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应用案例丨风电主轴的实验检测

时间:2022-12-06 点击次数:166
风能作为清洁的可再生能源受到重视,风力发电机组的发展趋势是功率更大、重量更轻、造价更低、可靠性更高。从增大功率和增加可靠性角度出发,国外对新型传动链进行了较多的研究和应用,开发了如集成式、分流式、直驱等多种传动方案用于配合中速和低速发电机等。


主轴是风力发电机组中的关键零部件,其设计安全性和合理性将直接影响整个机组的性能。而主轴断裂现象也时有发生,这就促使风力发电企业越来越重视对风机主轴的在役检测方法研究。
通常情况下,主要使用的检测方法为常规超声检测和相控阵超声检测,都是基于超声波检测的原理,需要超声波入射进入主轴内部,通过回波高度、位置、颜色深浅等判断缺陷情况等。本次我们利用相控阵超声检测方式,对风电主轴进行检测。
检测对象


V52 型风电主轴,检测状态为未拆卸状态,因而能够接触探头的部位只有主轴法兰盘端部和法兰盘外部收口面。

主轴长度 1730mm,主轴直径(法兰盘除外)275~320mm 渐变,主轴中空。

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检测方案


主机: Omniscan MX2 相控阵探伤仪

相控阵探头:2.25MHz,32 晶片相控阵探头

设置:纵波扇扫

探头放置位置:法兰盘端部靠近中心孔位置,由下图的声束模拟可知,放置于法兰盘端部,声束基本可以覆盖整个轴身区域。

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检测结果


(1) V52 型风机上的检测结果

下图是原始的检测数据,经过测量得到底波信号的位置测量值为 1728.54mm,与设计尺寸 1730mm 接近。

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能够看到清晰的底波信号,且测量值与设计尺寸吻合,可以得到以下几个结论:

1)工件的声学穿透性能良好,能够得到清晰的底面回波。

2)工件中该位置没有断裂的缺陷,因为如果有断裂的缺陷,底波会受到阻断。

3)设置的材料声速 5890m/s 与实际工件的声速基本吻合。

将检测结果与裸轴图纸对比,通过底面回波和-30~30°的角度范围的比例调整,使得检测结果的深度和宽度坐标与实际工件的长度和直径取得一致,得到如下的结果。

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由上面图中可以看到,超声相控阵扇形扫查区域与轴身区域的重合区域为关注的区域,其他轴身以外的区域为非关注区域。

而在关注区域比较强烈的信号有四个 A、B、C、D,分别位于 406mm 左右,1156mm 左右和 1729mm 左右。而且 A、B、C 这三个信号在整个 360°扫查结果中均联系存在,且该主轴为新造主轴,可判断这三个信号为固有几何反射信号。

信号 A:在主轴几何外形上此处无结构突变,且信号主体在轴身以外,因而在后面的分析中进行分析。

信号 B:为主轴结合外形突变引起的回波,且距离和宽度位置均可非常好的与结合外形突变位置吻合。

信号 C:为主轴底面回波。

信号 D:断续出现,且结合该信号的位置,判断为轴端部的顶针孔信号。因而此处结论为 A、B、C、D 四个信号均为结构回波信号。

非关心区域信号的出现有可能是声波在复杂主轴内部多次折射和波形转换造成的,不作为缺陷判断的依据。将检测结果与装配图纸结合结果如下:

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由装配图与扫查图的结合结果可见,406mm 位置刚好是轴承加载位置,因而该位置的信号有可能是声波穿过轴承箱以后的信号,且由于这个信号是一直存在,因而也认为是固有几何回波信号。

(2)  V52 型风机主轴检测结果

由下面的在役主轴检测结果可见,406mm 附近的 A 信号依然存在,而底波的 C 信号也依然存在。但结构信号 B 和顶针孔信号信号 D 不明显,可能是由于长期磨损或者油污造成几何反射减弱。

而在轴身结构内容无明显缺陷信号,在 830mm 和 930mm 附近的信号,由于不在轴身范围内,因而不判断为缺陷信号。

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果将完好主轴信号与在役主轴信号叠加比较,可以得到如下的结果。

两个检测信号叠加以后可见,在 830mm 和 930mm 处,完好的主轴也会有两个信号,只是该信号较弱,也间接辅助判断 830mm 和 930mm 处的信号可能不是缺陷信号。

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通过 B 扫视图的对比法,也未发现明显的、独立的缺陷信号。

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检测结论


使用超声相控阵技术可以肯定基本可以检测风机主轴,在完好主轴上采集的数据可以作为基础样本,作为参考对比,并确认了哪些信号是固有回波信号。

通过与图纸的对比,了解哪些信号是非关心区域的信号,排除了一部分干扰信号。同时对比了完好主轴和在役主轴的检测结果,未发现在役主轴中有异常缺陷信号出现。

以上的检测结果均基于数据对比方法得到,而按照之前的讨论思路,最好能够提供一根完好主轴进行校准试块的制备,通过校准试块上的数据获取,能够更加清晰明确地判断缺陷的存在与否,以及对缺陷进行当量评定。


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