风电齿轮箱滑动轴承脱黏缺陷超声检测

文摘 2024-09-26 18:07 河南

《轴承》2024年第9期

引文格式：

郑宽，朱琦，吴晨晨，等.风电齿轮箱滑动轴承脱黏缺陷超声检测[J].轴承，2024（9）：92-99.

ZHENG Kuan，ZHU QiWU，ChenchenLI，et al.Ultrasonic Detection for Debonding Defects in Sliding Bearings for Wind Turbine Gearboxes[J].Beairng,2024（9）：92-99.

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风电齿轮箱滑动轴承脱黏缺陷

超声检测

郑宽朱琦吴晨晨李青松王文

（上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444）

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.014

摘要为了解决铜-钢双金属浇铸成型工件在界面处出现的脱黏缺陷问题，以风电齿轮箱滑动轴承为研究对象，利用Comsol Multiphysics有限元软件建立了双金属浇铸成型工件超声检测仿真模型并进行数值模拟，分析超声波在不同缺陷尺寸下的传播特性；通过接触式超声检测试验和水浸超声检测试验分析了缺陷波振幅与缺陷尺寸的关系，并对缺陷进行定量表征。结果表明：缺陷波及底波的振幅变化均与缺陷尺寸存在线性关系，C扫描成像能够检测缺陷的相对位置及大小，仿真与试验结果具有良好的一致性。

关键词滑动轴承；风电轴承；脱黏；数值模拟；超声检测

齿轮箱主要用于传递主轴和发电机的转速，随着风电机组功率的提高，滚动轴承的径向尺寸增大，故障率也随之增大；而滑动轴承运行性能良好，维护成本较低，逐渐成为齿轮箱轴承的优选方案^［1-3］。

风电机组由于体型庞大且处于高空，停机维修成本高，为降低风电齿轮箱滑动轴承的故障率，常在其表面加工一层青铜滑动层以适应低速重载的使用工况，青铜滑动层主要通过增材制造和离心浇铸技术获得。离心浇铸是一种利用铸型旋转产生离心力，使浇铸的液态金属在离心力作用下成型，从而实现金属冶金熔合的方法^［4］；但在浇铸凝固的过程中，由于液态金属流动性差，温度分布不均，双金属物理化学性能差异等原因，工件的双金属界面常出现脱黏、气孔、疏松等缺陷^［5］，破坏轴承结构的完整性，对齿轮箱的运行造成巨大威胁。为保证轴承运行的可靠性，对工件双金属界面进行无损检测具有重要意义。常规无损检测方法（目视、磁粉、涡流等）效率较低，且仅能检测出工件表面的缺陷，具有一定局限性。超声检测因其使用方便，灵敏度高，检测范围广等优点，逐渐成为探测金属材料内部缺陷的常用手段^［6-8］。

超声波是一种频率大于20 kHz的机械波，其传播同样遵循能量守恒定律、动量守恒定律及牛顿第二定律。数值模拟作为超声检测重要的验证手段，能够对超声波在复杂结构内部的传播过程进行研究，为超声检测提供理论依据^［9-10］。一些学者针对超声检测进行了相关研究：郭课等^［11］通过超声相控阵纵波直入法对模压可燃药筒中的人为缺陷进行检测，证明了超声相控阵检测技术能够满足较小尺寸脱黏的需求；张凯胜等^［12］通过仿真和试验分析了不同频率的超声传感器对大尺寸轴承表面缺陷的检测能力，实现了对轴承套圈表面缺陷检测盲区的定量评判；丛晨日等^［13］建立了轴承套圈柔性超声相控阵仿真模型，并对A扫描仿真回波信号进行分析，结果表明可通过超声A信号回波之间的差异判断缺陷类型，并通过改变换能器阵元参数提升了缺陷的检测精度；LIU等^［14］对不锈钢电阻点焊中的熔合状态和气孔缺陷进行超声检测仿真，为实际超声检测提供了一定参考；MIRMAHDI^［15］采用有限元方法对点焊水浸超声无损检测进行数值模拟，研究了缺陷波的反应强度和振幅对模拟结果的影响；MAHMOD等^［16］利用Comsol软件对钢基材料的焊缝结构内部缺陷进行仿真分析，结果表明未透熔、夹渣和未熔合这3类缺陷由于自身特性不同而具有不同的信号模式和信号幅度；ZOU等^［17］对铝基复合材料界面的结合状态进行仿真分析，并通过试验研究其超声反射特性，结果表明界面的结合状态与反射波振幅有关。

