工艺与检测Ｔｅｃｈｎ０Ｉｏｇｙ ａｎｄ Ｔｅｓｔ 声发射技术在疲劳裂纹检测中的应用 骆志高 李举王 祥 （江苏大学机械工程学院，江苏镇江２１２０１３） 摘要：主要讨论了声发射技术应用于疲劳裂纹的检测。根据疲劳裂纹的信号特征及测试场合，选用合适的 疲劳裂纹检测方法，结合板簧疲劳裂纹试验机上的实验分析，得出声发射技术应用于疲劳裂纹检测 的优势。 关键词：声发射技术疲劳裂纹裂纹扩展构件寿命 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＥ ｏｎ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｒａｃｋ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ＬＵＯ Ｚｈｉｇａｏ，ＬＩ Ｊｕ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，ＣＨＮ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＥ（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ Ｉ ｃｈｏｏｓｅ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｉｃｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｅｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｗｅ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＥ ｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＥ；Ｆａｔｉｇｕｅ Ｃｒａｃｋ；Ｃｒａｃｋ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ；Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｌｉｆｅ 金属结构的失效形式里，疲劳断裂是一种主要形 式，约占失效结构的９０％以上。疲劳断裂是由于金属 低的弯曲波在频率范围、波速、频率特征等方面都不 同，因而可以通过波形分析的方法，根据波速和扩展波 结构在循环载荷的作用下，由于各种原因（如应力集 到达传感器的时问以及零件结构特征便可以计算出零 件中疲劳裂纹的距离、位置。 中等）引起疲劳强度降低而产生裂纹，最终由裂纹的 扩展而导致结构失效。声发射技术作为一种无损检测 方法，可以通过声发射检测系统，及早地判断出裂纹的 萌生位置及扩展情况。声发射参数的相关曲线直接表 征了裂纹的萌生及扩展过程，曲线的拐点或突变点直 接对应曲线的特征点及裂纹发展的三个阶段，相应的 载荷及应力值即对应极限载荷等强度参数，因而可直 接了解和有效掌握部件的强度情况，结合断裂力学计 图１声发射信号的典型波形 算，还可以预测构件的疲劳寿命。 １ 疲劳裂纹的信号特征 ． ．从声发射源发出的声发射信号以弹性波的形式向 四周传播，典型波型如图１所示。由于扩展损失使声 波衰减，频率越高衰减越严重；同时声发射波碰到界面 时会被反射，反射时会产生波形变换，因此，实际到达 传感器的声发射波实际上是经过多次发射和不同模态 的波经过叠加而形成的复杂波形。 ２ 疲劳裂纹的信号分析 疲劳裂纹的信号可以通过参数分析的方法提取波 形特征，对裂纹的扩展过程进行预测。 常用的波形分析参数主要有振铃数、幅值、上升时 间、持续时间和相对能量，其特征含义如图２所示。 根据文献［１］声发射参数（振铃率）与疲劳裂纹扩 展速度相互关系的数学模型为 １ ． 旦 疲劳裂纹产生的弹性波具有较大高频分量的扩展 ｄ：ｃｆ ｎ ＼Ｂ ｄｎ， １ ｆ １） 波分量，其与背景噪声和零件塑性变形产生的频率较 １３４・ 式中：ａ表示裂缝长度；ｎ为疲劳循环的周期数；Ｃ和ｍ ・Ｔｅｃｈｎ０１０ｇｙ ａｎｄ Ｔｅｓｆ工艺与检测 是随材料性质而定的常量； 表示振铃数； 与ｐ为根 据材料特性而定的常量。根据式（１）可以对零件结构 的完整性进行预测、评价。 声重叠，不易分离，因此用较高的通频带来检测声发射 信号。在参考国内外同类检测仪的基础上，设计了一 种多通道声发射监控仪（图３），用来对板簧的疲劳裂 图２声发射信号参数 ３ 声发射技术检测疲劳裂纹的方法 声发射检测疲劳裂纹的主要方法有两种：连续法、一ｌ一一一ｌ一一一 问歇法。 连续监视法是指在疲劳试验中用声发射连续监视 整个疲劳断裂过程。在监视中为了排除噪声干扰，除 了应用空间滤波的方法外，在声发射仪器上还有一种 专门应用于疲劳试验声发射采集的电压控制技术。这 种技术可以有效地屏蔽裂纹闭合噪声，而仅采集高载 荷下的裂纹扩展信号。 一通谓一一总 一 间歇式监视法是基于疲劳试验的噪声分量大，用 声发射连续监视法会带来数据量大、检测时间长等技 术难题的基础上发展出来的，其基本原理是利用声发 射的不可逆效应。也就是试样在静力试验中，如果裂 纹尖端的应力强度因子与前一次的一样，就不会有新 的声发射产生。结合同等材料试样的断裂韧性试验结 誉 果及试样的疲劳试验结果，并运用断裂力学相关理论， 还可以对构件的疲劳寿命进行预测。 ４ 汽车板簧的疲劳裂纹检测 汽车及各种车辆的板簧在使用一段时间后，都会 对其进行产品质量的检验和寿命试验，以确保板簧的 使用安全。以前，对板簧的检测一般采取人工目测的 方法进行，但由于人工目测需要劳动工人连续进行几 十小时不问断的检测，不但劳动强度太大，而且由于连 续工作时间太长，工人思想会麻痹，有时不能在第一时 间发现裂纹、记录断裂时刻及疲劳循环次数，严重影响 实验的准确性，给质量评估带来很大误差。 单个声发射事件的持续时间很短，频带很宽。高 频成分穿过物体时衰减严重，而低频成分又与机械噪 茎 纹进行检测。 独立通道 控制器 独立通道 控制器 竺兰 苎兰苎查竺Ｈ独立通道 兰 兰 图３计算机控制式多通道系统 使用该声发射仪记录疲劳裂纹萌生和扩展过程中 产生的声发射信号，然后重构采样信号，在使用较高的 通频带和用较大的阈值水平滤除背景噪声的基础上， 再使用小波分析的方法进一步滤除背景噪声和弯曲波 信号的分量，突出表征裂纹的扩展波分量，同时有效抑 制其它信号的影响。 