黄建明实战案例专栏 | 【案例31】超声波检测轴类零件过盈配合的回波分析

文章来源:微信公众号:航空无损检测
31 超声波检测轴类零件过盈配合的回波分析

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采用超声波检测轴类零件时,常常会遇到「过盈配合」回波的困扰。如火车、电车、以及各种齿轮箱轴的轴承套与轴的「过盈配合」,它的回波信号往往与真实的裂纹回波信号几乎在同一位置,或者底波外出现一个怪波,使人百思不得其解。



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实战案例专栏 /   案例31

用超声波检测轴类零件时,常常会遇到「过盈配合」回波的困扰。


如:火车、电车、以及各种齿轮箱轴的轴承套与轴的「过盈配合」,它的回波信号往往与真实的裂纹回波信号几乎在同一位置,或者底波外出现一个怪波,使人百思不得其解。(注意:我在此讲解的并不是波型转换的怪波


很难分辨这个问题一直困扰着探伤人员,在此我乐意与各位分享我的一些经验。


什么是 「过盈配合」 呢 ?


一般是指轴径略微大于轴承套(齿轮、轮辘等)的内径;或者轮内径小于轮轴轴径。


机械零件的「过盈配合」又称“静配合”(“Interference Fit”),是指轴的实际尺寸大于孔的实际尺寸,装配后具有一定的过盈量、两者之间没有相对运动的零件配合形式。


常见的过盈配合有以下几种:


一是滑动轴承(即衬套)与轴承孔的配合;


二是滚动轴承与轴颈的配合;


三是圆锥形与销孔的配合。


常见的过盈配合有以下几种装配方法:


1.将轴承(齿轮、轮辘)加热使其内径膨胀,然后快速地套上轴上,也称之为烘套法;(加热的方法有用油和电磁感应加热)。


2.在常温下直接用油压形式强行将轴压入。


3.既加温又强行将轴压入。


4.另一种是将轴(空芯轴)用液态氮(-196°C)冷缩后再将轴承套(齿轮、轮辘)套入。


为什么会有反射回波呢 ?


我们在检测轴类零件时,探头在轴的两个端面,从轴径小的位置向轴径大的方向扫查,如果没有裂纹的话,在台阶位置是没有反射回波的,这是众所周知的常识。(见图1)


(图1 当没有裂纹时是不会有反射回波的)


但是有「过盈配合」时超声的反射回波有常见两个特征


第一个特征,是在过盈配合的时候会出现反射回波,这也是过盈配合超声波检测中的,我称之为过盈配合的「界面回波」。(见图2)


(图 2 )

图2,3轴承套时无论是直探头或是斜探头都会有的「界面回波」


相反,如果看不到这回波,可以判断此轴承位在使用后已经「松懈」了或者紧配合的「收紧力度」已经不足。


有些重型传动机械是不容许有松懈的,这就可以利用它这个特征来作这方面的检测了。


第二个特征,是过盈配合时,超声波穿透轮轴至轮毂的端角回波,我称之为过盈配合的「穿透回波」。(见图3)


(图 3)

图2,3轴承套时无论是直探头或是斜探头都会有的「界面回波」


产生原因既有轴与套两种材料的声阻抗差异,也有界接口上的应力导致声速改变(影响声阻抗)所致,过盈配合在轴类探伤中是很常见的,如果探伤人员不了解这情况,就会造成误判。


(图 4、5、6)

无论是直探头或是斜探头都会有「穿透回波」

如何分辨「过盈配合」回波与真实的裂纹回波


第一种特征时它有两个特点


1.过盈配合「界面回波」引起的反射回波的声程略大于实际尺寸(1/100比例)、波脚较宽和波尖不会开叉;


2.反射回波出现分叉时表示有裂纹。(见图7)


(图 7 )

「过盈配合」 有裂纹时的反射回波会出现分交叉回波


第二种特征时比较好判断,只要校正好仪器的零位以及声程就可以判断了,这个「穿透回波」的声程都会大于你所预计的位置。


若台阶的端角靠得很近时可以用仪器扩展功能将两回波展开判断,也是容易判断的。


注意:如果不见以上「界面回波」和「穿透回波」时小心此处已经「松懈」,有可能由「过盈配合」变成了「间隙配合」。


3.俗话说:“不怕不识货就怕货比货”用对比的方法找出单一不同的回波,同一型号同样工作条件的工件,正常时理论上反射回波应该是一样的。


4.无论什么方法都一定要按1:1(或用比例)作图分析。并且尽可能用主声束对准欲扫查裂纹的位置,并留意出现不可解释的回波时小心分析下是否「波型转换」? (见图14)


(图 14 小心波型转换)


5.出现不可解释的回波时小心分析下是否重复脉冲频率(PRF)是否使用得太高出(1000Hz),当轴长度超过500mm以上时会产生“幻影回波”,只需要将重复脉冲频率(PRF)向下调整(500Hz)。真实裂纹是不会消失的。


6.若可以局部拆卸的情况下用横波斜探头从轴径方向扫查这个「过盈配合」的位置,可靠性大大提高。(见图15)


(图 15)

用横波斜探头从轴径方向扫查「过盈配合」的位置可靠性大大提高


7.另外仪器和探头的灵敏度、分辨率性能也必须达到最基本要求,需要用多种不同小角度的纵波和横波斜探头。


8.探伤人员也必须经过轴类零件检测培训和有相关的机械常识。


(图 8)

齿轮轴与齿轮时出现的反射回波略大于实际尺寸(315mm)

(图 9)

齿轮轴与齿轮时出现的反射回波略大于实际尺寸(315mm)

(图 10)

齿轮轴与齿轮时出现的反射回波略大于实际尺寸(415mm)

(图 11 有真实裂纹时的回波-左侧)

(图 12 有真实裂纹时的回波-右侧)

(图 13 拆卸后用渗透检测出裂纹来)


关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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