葛 蓁

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430200)

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拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承無損檢測設(shè)計

葛 蓁

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430200)

依據(jù)多頻渦流檢測原理，提出了一種新的基于調(diào)頻渦流的混合陶瓷球軸承無損檢測方法。該方法采用單個檢測通道和三角波調(diào)制信號，可以實現(xiàn)不同深度缺陷的檢測和得到幅值線性變化的調(diào)制信號，使用自比式探頭作為傳感器，有效地抑制了溫度漂移和探頭振動產(chǎn)生的誤差，提高了檢測的效率和精度。建立了拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承渦流無損檢測仿真模型，并利用有限元軟件對不同缺陷尺寸的拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承進行了缺陷尺寸識別的仿真模擬計算，搭建了多頻渦流無損檢測系統(tǒng)實驗平臺，將實驗測得的缺陷尺寸結(jié)果和仿真模擬計算進行了對比，驗證了仿真和實驗結(jié)果的一致性，進而說明了多頻渦流檢測在拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承實際生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性。

多頻渦流；渦輪增壓器；混合陶瓷球軸承；無損檢測；自比探頭；拖拉機

0 引言

混合陶瓷球是一種體內(nèi)具有大量彼此相通或閉合氣孔的人工合成陶瓷材料，具有耐熱性高、機械強度好、化學(xué)性能穩(wěn)定和易于再生等很多優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用在電子、能源、環(huán)保和化工等領(lǐng)域，并被用作敏感元件、吸聲材料和人工骨骼等。隨著陶瓷使用范圍的不斷增加，拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承制作材料由普通的粘土發(fā)展到了耐高溫、耐腐蝕、耐熱和耐沖擊性的材質(zhì)。由于設(shè)計需求不同，對拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的性能要求也有所不同，因此也需要不同的制備工藝；而制造出來的拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承種類也很多，但對于拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的質(zhì)量檢測仍然存在很多待解決的問題。渦流檢測是一種無損檢測新技術(shù)，其采用渦流作為激勵，具有成本低、非接觸檢測和對材料表面缺陷靈敏度高等優(yōu)點，加上其抗干擾能力強和被測對象參考檢測點多等特性，非常適合拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的檢測。

1 混合陶瓷球軸承無損檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實現(xiàn)拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測，搭建了檢測系統(tǒng)的硬件平臺。該平臺主要由5部分組成，其中包括多頻渦流發(fā)生器、探頭模塊、信號處理模塊、RMS/DC轉(zhuǎn)換器和FM解調(diào)器，總體框圖如圖1所示。

圖1 拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承結(jié)構(gòu) 缺陷無損檢測系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of nondestructive testing system for porous ceramic structure intractor changer

本次檢測的主要對象是拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承試件表面的空隙和裂紋缺陷，而使用自比式探頭對空隙突變和裂紋缺陷更加敏感，且抑制了溫度變化和探頭顫動給檢測帶來的影響，因此選用自比式探頭，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，兩個檢測線圈為差動的形式，線圈采用圓柱結(jié)構(gòu)，直徑和線圈參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計需要進行設(shè)計，外部采用漆包線的形式，信號的調(diào)制采用三角波發(fā)生器。三角波和正弦波的轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。

三角波和正弦波的轉(zhuǎn)換原理主要是由限幅電路實現(xiàn)的，該電路由三角波幅值控制的可變分壓器控制，當(dāng)三角波的瞬時電壓非常小時，電路的輸出斜率和三角波的斜率相同。

圖2 自差分渦流探頭示意圖Fig.2 Schematic diagram of differential eEddy current probe

圖3 正弦波轉(zhuǎn)換原理圖Fig.3 The principle diagram of sime wave conversion

2 信號發(fā)生器和渦流檢測的數(shù)學(xué)模型

本設(shè)計中，信號的調(diào)頻主要由兩個子系統(tǒng)組成，包括信號調(diào)制系統(tǒng)和信號發(fā)生系統(tǒng)。信號調(diào)制主要利用Max038實現(xiàn)，三角波信號的發(fā)生主要由ICL8038完成。Max038價格適中，是一款比較精密的高頻波發(fā)生器，可以發(fā)出三角波、正弦波和脈沖波等一系列波形。Max038的基本振蕩器是1個張弛振蕩器，其工作原理和一般的信號發(fā)生器類似，其COSC的外接引腳接CF，電流的充放主要是由IIN控制，但是會受到FADJ引腳的影響。IIN引腳電流的變化范圍為1～780μA，電流的變化可以引起頻率的變化，頻率的變化范圍可以達到0～380倍，作為粗調(diào)頻使用。FADJ引腳電壓在±2.4V之間變動，可以起到頻率微調(diào)的作用。