针对轴承浇铸过程中出现的脱黏缺陷问题，本文以风电齿轮箱滑动轴承为研究对象，利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件建立铜-钢双金属浇铸成型工件超声检测仿真模型，模拟超声波在不同脱黏尺寸下的传播特性，并通过试验验证模型的准确性，为检测过程中的波形分析与缺陷识别提供理论依据。

1 风电滑动轴承脱黏缺陷

风电滑动轴承如图1所示：铜合金层为外层金属，钢基体为内层金属。由于制造工艺的不足，成型后的青铜滑动层与钢基体间易发生脱黏缺陷，如图2所示。

图1 风电滑动轴承Fig.1 Sliding bearing for wind turbine

图2 风电轴承脱黏缺陷Fig.2 Debonding defects in wind turbine bearing

脱黏缺陷会增加轴承的局部变形，严重时将造成青铜滑动层的脱落，导致轴承失效。为保证轴承的正常运行，对青铜滑动层的结合状态进行检测具有重要意义。

2 声场模拟理论

确定各向同性介质内部的应力与位移，在忽略体积力（如重力）的情况下，介质内部声场的波动方程为^［18］

（1）

式中：为哈密顿算子；ρ为固体密度；u为位移矢量；λ，μ为拉梅常数。

有限元法模拟超声检测的过程为：将计算区域划分为具有一定数量和形状的网格单元，利用矢量换算构造网格单元的位移函数矩阵，进而求出应力与位移之间的关系，再利用虚功相等定理将网格所受作用力转变为顶点作用力，可以通过（1）式推导系统的运动方程^［19］，若忽略阻尼影响，运动方程可简化为^［14］

（2）

式中：，（t）分别为系统节点加速度矢量和速度矢量；M，K，Q（t）分别为系统质量矩阵、刚度矩阵和节点载荷矢量^［14］。

采用超声波检测多层金属内部缺陷时，超声波垂直入射后，在不同介质的界面将发生反射和透射，借助回波幅值和时间差对缺陷进行检测。依据此特点，本文采用接触式脉冲回波法，利用回波特性准确快速的检测结构内部缺陷，检测示意图如图3所示。

图3 检测示意图Fig.3 Diagram of detection

超声波在不同介质界面处的反射率和透射率与两侧声阻抗的相对大小有关，当超声波垂直入射时，其声压反射率r与声压透射率β分别为^［20］

（3）

（4）

式中：Z₁，Z₂为界面两侧的声阻抗。由此可知，Z₂越大，声压反射率越大，检测到的回波幅值也越大。

铜、钢及空气的材料特性参数见表1^［21-22］，仿真模型所设置的材料参数与表1保持一致。若轴承内部无缺陷，超声波在铜-钢界面的反射率为9.79%，小部分超声波被反射；若轴承内部存在脱黏缺陷，由于空气的声阻抗值远小于铜和钢的声阻抗值，超声波的反射率接近100%，将会出现较强的缺陷波，再根据缺陷波幅值与飞行时间即可计算出缺陷的相对尺寸及位置。

表1 材料特性参数Tab.1 Material property parameters

3 数值仿真

3.1 模型建立

三维仿真计算模型较大，网格数量以及求解自由度过多，求解过程耗时较长，本文模型在水平方向上所引起的应力变化是一致的，属于平面应变问题，因此可将模型简化为二维计算模型，如图4所示。采用Comsol Multiphysics仿真软件对铜-钢双金属浇铸成型工件进行超声检测，观察其内部声场变化、回波信号幅值和飞行时间，声场仿真路线如图5所示。

