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一種滾柱軸承內外滾道殘余應力的超聲無損檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種滾柱軸承內外滾道周向與軸向殘余應力的超聲無損檢測方法，超聲縱波通過一次波形轉換在滾柱軸承內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外滾道中傳播的時間，由聲彈性理論便可計算出相應的滾柱軸承內外滾道的平均周向與軸向殘余應力。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外滾道的周向與軸向殘余應力分布。該技術發明可以有效地解決快速便捷準確地檢測滾動軸承內外圈滾道的殘余應力分布問題，非常適合軸承生產現場、維修維護現場廣泛使用，是一種在狹小空間內檢測曲面構件殘余應力分布的新方法，具有非常廣泛的應用。
【專利說明】一種滾柱軸承內外滾道殘余應力的超聲無損檢測方法
[0001]一、【技術領域】
[0002]本發明涉及一種滾柱軸承內外滾道殘余應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外圈滾道內一定深度的軸向和周向殘余應力及其分布。
[0003]二、【背景技術】
[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力場、溫度場和組織變化等使得滾柱軸承內外管道保留有一定的殘余應力，這種殘余應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。殘余應力還會導致應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、航空飛機發動機上的滾動軸承、大型發電機、風機等，由于承載載荷非常大，而且轉速高，軸承內部的殘余應力很可能會導致軸承的破損，從而引發非常嚴重的事故，造成極大的損失，因此軸承內部殘余應力的檢測十分重要。
[0005]現有的殘余應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重，不僅要求特殊保護環境，而且檢測設備復雜，無法用于軸承內外滾到殘余應力的檢測；電磁方法目前還不能定量檢測殘余應力，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、適合現場使用、對人體無害、可以量化檢測殘余應力，因此，受到廣泛關注。本發明采用超聲臨界折射縱波來檢測滾柱軸承內外滾道的周向與軸向殘余應力，可以無損地對滾柱軸承內外滾道的周向與軸向殘余應力進行快速批量檢測而且給出殘余應力的分布，對于軸承內外圈滾道的質量檢測、疲勞壽命評估、生產質量檢驗等都具有非常重要的理論和現實意義。
[0007]經過查詢專利檢索與服務系統和相關公開文獻，目前還沒有發現類似的采用超聲無損檢測方法檢測滾柱軸承內外滾道周向與軸向殘余應力公開的論文、發明專利或專有技術。
[0008]三、
【發明內容】

[0009]本發明的目的是提供一種滾柱軸承內外滾道周向與軸向殘余應力的超聲無損檢測方法，解決了滾柱軸承內外滾道周向與軸向殘余應力分布的快速無損批量檢測問題，而且方法具有可重復性。
[0010]本發明是依據Snell定律在滾柱軸承內外滾道表面激發臨界折射縱波來檢測滾道內軸向和周向殘余應力的。針對不同類型的滾柱軸承內外滾道形狀和材料設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與接收超聲波的時間差得出滾柱軸承內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外滾道表層內的平均周向或軸向殘余應力。通過改變超聲波頻率，可以檢測出滾柱軸承內外滾道表層不同深度的平均周向與軸向殘余應力。由重復檢測可以對結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是圓柱滾子軸承內滾道軸向殘余應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力檢測的原理示意圖(剖面圖)；
[0015]圖4是圓柱滾子軸承內滾道周向殘余應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力檢測的原理示意圖(剖面圖)。
[0017]附圖標記說明如下:
[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]下面對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明:
[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外滾道殘余應力的方法進行說明。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和圓柱滾子軸承內圈3組成，其中圓柱滾子軸承外圈I有內滾道，圓柱滾子軸承內圈3由外滾道。此方法既可以檢測滾柱軸承內外滾道的周向殘余應力，也可以檢測滾柱軸承內外滾道的軸向殘余應力。
[0026]1.聲楔塊5的制作原理
[0027]根據圖2、圖3、圖4、圖5可知，對于滾柱軸承內外滾道軸向殘余應力與周向殘余應力檢測的聲楔塊5的設計要使超聲波在滾柱軸承內外滾道中傳播時為臨界折射縱波。根據Snell定律，要在滾柱軸承內外滾道中激發出超聲臨界折射縱波，需經過一次波形轉換，當超聲換能器4激發出超聲信號后，通過耦合劑可以在聲楔塊5與滾柱軸承內外滾道處發生波形轉換。
[0028]由圖2、圖3知，對于滾柱軸承內外滾道軸向殘余應力檢測，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，對于滾柱軸承內外滾道周向殘余應力檢測，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為滾柱軸承內外滾道的直徑(m)。
[0036]根據上述兩式，測出Vtl和V1，便可以得到滾柱軸承內外滾道軸向殘余應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外滾道周向殘余應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滾道的曲面相吻合。而且對于同一軸承，其周向殘余應力與軸向殘余應力檢測的聲楔塊5的設計一般不同，尤其是聲楔塊5的下表面。
[0038]2.滾柱軸承內外滾道周向殘余應力與軸向殘余應力檢測原理
[0039]由聲彈性理論可知:超聲波在各向同性彈性介質中傳播時，當波動質點的偏振方向與殘余應力方向一致或相反時，超聲波波速改變量與殘余應力變化量成線性關系。因此，可以利用超聲臨界折射縱波檢測滾柱軸承內外滾道周向與軸向的殘余應力。
[0040]對于滾柱軸承內外滾道軸向殘余應力檢測，其軸向殘余應力求解公式如下:
【權利要求】
1.一種滾柱軸承內外滾道殘余應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外滾道，設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超聲波，另一個用來接收超聲波，通過發射與接受超聲波的時間差得出滾柱軸承內外滾道上臨界折射縱波傳播的時間，便可以根據聲彈性理論計算出滾柱軸承內外滾道的平均殘余應力。
2.根據權利要求1所述的不同類型滾柱軸承的內外滾道，其特征在于:主要可以分為圓錐滾子軸承的內外滾道、圓柱滾子軸承的內外滾道等類型。
3.根據權利要求1所述的殘余應力，其特征在于:既可以是滾柱軸承內外滾道的周向殘余應力，也可以是滾柱軸承內外滾道的軸向殘余應力。
4.根據權利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:其設計要遵照Snell定律，調整楔塊中入射波的角度，使得入射波經過耦合劑進行波形轉換進入滾柱軸承內外滾道時為臨界折射縱波。
5.根據權利要求1所述的聲楔塊，其特征在于:在設計時需要與滾柱軸承內外滾道有較好的耦合，故楔塊底面要做成與滾柱軸承內外滾道相吻合的曲面。
6.根據權利要求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.根據權利要求1所述的超聲波，其特征在于:可以通過調節超聲波的頻率，可以檢測滾柱軸承內外滾道不同深度的殘余應力的大小與分布。
8.根據權利要求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外滾道不同長度下的殘余應力的大小與分布。
【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 優先權日:2014年3月12日
【發明者】徐春廣, 李煥新, 李驍, 宋文濤, 靳鑫 申請人:北京理工大學