當(dāng)VFADJ=0時，調(diào)頻信號發(fā)生器輸出的頻率為

(1)

其中，IIN表示引腳電流值；CF表示外接電容的值。電流值是由芯片的基準電壓VREF加到電阻RIN上產(chǎn)生的，輸出頻率的表達式為

(2)

該頻率變化范圍可以達到380倍，因此可以實現(xiàn)不同類型陶瓷工件的結(jié)構(gòu)缺陷檢測，中心頻率可以由RIN和CF設(shè)定，頻率的調(diào)制主要靠FADJ引腳電壓實現(xiàn)，兩者的關(guān)系為

Fy=F0(1-0.2915VFADJ)

(3)

其中，F(xiàn)y表示輸出頻率；F0表示中心頻率。三角波由芯片ICL8038產(chǎn)生，三角波的線性失真率和溫度漂移都較低，其外部電路如圖4所示。

圖4 外接電路原理圖Fig.4 External circuit diagram

圖4中，外接的電容是C17，其充電和放電的電流和R8與R9上的電流相等。當(dāng)ICL8038上7和8引腳進行短接時，4和5引腳上的電平和7處的電平相等，R8上的電流大小為

I1=R1(V+-V-)/[(R1+R2)(R8+2R′)]

(4)

其中，R1=12kΩ，R2=40kΩ是芯片上的固定電阻。改變電流值需要改變外部電阻，對V+和V-進行分壓，R′表示電位器的組織，三角波上升時間為

(5)

當(dāng)R8與R9相等時，三角波是對稱的，其周期為上升或者下降沿的兩倍，其頻率可以表示為

f=0.33/(R+2R′)C

(6)

其中，R的阻值是固定值，為外接電容，其阻值可以按照需要設(shè)置，三角波的頻率變化為0.1～8Hz。被測導(dǎo)體可以簡化為一個渦流計算環(huán)，于是電渦流傳感器被簡化為激勵線圈-渦流計算系統(tǒng)，由等效電路可得到其微分方程為

(7)

其中，Ra和L1分別表示線圈電阻和電感；Rb和L2分別表示渦流計算環(huán)的電阻和電感。激勵電源線圈的瞬時功率為

(8)

其中，WB表示磁場能量，則

(9)

其中，M表示互感阻抗值。假設(shè)頻率為w，由等效電路可以得到空心變壓的復(fù)數(shù)形式為

(10)

通過解方程，可以得到入端的阻抗為

(11)

于是，電渦流傳感器的線圈阻抗表達式為

(12)

其中，Ra和L1表示M=0時線圈的電阻和電感值；Rb和L2表示渦流計算環(huán)的電阻和電感值。在進行測試時，根據(jù)電感的變化，可以測試拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的缺陷和孔隙的質(zhì)量，實現(xiàn)拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的在線無損檢測。

3 仿真和實驗研究

建立三維渦流場的分析模型從理論上是可行的，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，而被檢測物體和檢測線圈的電壓對應(yīng)關(guān)系同被檢測物體的表面聯(lián)系不大，因此可以將模型進行簡化。為此，將線圈正面對應(yīng)一個足夠大的圓盤狀導(dǎo)體，通過改變電磁物理場的模型參數(shù)，如改變磁場強度和電導(dǎo)率等，實現(xiàn)對缺陷的仿真模擬，其仿真模型如圖5所示。

圖5表示脈沖渦流虛擬仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，其實質(zhì)就是利用霍爾傳感器上測得的信號來表達拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)缺陷。通過仿真模擬可以得到信號和缺陷尺寸之間的關(guān)系，實現(xiàn)脈沖渦流無損檢測過程。仿真過程使用的參數(shù)如表1所示。

圖5 無損檢測系統(tǒng)虛擬仿真模型Fig.5 Virtual simulation model of nondestructive testing system表1 仿真模型參數(shù)Table 1 Simulation model parameters