图4 二维计算模型Fig.4 Two-dimensional computational model

图5 声场仿真路线Fig.5 Simulation roadmap of sound field

截取工件的一小段模块以减小计算量，工件分为两层：铜为外层金属，厚度6 mm，45^#钢为内层金属，厚度15 mm。选择Comsol Multiphysics软件中的固体力学模块，对模型施加采用汉宁窗调制的10 MHz正弦脉冲，汉宁窗可以消除高频干扰和能谱泄露，更接近实际的声场分布，其波形如图6所示，表达式为^［23］

（5）

式中：t为时间步长；T为信号周期；为信号中心频率，取10 MHz。

图6 激励信号波形图Fig.6 Waveform diagram of excitation signal

需要说明的是，仿真过程需要标定信号的幅度以反映实际测量过程中的场景，归一化是为了调整仿真中超声信号的振幅大小，使仿真结果更符合实际测量中的信号强度范围和特性，因此函数A（t）在此处无单位。

3.2 边界设置

将结构层中的结合处设置为自由边界，固体以及激励源左右边界设置为低反射边界，以此抑制其他回波产生的干扰。对于脱黏缺陷，仿真过程忽略几何厚度，利用软件中的弹性薄层作边界条件，即在铜-钢界面引入弹簧模型使二者分开，并且能够将两侧固体层中质点的振动位移进行耦合，更好地模拟实际工况^［24］。

经实际考察可知，本文所研究的风电滑动轴承的脱黏长度大部分为1 ~ 10 mm，因此将模型中模拟脱黏缺陷的弹性薄层长度（即脱黏尺寸）设置为2，4，6，8，10 mm。

网格划分的质量将直接影响求解精度与计算时长，在处理声波问题时，一般情况下最大网格尺寸为波长的1/10 ~ 1/5。本文模型的单元网格长度设为波长的1/8，采用自由三角形网格进行划分，时间步长为0.01 μs，由CFL判据^［25］计算，即

（6）

式中：c_max为最大声速；为时间步长；为网格尺寸。

一次底波被换能器接收到的时间为8 μs，为了使底波更完整，以便得到较好的检测结果，设置检测总时长为10 μs。

3.3 仿真结果

以施加边界载荷的形式模拟超声激励，并在激励处接收回波信号的位移分量。无缺陷情况下超声波穿过铜-钢界面的情况如图7所示：当超声波到达界面时，由于铜和钢的声阻抗值非常接近，因此大部分声波可以穿过界面进入钢基体中，小部分声波被反射。对于脱黏缺陷，以4 mm的脱黏尺寸为例，超声波穿过铜-钢界面的情况如图8所示：由于弹性薄层参数是按照空气进行设置的，而声波在铜与空气的界面处几乎是全反射，因此缺陷位置的超声波被反射回去，其余超声波进入钢中继续向内部传播。

图7 无缺陷状态下超声波的传播情况Fig.7 Propagation of ultrasonic wave under defect-free state

图8 缺陷尺寸4 mm时超声波的传播情况Fig.8 Propagation of ultrasonic wave with defect size of 4 mm

以信号接收部分所产生的径向位移平均值表示A扫描回波信号，其幅值变化趋势与实际检测时换能器接收到的回波声压变化趋势相对应。

不同尺寸缺陷的A扫描回波信号仿真图如图9所示：无缺陷时分别在2.85，7.98 μs时检测到铜-钢界面的回波信号（后文简称界面回波）和底面回波（后文简称底波）；有缺陷时在2.86 μs处出现第1次反射回波，在5.56 μs处出现第2次反射回波，由两次回波信号的时间差可判断其为缺陷波，与二维计算模型（图4）中弹性薄层的位置较吻合。

图9 不同尺寸缺陷的A扫描回波信号仿真图Fig.9 A-scan echo signal simulation diagram of defects with different sizes

脉冲反射法是通过收集超声波在不同界面的回波信号来反映其内部的缺陷情况，随着缺陷尺寸的增大，超声波在缺陷界面被反射回的能量随之增加，而到达底面的超声波逐渐减少。因此，随着缺陷尺寸的增大，缺陷的一次回波（后文称一次缺陷波）振幅逐渐增大（图9b），底波振幅逐渐减小（图9c）。

