一种旋转轴表面裂纹在线检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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】
[0002] 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W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。
[0003] 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W实现裂纹的快速、远距 离、非接触高效率检测。
【发明内容】
[0004] 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W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。
[0005] 为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
[0006] 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、轴向空气禪合接收探头、周向空气禪合 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；
[0007] 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;
[0008] 所述周向空气禪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丄曰，所述周向空气禪合接收探头与法线b的夹角为α，其中，
式中，Cgu为超声波在空气中的传播速度，为超声波在轴中的传播速度；
[0009] 所述轴向空气禪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屯、的线上；定义测量点二处的被 检测轴表面法线为C，所述轴向空气禪合接收探头与法线C的夹角也为α;
[0010] 所述周向位置编码器与所述周向空气禪合接收探头相连，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禪合接收探头相连，用于确定测量 点二的随时间变化的位置。
[0011] 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，所述周向空气禪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；所述轴向空气禪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。
[0012] 优选的，所述周向空气禪合接收探头和轴向空气禪合接收探头距离被检测轴表面 的距离为10~20mm。
[0013] 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W下步骤：
[0014] 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
[0015]
[0016] 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；
[0017] 式中，t。为每次发射激光的时间间隔，η为激光入射点的个数，Vit为被检测轴旋转 速度，其单位为r/min;R为被检测轴的半径，1为被检测轴周向相邻激光入射点之间的弧 长；
[0018] 步骤二、所述周向空气禪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；
[0019] 步骤Ξ、所述轴向空气禪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；
[0020] 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W- 定间隔沿轴向移至下一检测位置，进行步骤二和步骤Ξ所述的检测；
[0021] 步骤五、计算机接收到每一时刻的超声信号W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W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Ξ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。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0023] 本发明运用激光激发超声波，可W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W实现轴在运转过程中 就可W在线检测到轴类表面的裂纹；通过控制扫描模块W及空气禪合接收探头的移动，可 W快速的实现整条轴系的裂纹检测。
[0024] 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】
[00巧]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；
[0026] 图2为图1实施例中激光扫描单元和周向空气禪合探头的位置示意图；
[0027] 图3为图1实施例中激光扫描单元和轴向空气禪合探头的位置示意图；
[0028] 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-周向空气禪合探头，6-轴向空气禪合探头，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】
[0029] 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，运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。
[0030] 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、轴向空气禪合接收探 头6、周向空气禪合接收探头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；
[0031] 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;
[0032] 如图2所示，周向空气禪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丄曰，周向空气禪合接收探头与法线b的夹角为α，其中，
式中，Cgu为超声波在空气中的传播速度，为超声波在轴中的传播速度；
[003引如图3所示，轴向空气禪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屯、的线上，定义测量点二处的 被检测轴表面法线