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值線圈內(nèi)徑/mm18傳感器長寬/mm6×6金屬電導(dǎo)率/cond18.5e8×(1+c)線圈外徑/mm28相對磁導(dǎo)率μ1缺陷尺寸/mm0～6

表1中，主要包括線圈的內(nèi)外徑、傳感器長度、相對磁導(dǎo)率、金屬電導(dǎo)率和缺陷尺寸等，對模型進行網(wǎng)格劃分后可以進行迭代計算，其細化后網(wǎng)格如圖6(a)所示。

(a) 細化網(wǎng)格 (b) 計算結(jié)果圖6 有限元網(wǎng)格和計算結(jié)果Fig.6 Finite element mesh and computational results

通過劃分網(wǎng)格和迭代計算，可以得到圖6(b)所示的計算結(jié)果。由計算結(jié)果，可以得到仿真模擬后的缺陷尺寸。

對多頻渦流無損檢測系統(tǒng)進行了實驗測試，實驗工件為一塊280mm×80mm×8mm(長×寬×厚)的拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承片，在工件上設(shè)計了不同的缺陷尺寸，主要是長度分別為1.10、1.15、1.20、1.25mm的裂紋，信號的采集過程如圖7所示。

圖7 檢測信號波形采集Fig.7 Signal waveform acquisition

采集的波形后續(xù)還需要進行濾波操作，在實驗中樣本采集點設(shè)置為8 000個，采樣周期為8個，采樣頻率為80 000Hz，對得到的實驗數(shù)據(jù)進行了擬合處理，擬合前后結(jié)果如表2所示。

表2 曲線擬合誤差分析Table 2 Curve fitting error analysis

由表2可以看出：擬合前后的絕對誤差都小于1%，誤差的范圍在允許的范圍內(nèi)。這說明通過實驗得到了理論的結(jié)果。

表3表示仿真模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的誤差分析。由分析結(jié)果可以看出：實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的誤差基本在允許范圍內(nèi)，從而驗證了渦流檢測系統(tǒng)的和有限元仿真的一致性，驗證了渦流檢測在實際生產(chǎn)中的可行性。對于同一試塊，仿真與實驗得出的結(jié)果隨著缺陷尺寸的不同而不同，對于誤差較大的實驗組，可以采用峰值電壓進行補償。

表3 實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的誤差分析Table 3 Error analysis of experimental data and simulation data

4 結(jié)論

設(shè)計了新型基于三角波信號調(diào)制和渦流檢測模型的拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承無損檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單信道和自比探頭，有效地提高了檢測的效率和精度，建立了拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承無損檢測的有限元虛擬仿真模型，并搭建了實驗平臺。對仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行了對比分析表明：實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的誤差基本在允許范圍內(nèi)，從而驗證了多頻渦流在拖拉機渦輪增壓器中混合陶瓷球軸承質(zhì)量檢測實際生產(chǎn)中的可行性。

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Non-destructive Test Design of Hybrid Ceramic Ball Bearing in Tractor Turbocharger

Ge Zhen

(School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China)

Based on the testing principle of multi frequency eddy current,it put forward a new hybrid ceramic ball bearing based on frequency modulated eddy current nondestructive detection method, which uses a single detection channel and triangle wave modulation signal to realize detection of defects in different depth and get a linear amplitude modulated signal.By using self than the probe as a sensor, it effectively inhibited the temperature drift and vibration probe error, which improved the detection efficiency and accuracy.It established tractor turbine supercharger mixed by ceramic ball bearing eddy current nondestructive testing simulation model. It used the finite element software of different defect size tractor turbo is mixed ceramic ball bearing the defect size identification simulation, built the multi frequency eddy current nondestructive detection system experimental platform, the simulation results are compared for the experimentally measured defect size and the simulation results, verify the consistency of the simulation and experimental results, so that the multi frequency eddy current testing in tractor turbocharger mixed ceramic ball bearings in actual production application feasibility.

multi frequency eddy current; turbocharger; hybrid ceramic ball bearings; nondestructive testing; self specific probe; tractor

2016-01-16

現(xiàn)代物流與商務(wù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心項目(2011A20131 3)； 武漢工商學(xué)院科學(xué)研究項目(A2015005)

葛 蓁(1983-)，女，河南商城人，講師，碩士，(E-mail)gezhen1983@sina.cn。

TH133.3；S219

A

1003-188X(2017)03-0150-05