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一種滾柱軸承內(nèi)外滾道殘余應(yīng)力的超聲無損檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種滾柱軸承內(nèi)外滾道周向與軸向殘余應(yīng)力的超聲無損檢測方法，超聲縱波通過一次波形轉(zhuǎn)換在滾柱軸承內(nèi)外滾道中形成臨界折射縱波，測出臨界折射縱波在滾柱軸承內(nèi)外滾道中傳播的時間，由聲彈性理論便可計算出相應(yīng)的滾柱軸承內(nèi)外滾道的平均周向與軸向殘余應(yīng)力。而且通過改變超聲縱波的頻率還可以測出不同深度下的滾柱軸承內(nèi)外滾道的周向與軸向殘余應(yīng)力分布。該技術(shù)發(fā)明可以有效地解決快速便捷準(zhǔn)確地檢測滾動軸承內(nèi)外圈滾道的殘余應(yīng)力分布問題，非常適合軸承生產(chǎn)現(xiàn)場、維修維護現(xiàn)場廣泛使用，是一種在狹小空間內(nèi)檢測曲面構(gòu)件殘余應(yīng)力分布的新方法，具有非常廣泛的應(yīng)用。
【專利說明】一種滾柱軸承內(nèi)外滾道殘余應(yīng)力的超聲無損檢測方法
[0001]一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種滾柱軸承內(nèi)外滾道殘余應(yīng)力的超聲無損檢測方法，該方法利用超聲臨界折射縱波來檢測滾柱軸承內(nèi)外圈滾道內(nèi)一定深度的軸向和周向殘余應(yīng)力及其分布。
[0003]二、【背景技術(shù)】
[0004]軸承在加工過程中或者加工后的表面處理過程中，由于受到不均勻的應(yīng)力場、溫度場和組織變化等使得滾柱軸承內(nèi)外管道保留有一定的殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力對軸承的可靠性與壽命有很大的影響，特別是對軸承的抗腐蝕能力以及疲勞壽命影響很大。殘余應(yīng)力還會導(dǎo)致應(yīng)力集中進而形成軸承上的早期裂紋，影響軸承的使用壽命及使用安全，例如，高速動車的滾動軸承、航空飛機發(fā)動機上的滾動軸承、大型發(fā)電機、風(fēng)機等，由于承載載荷非常大，而且轉(zhuǎn)速高，軸承內(nèi)部的殘余應(yīng)力很可能會導(dǎo)致軸承的破損，從而引發(fā)非常嚴(yán)重的事故，造成極大的損失，因此軸承內(nèi)部殘余應(yīng)力的檢測十分重要。
[0005]現(xiàn)有的殘余應(yīng)力檢測方法主要是小孔法、X射線衍射法、電磁法、中子衍射法和超聲無損檢測方法，其中小孔法對對零件表面有破壞作用，只能用于抽檢，不能批量檢查；x射線對人體有傷害且其滲透深度小、中子衍射法對人體的傷害也很嚴(yán)重，不僅要求特殊保護環(huán)境，而且檢測設(shè)備復(fù)雜，無法用于軸承內(nèi)外滾到殘余應(yīng)力的檢測；電磁方法目前還不能定量檢測殘余應(yīng)力，而且受到被檢測部件剩磁程度的影響。
[0006]超聲無損檢測方法因其使用靈活方便、適合現(xiàn)場使用、對人體無害、可以量化檢測殘余應(yīng)力，因此，受到廣泛關(guān)注。本發(fā)明采用超聲臨界折射縱波來檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道的周向與軸向殘余應(yīng)力，可以無損地對滾柱軸承內(nèi)外滾道的周向與軸向殘余應(yīng)力進行快速批量檢測而且給出殘余應(yīng)力的分布，對于軸承內(nèi)外圈滾道的質(zhì)量檢測、疲勞壽命評估、生產(chǎn)質(zhì)量檢驗等都具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。
[0007]經(jīng)過查詢專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)和相關(guān)公開文獻，目前還沒有發(fā)現(xiàn)類似的采用超聲無損檢測方法檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道周向與軸向殘余應(yīng)力公開的論文、發(fā)明專利或?qū)Ｓ屑夹g(shù)。