为了便于对缺陷波进行定量分析，提取一次缺陷波的振幅，得到其与缺陷尺寸的关系如图10所示：二者近似线性正相关，当缺陷尺寸小于2 mm或大于8 mm时，一次缺陷波振幅的变化相对较缓；缺陷尺寸小于2 mm时，声波经过铜-钢界面时会产生少量反射信号，因而存在一个初始界面回波；缺陷尺寸大于8 mm时，由于缺陷尺寸超过了探头直径，因此回波振幅不再变化。

图10 一次缺陷波振幅随缺陷尺寸变化的仿真结果Fig.10 Simulation results of amplitudes of primary defect wave changing with defect sizes

4 试验验证

4.1 试样及试验设备

为验证仿真效果，在滑动轴承的铜-钢界面处加工了Φ2，Φ4，Φ6，Φ8，Φ10 mm的平底孔，深度均为15 mm，以此模拟脱黏缺陷，试样及人工缺陷如图11所示。

图11 试样及人工缺陷示意图Fig.11 Samples and diagram of artificial defects

试验设备如图12所示。接触式超声检测试验采用Olympus A552S-SM接触式探头（10 MHz），通过TBS2000B示波器和DPR300超声脉冲发射/接收器对信号进行采集，再利用Matlab对采集到的信号进行提取，该试验需要依次对每个缺陷位置进行检测，为获得高精准度的检测数据，对每个缺陷位置连续采集100次并取平均值，以此作为最终检测数据。水浸式超声检测试验采用上海玖横仪器有限公司定制的水浸点聚焦探头（15 MHz），利用安诺450机械臂完成探头的扫描动作，再通过Matlab对扫描信号进行提取。

图12 试验设备Fig.12 Test equipments

4.2 接触式超声检测

不同尺寸的人工缺陷回波信号如图13所示，当超声波经过试样内部较为粗大的晶粒时在晶界处会产生散射，因此回波信号中存在很多材料噪声，可通过回波波峰之间的声程差判断缺陷波与底波的所在位置。对于图13a，第1个波峰为探头所产生的初始信号（始波），继而底面产生第1次与第2次回波信号，波峰之间的距离相等，但回波信号逐渐衰减；由图13b—图13e可知，在始波与底波之间存在回波，其由界面回波及人工缺陷产生的缺陷波叠加形成，在多次反射之后，黏结良好的部位与脱黏缺陷处的回波信号具有显著差异，尤其是当缺陷尺寸大于4 mm时二次缺陷波逐渐明显，当缺陷尺寸大于8 mm时检测到的底波波形无明显差异，这是由于缺陷尺寸过大，超声波到达缺陷界面后绝大部分能量被反射，导致到达底面的超声波很少，无法被换能器接收到。

图13 不同尺寸的人工缺陷回波信号图Fig.13 Echo signal diagram of artificial defects with different sizes

仿真与试验结果对比可知，随着缺陷尺寸的增大，试验结果下人工缺陷的底波与二次缺陷波出现了明显衰减，第3次回波已经消失。另外，人工缺陷的回波信号含有较多检测噪声，这是因为仿真模型忽略了材料内部组织及晶粒所产生的散射衰减。对于信号的主要部分，如回波幅值的变化情况及超声波的传播时间，仿真与试验结果一致性较高。

提取一次缺陷波的振幅，其与缺陷尺寸的变化关系如图14所示，试验结果与仿真结果（图10）的规律一致，即缺陷尺寸小于2 mm或大于8 mm时，缺陷波振幅的变化较缓，且振幅随着缺陷尺寸的增大而增大，二者近似线性正相关。

图14 一次缺陷波振幅随缺陷尺寸变化的试验结果Fig.14 Test results of amplitudes of primary defect wave changing with defect sizes