板簧检测系统如图４所示，在板簧疲劳试验机上 进行了实际验证，取得了良好的结果。检测系统可以 处理环境干扰的影响，而且整机系统运行可靠，检测、 诊断的成功率达到９０％以上。 声发射传感器 支承面 图４板簧疲劳损伤检测系统 ５ 结语 运用声发射检测技术对采集到的声发射信号的波 形进行分析，进而提取反映裂纹特征状态的声发射参 数，是实现零件疲劳裂纹状态检测的一种切实可行的 方法。运用声发射技术所具有的高响应速度和高敏感 程度等特性，能在构件或板材的早期发现其内部细小 缺陷，在辨别和确定裂纹扩展故障的变化方面有着不 可比拟的优势。 参考文献 １ 李耀东，黄成祥，侯力等．疲劳裂纹的声发射信号检测技术．自动化 澳Ｉ试．２００４（６）：５０４～５０６ 一５・ 工艺与检测Ｔｅｃｈｎ０１０ｇｙ ａｎｄ 机床主轴回转误差测试系统的研究 徐秀玲① 姜 军② 王红亮③ （①沈阳工程学院，辽宁沈阳１１０１３６；＠３９军防空旅装备部，１１６１００；（ 沈阳机床，辽宁沈阳１１０１４１） 摘要：针对机床主轴测试方法中存在的测量基准安装偏心的问题，提出了一种有效的解决方法。从测量原 理、误差信号的处理等方面来阐述测试方法，最后通过实验对测量结果进行分析。实现了对测试方法 的研究。 关键词：主轴回转误差测试 Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＸＵ Ｘｉｕｌｉｎｇ①。ａｎｇ③ ＪＩＡＮＧ Ｊｕｎ②ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｌｉ。（（￣）Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１３６，ＣＨＮ； ￣）Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ａｉｒ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｂｒｉｇａｄｅ ｏｆ Ｎｏ．３９ Ｍｉｌｉｔａｒｙ，１ １６１００ ＣＨＮ； ￣Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏ１．Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１４１，ＣＨＮ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｃｃｅｎｔｉｃｉｒｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ， ｉｔ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｅｗ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｐｉｎｄｌｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ，ｅｒｒｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｄｉｓｐｏｓａｌ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｆｅａ— ｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｎｏ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｅｒｒｏｒｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｉｆｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒｓ；Ｔｅｓｔｉｎｇ 本文采用一种新的主轴回转误差测量方法，解决 了以往测试方法中存在的测量基准安装偏心问题，极 大提高了测试系统的测量精度。 定测试系统的误差测试方法及误差评定方法。并通过 优化寻点的方式找出主轴回转截面上回转中心点的运 动轨迹，用最小外接圆的评定方法对本系统所测主轴 回转误差进行评定。 １ 现行主轴回转误差测试方法 目前主轴的测量主要有静态测量方法、单向动态 测量法、双向动态测量法和三点测量法， ２ 测试系统硬件原理设计 测量系统由光源、透镜、光电电位器、微机等部分 这几种传统的主轴回转误差测试法，通常是以标 准球的外圆表面作为测试表面，以获取轴心的运动轨 迹或采用误差分离法对主轴回转误差进行评定。这几 种方法虽然简单、容易实现，但测量得到的误差信号中 不可避免的会包含与主轴实际回转误差不相关的误差 组成（图１）。测量原理如下：带“十”字形刻线的光学 元件３（如图２ａ所示）装在主轴前端，调整机构２能使 元件３的平面与主轴轴线垂直，元件３随主轴一同转 动。元件３上的“十”字形刻线相当于一个坐标系，称 之为动坐标系。元件３上的刻线是反光的，它把光源 ７发出的光反射到元件５上。元件５上有“口”字形刻 量，如由于测量工具安装偏心所造成的安装误差。 针对上述问题，笔者以消除安装偏心为出发点，选 ２ 时书丽，赵国兴．声发射传感器技术与应用．仪表技术与传感器， １９９８（２）：３４—３７ 线，它是透光的，该刻线也相当于一个坐标系，称之为 第一作者：骆志高，男，１９５３年生，工学博士、教 授，主要从事故障诊断，模具结构分析与优化设计，模 具质量检测及诊断技术等方面的研究。 （编辑文章缩号１８１０４４ ３ 张凤林，韩维．声发射技术在航空领域的应用研究．无损检测，２０００ （４）：１５７～１６１ 徐洁兰） （收稿日期：２００８一Ｏ１一ｏ３） 萎 ｕ 麓 －＿ 菇０ ｉ；ｌ；！ｉｉｉＴ！￣—ｉｌｉｉｉｉ ！４ 耿荣生．声发射技术发展现状．无损检测，１９９８（６）：１５ｌ～１５８ ５ 李光海，刘正义．基于声发射技术的金属高频疲劳监测．中国机械工 程，２００４，１５（１３）：１２０５～１２０９ 搦果经想发裹对本襄的看法・｛膏将文章籀辱镶入读者意见谰蠢表中的租应位置。 ；； ￡ｕｕｏ平弟Ⅲ删等