[0008]三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種滾柱軸承內(nèi)外滾道周向與軸向殘余應(yīng)力的超聲無損檢測方法，解決了滾柱軸承內(nèi)外滾道周向與軸向殘余應(yīng)力分布的快速無損批量檢測問題，而且方法具有可重復(fù)性。
[0010]本發(fā)明是依據(jù)Snell定律在滾柱軸承內(nèi)外滾道表面激發(fā)臨界折射縱波來檢測滾道內(nèi)軸向和周向殘余應(yīng)力的。針對不同類型的滾柱軸承內(nèi)外滾道形狀和材料設(shè)計不同的聲束角度的聲楔塊，在聲楔塊的兩端安裝某一頻率的超聲換能器，通過兩個超聲換能器激發(fā)與接收超聲波的時間差得出滾柱軸承內(nèi)外滾道上臨界折射縱波傳播的時間，由聲彈性理論得出滾柱軸承內(nèi)外滾道表層內(nèi)的平均周向或軸向殘余應(yīng)力。通過改變超聲波頻率，可以檢測出滾柱軸承內(nèi)外滾道表層不同深度的平均周向與軸向殘余應(yīng)力。由重復(fù)檢測可以對結(jié)果的精確性進行分析。
[0011]四、【專利附圖】

【附圖說明】[0012]圖1是圓柱滾子軸承剖面圖；
[0013]圖2是圓柱滾子軸承內(nèi)滾道軸向殘余應(yīng)力檢測的原理示意圖(剖面圖)；
[0014]圖3是圓柱滾子軸承外滾道軸向殘余應(yīng)力檢測的原理示意圖(剖面圖)；
[0015]圖4是圓柱滾子軸承內(nèi)滾道周向殘余應(yīng)力檢測的原理示意圖(剖面圖)；
[0016]圖5是圓柱滾子軸承外滾道周向殘余應(yīng)力檢測的原理示意圖(剖面圖)。
[0017]附圖標(biāo)記說明如下:
[0018]圖1:圓柱滾子軸承外圈1、圓柱滾子2、圓柱滾子軸承內(nèi)圈3
[0019]圖2:圓柱滾子軸承外圈1、超聲換能器4、聲楔塊5
[0020]圖3:圓柱滾子軸承內(nèi)圈3、超聲換能器4、聲楔塊5
[0021]圖4:圓柱滾子軸承外圈1、超聲換能器4、聲楔塊5
[0022]圖5:圓柱滾子軸承內(nèi)圈3、超聲換能器4、聲楔塊5
[0023]五、【具體實施方式】
[0024]下面對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細(xì)說明:
[0025]這里以圓柱滾子軸承為例來對超聲無損檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道殘余應(yīng)力的方法進行說明。由圖1可知，圓柱滾子軸承主要由圓柱滾子軸承外圈1、圓柱滾子2和圓柱滾子軸承內(nèi)圈3組成，其中圓柱滾子軸承外圈I有內(nèi)滾道，圓柱滾子軸承內(nèi)圈3由外滾道。此方法既可以檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道的周向殘余應(yīng)力，也可以檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道的軸向殘余應(yīng)力。
[0026]1.聲楔塊5的制作原理
[0027]根據(jù)圖2、圖3、圖4、圖5可知，對于滾柱軸承內(nèi)外滾道軸向殘余應(yīng)力與周向殘余應(yīng)力檢測的聲楔塊5的設(shè)計要使超聲波在滾柱軸承內(nèi)外滾道中傳播時為臨界折射縱波。根據(jù)Snell定律，要在滾柱軸承內(nèi)外滾道中激發(fā)出超聲臨界折射縱波，需經(jīng)過一次波形轉(zhuǎn)換，當(dāng)超聲換能器4激發(fā)出超聲信號后，通過耦合劑可以在聲楔塊5與滾柱軸承內(nèi)外滾道處發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。
[0028]由圖2、圖3知，對于滾柱軸承內(nèi)外滾道軸向殘余應(yīng)力檢測，臨界折射縱波入射角度的計算公式如下:
[0029]Θ cr = arcsin (V0.V1-1)
[0030]由圖4、圖5知，對于滾柱軸承內(nèi)外滾道周向殘余應(yīng)力檢測，臨界折射縱波入射波與豎直線夾角的計算公式如下:
[0031]Θ = arcsin (V0.V1-1) 土arcsin (L.D-1)
[0032]其中，滾柱軸承內(nèi)滾道取滾柱軸承外滾道取“ + ” ；
[0033]Θ 為臨界折射縱波入射角度(° )，Θ為臨界折射縱波入射波與豎直線的夾角(。);
[0034]V0, V1分別為聲楔塊5中的超聲縱波聲速(m/s)，滾柱軸承內(nèi)外滾道中的超聲縱波聲速(m/s)；