4.3 水浸式超声检测

以人工缺陷所在位置之间的连线作为机械臂的扫描路径，使用水浸点聚焦探头连续扫描并进行成像处理。由（3）式计算可知，超声波经过水-铜界面时，7.63%的能量透射进入轴承；经过铜-钢界面时，9.79%的能量发生反射；而在缺陷处，几乎100%的能量发生反射。试验过程中，将缺陷波幅值的最高增益设置为满屏的80%，即为发生脱黏的实测声压反射率，若黏接良好，则实测声压反射率为0.08。故以超声波的反射能量为特征值，将缺陷波幅值大于0.12 V的区域判定为脱黏区域，采用二分阈值方法得到每个点的逻辑值，最终形成C扫描图像如图15所示：右侧颜色栏对应的数值即为逻辑值，因此仅取0和1所对应的颜色进行成像，其中，缺陷所在位置的逻辑值为1，对应黄色区域。当缺陷尺寸为2，4，6 mm时，成像位置与实际位置较接近；当缺陷尺寸为8 mm时，成像位置与实际位置存在偏差。

图15 不同尺寸的人工缺陷C扫描图像Fig.15 C-scan image of artificial defects with different sizes

缺陷的实际尺寸和超声检测尺寸及二者的差值见表2，实际尺寸与检测尺寸的最小差值为0.065 8 mm，最大为4.386 9 mm。差值较大的原因主要为：一是由于扫描路径是通过记录每个点在机械臂中的位置坐标来确定的，而探头的位置通过人工目视进行判断，进而控制机械臂，因此无法保证机械臂沿每个缺陷的直径方向精确运动；二是当机械臂运动到接近右极限位置时将触发保护机制，导致机械臂运动变慢，因此在运行后期相同距离间会采集更多的数据，导致缺陷的检测尺寸变大。

表2 缺陷的实际尺寸和检测尺寸及二者差值Tab.2 Actual sizes and detected sizes of defects and difference between them

5 结论

本文利用Comsol Multiphysics有限元软件对风电齿轮箱滑动轴承进行仿真建模，对其存在的脱黏缺陷进行超声检测模拟，通过声压图和缺陷回波信号分析了超声波在材料内部的传播过程及规律，并通过试验证明了仿真模型的正确性和有效性，得到以下结论：

1）对于不同尺寸的脱黏缺陷，其A扫描回波幅值呈现显著变化，一次缺陷波幅值与缺陷尺寸线性正相关，底波幅值与缺陷尺寸线性负相关。脱黏缺陷的超声检测试验结果与仿真结果一致性较高。

2）利用Comsol Multiphysics有限元软件进行脱黏检测是可行的，能够为缺陷及其回波的分析提供一定的理论支持。

3）基于超声C扫描技术可以显示轴承内部缺陷的相对位置及其尺寸，通过分析得到了双金属界面的实测声压反射率，并对其进行阈值设定，未来可对此类黏接强度进行判定。

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Ultrasonic Detection for Debonding Defects in Sliding Bearings for Wind Turbine Gearboxes

ZHENG Kuan ZHU QiWU ChenchenLI QingsongWANG Wen

（School of Mechatronic Engineering and Automation， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract: In order to solve the problem of debonding defects on bonding surface of copper-steel bimetallic casting workpieces， taking sliding bearings for wind turbine gearboxes as research objects， a simulation model for ultrasonic detection of the workpieces is established by using Comsol Multiphysics finite element software， and the numerical simulation is carried out to analyze the propagation characteristics of ultrasonic wave under different defect sizes. The relationship between amplitudes of defect wave and defect sizes is analyzed by contact ultrasonic test and water immersion ultrasonic test， and the defects are characterized quantitatively. The results show that the amplitude changes of both defect wave and bottom wave are in a linear relationship with defect sizes， C-scan imaging can detect the relative positions and defect sizes， and the simulation results are in good agreement with test results.

Keywords: sliding bearing；wind turbine bearing；debonding；numerical simulation；ultrasonic detection

作者简介：郑宽（1998—），男，硕士研究生，主要研究方向为轴承超声检测，E-mail：321679532@shu.edu.cn。

通讯作者：王文（1969—），男，研究员，研究方向为轴承技术，E-mail：mewwang@shu.edu.cn。

基金信息：校企合作资助项目（22H00730）；精密测试技术及仪器国家重点实验室开放基金资助项目（pilab2209）

中图分类号： TH133.31；TG115.28

文章编号：1000-3762（2024）09-0092-08

文献标识码： B

收稿日期：2023-12-12

修回日期：2024-02-19

出版日期：2024-09-05

网刊发布日期：2024-09-02

本文编辑：李畅

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