。

本发明的旋转轴表面裂纹在线检测系统及其检测方法，具有良好的实用性， 在实际使用中能够快速、有效的检测轴类表面的裂纹，且不需要停机进行检测， 降低了厂商的时间和经济损失，具有良好的使用前景。

附图说明

图1为本发明的旋转轴表面裂纹在线检测系统一个实施例的结构示意图；

图2为图1实施例中激光扫描单元和周向空气耦合探头的位置示意图；

图3为图1实施例中激光扫描单元和轴向空气耦合探头的位置示意图；

附图标记说明：1-激光频率控制器，2-脉冲激光器，3-激光调制光路，4-激 光扫描单元，5-周向空气耦合探头，6-轴向空气耦合探头，7-周向位置编码器， 8-轴向位置编码器，9-被检测轴，10-激光入射点，11-测量点一，12-测量点二。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述， 但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本 发明权利要求的限制。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种旋转轴表面裂纹在线检测装 置，包括脉冲激光器2、频率控制装置1、激光束调制光路3、激光扫描单元4、 轴向空气耦合接收探头6、周向空气耦合接收探头5、轴向位置编码器8、周向 位置编码器7、信号处理电路及计算机；

其中，脉冲激光器发出的激光经过频率控制装置、激光束调制光路、激光 扫描单元调节后照射在被检测轴上，形成激光入射点10，设该点处的轴表面法 线为a；

如图2所示，周向空气耦合接收探头对应被检测轴上的测量点一11，用于 检测在同一个轴面上的平行于轴线的裂纹；测量点一与所述激光入射点在同一 轴横截面上，且测量点一处的轴表面法线b⊥a，周向空气耦合接收探头与法线 b的夹角为α，其中，式中，c_air为超声波在空气中的传播速度， c_w为超声波在轴中的传播速度；

如图3所示，轴向空气耦合接收探头对应被检测轴上的测量点二12，用于 检测垂直于轴向的裂纹；测量点二与激光入射点在同一条平行于轴心的线上， 定义测量点二处的被检测轴表面法线为c，轴向空气耦合接收探头与法线c的夹 角也为α；

周向位置编码器与周向空气耦合接收探头相连，用于确定测量点一的随时 间变化的位置；轴向位置编码器与轴向空气耦合接收探头相连，用于确定测量 点二的随时间变化的位置。

优选的，本实施例中，激光扫描单元内设有可旋转的反光镜，利用伺服电 机驱动，用于实现所述激光入射点在被检测轴表面的移动；此时，测量点一和 测量点二随着激光入射点移动相同距离，在此过程中，周向空气耦合接收探头 跟随测量点一移动且保持与测量点一的相对位置不变；轴向空气耦合接收探头 跟随测量点二移动且保持与测量点二的相对位置不变。

优选的，本实施例中，周向空气耦合接收探头和轴向空气耦合接收探头距 离被检测轴表面的距离为10～20mm。

运用该装置实现轴类在线、非接触远距离裂纹检测主要包括以下步骤：

步骤一：通过频率控制装置1控制激光器脉冲激光的发射频率，该发射频 率主要根据轴的转速确定，使激光入射点能够均匀的布满轴的某一位置的周向。 同时随着激光器的启动，计算机会接收到来自于激光器的触发信号。脉冲激光 进入激光调制光路3，可以通过增减调制光路中的扩束镜和光阑实现激光源的点 源和线源的切换，通过调节扩束结构和光阑，可以确定激光线源的长和宽。调 制的激光经过扫描模块辐射到正在旋转中的被检测轴9表面。

步骤二：将周向空气耦合接收探头5放置在与入射激光束成90度位置，空 气耦合探头与轴的表面法线成6.5度，与轴的切面距离约为10-20mm,接收轴的 周向表面波。同时周向空气耦合接收探头5还与周向位置编码器7相连，用以 确定接收点的轴向位置。

步骤三：将轴向空气耦合接收探头6放置在与入射激光束在轴向同一直线 上，轴向空气耦合接收探头6与轴的表面法线成6.5度，与轴的切面距离约为 10-20mm，与激光入射点在轴向距离约为20mm左右。同时轴向空气耦合接收 探头6还与轴向位置编码器8相连，用以确定接收点的轴向位置。

步骤四：当激光入射点已经均匀分布于某一位置的周向时，激光扫描单元4 会使激光束向轴向扫描方向前进一段距离，此时，周向和轴向两个空气耦合接 收探头也会向扫面方向平行移动相同的距离，移动完毕后，激光进入另一个周 向打点循环，依次类推直至检测完毕整条轴。

步骤五：轴向和周向两个空气耦合探头接收到的轴向和周向信号经过信号 处理电路进入计算机中，通过信号处理方法提取超声的特征参数，判别某一时 刻裂纹的状态，并结合轴向和周向编码器的位置信息确定裂纹出现的具体位置， 计算机自动存储裂纹的位置和接收的时刻，并做出轴向和周向超声信号的时间- 幅值-位置的三维图形，可视化被检测轴该位置处的裂纹状况，最终形成轴的裂 纹检测报告。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指 出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还 可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的 保护范围内。