[0035]L為臨界折射縱波入射點與出射點的距離(m)，D為滾柱軸承內(nèi)外滾道的直徑(m)。
[0036]根據(jù)上述兩式，測出Vtl和V1，便可以得到滾柱軸承內(nèi)外滾道軸向殘余應(yīng)力檢測的臨界折射縱波入射角度，再測出L和D的值，便可得到滾柱軸承內(nèi)外滾道周向殘余應(yīng)力檢測的臨界折射縱波入射波與豎直線的夾角。[0037]由圖2、圖3、圖4、圖5可以看出，聲楔塊5的設(shè)計不僅要有合適的超聲波入射角，還要使其下表面做的與不同類型滾柱軸承外圈內(nèi)滾道的曲面相吻合。而且對于同一軸承，其周向殘余應(yīng)力與軸向殘余應(yīng)力檢測的聲楔塊5的設(shè)計一般不同，尤其是聲楔塊5的下表面。
[0038]2.滾柱軸承內(nèi)外滾道周向殘余應(yīng)力與軸向殘余應(yīng)力檢測原理
[0039]由聲彈性理論可知:超聲波在各向同性彈性介質(zhì)中傳播時，當(dāng)波動質(zhì)點的偏振方向與殘余應(yīng)力方向一致或相反時，超聲波波速改變量與殘余應(yīng)力變化量成線性關(guān)系。因此，可以利用超聲臨界折射縱波檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道周向與軸向的殘余應(yīng)力。
[0040]對于滾柱軸承內(nèi)外滾道軸向殘余應(yīng)力檢測，其軸向殘余應(yīng)力求解公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種滾柱軸承內(nèi)外滾道殘余應(yīng)力的超聲無損檢測的方法，其特征在于:針對不同類型滾柱軸承的內(nèi)外滾道，設(shè)計不同聲束角度的聲楔塊，將某一頻率的超聲換能器安裝在聲楔塊的兩端，其中一個超聲換能器用來激發(fā)超聲波，另一個用來接收超聲波，通過發(fā)射與接受超聲波的時間差得出滾柱軸承內(nèi)外滾道上臨界折射縱波傳播的時間，便可以根據(jù)聲彈性理論計算出滾柱軸承內(nèi)外滾道的平均殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不同類型滾柱軸承的內(nèi)外滾道，其特征在于:主要可以分為圓錐滾子軸承的內(nèi)外滾道、圓柱滾子軸承的內(nèi)外滾道等類型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的殘余應(yīng)力，其特征在于:既可以是滾柱軸承內(nèi)外滾道的周向殘余應(yīng)力，也可以是滾柱軸承內(nèi)外滾道的軸向殘余應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:其設(shè)計要遵照Snell定律，調(diào)整楔塊中入射波的角度，使得入射波經(jīng)過耦合劑進行波形轉(zhuǎn)換進入滾柱軸承內(nèi)外滾道時為臨界折射縱波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:在設(shè)計時需要與滾柱軸承內(nèi)外滾道有較好的耦合，故楔塊底面要做成與滾柱軸承內(nèi)外滾道相吻合的曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:聲楔塊的制作材料有很多種，可以是有機玻璃、銅等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波，其特征在于:可以通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率，可以檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道不同深度的殘余應(yīng)力的大小與分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的兩個超聲換能器，其特征在于:通過改變兩超聲換能器的位置便可以檢測滾柱軸承內(nèi)外滾道不同長度下的殘余應(yīng)力的大小與分布。
【文檔編號】G01N29/07GK103808805SQ201410090615
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】徐春廣, 李煥新, 李驍, 宋文濤, 靳鑫 申請人:北京理工大學(xué)