風(fēng)力發(fā)電是新能源的重要發(fā)展方向之一，而風(fēng)電機組長期、全天候在惡劣復(fù)雜的工作環(huán)境下運行，其安全性、穩(wěn)定性尤為重要。齒輪的主要作用是動力傳輸，同時也是非直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，一旦發(fā)生故障，會直接影響風(fēng)電機組的穩(wěn)定工作和使用壽命，因此保證其正常運作對整個風(fēng)電機組系統(tǒng)具有重要的意義。
齒輪的典型缺陷類型主要包括疲勞裂紋、齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨損、斷齒以及在加工過程中易出現(xiàn)的磨削燒傷等，這些類型的缺陷一般出現(xiàn)在輪齒齒面上，在風(fēng)電機組齒輪箱故障中占有較大比例。國外研究機構(gòu)FZG(慕尼黑工業(yè)大學(xué)齒輪研究中心)等在早期對齒輪內(nèi)部疲勞斷裂進行了試驗研究和數(shù)值模擬。英國克蘭菲爾德大學(xué)的 TOUTOUNTZAKIS等采用聲發(fā)射技術(shù)(AE)進行了齒輪缺陷檢測，同時探討了從軸承箱監(jiān)測齒輪缺陷的可能性。劉柄顯等提出一種基于巴克豪森噪聲的檢測方法，該方法具有檢測和表征微觀金相組織中馬氏體深度的能力，同時可以避免激勵頻率對巴克豪森噪聲信號輸出的影響。在對于造價相對便宜或工作環(huán)境不苛刻的齒輪檢測研究中，我國有許多學(xué)者用基于機器視覺判別的自動化系統(tǒng)取代了人工缺陷檢測;基于振動分析的監(jiān)測技術(shù)是目前運用較廣泛且成熟的一種監(jiān)測方法，該技術(shù)通過對信號進行處理并提取特征信息來進行定位、定性，能有效評估齒輪的運行狀態(tài);此外可采用的無損檢測技術(shù)還有超聲檢測、油液分析、紅外線成像、溫度傳感器等。以上研究在風(fēng)電機組齒輪檢測和監(jiān)測方面已經(jīng)取得一定成果，但均存在一定弊端，如：① 機器視覺技術(shù)目前無法滿足工業(yè)無損檢測的靈敏度要求，且對工作環(huán)境要求較高;② 監(jiān)測方法多數(shù)需要連貫、系統(tǒng)地使用整套設(shè)備，而國內(nèi)的系統(tǒng)化研究起步較晚，很少有風(fēng)場配備整套的監(jiān)測系統(tǒng);③ 振動分析對齒輪早期故障的預(yù)測有一定的局限性，往往需要協(xié)同使用其他檢測手段;④ 巴克豪森噪聲技術(shù)只能檢測出齒輪表面及近表面缺陷，對于內(nèi)部缺陷的檢測靈敏度不高且檢測時間較長，操作復(fù)雜。
針對目前風(fēng)電機組齒輪檢測的難點，提出一種基于地磁場的被動式弱磁檢測技術(shù)。該技術(shù)方法操作簡易便捷，掃查速度快且靈敏度高，在檢測過程中不需要耦合或外加激勵，所采用的弱磁探頭能滿足對表面缺陷和內(nèi)部缺陷的檢測需求。
一、弱磁檢測原理
磁化是指使原來不具有磁性的物質(zhì)獲得磁性的過程，磁化強度是描述物體磁性強弱程度的物理量。外磁場強度相同的情況下，磁化率是影響磁化強度與磁感應(yīng)強度的唯一條件。當(dāng)磁場中的磁介質(zhì)發(fā)生磁化時會產(chǎn)生附加磁場，而附加磁場和原磁場疊加后的總磁感應(yīng)強度與原磁場強度之間的關(guān)系可表示為
式中：B為磁感應(yīng)強度;H為磁場強度;X1為物質(zhì)的磁化率;μ0為真空中磁導(dǎo)率，取4π×10-7H · m-1;μ1 為相對磁導(dǎo)率，μ1=1+X1。
在地磁場的作用下，任何處于其中的物質(zhì)都會發(fā)生或多或少的磁化。由式(1)可知，如果物質(zhì)是連續(xù)且均勻的，其磁導(dǎo)率也應(yīng)是相同且無變化的。因此，當(dāng)齒輪不存在缺陷時各位置的磁導(dǎo)率相同，在地磁場磁化下表面的磁感應(yīng)強度也是均勻穩(wěn)定的;反之，若存在缺陷，那么在缺陷處的磁導(dǎo)率會發(fā)生突變，磁感應(yīng)強度也會在缺陷附近發(fā)生變化。表面缺陷和內(nèi)部缺陷的弱磁檢測信號對比如圖1所示，當(dāng)缺陷位于齒輪表面時，因為空氣的相對磁導(dǎo)率比工件的相對磁導(dǎo)率小，則通過弱磁探頭采集到的缺陷處的磁感應(yīng)強度會變小，所以曲線呈現(xiàn)下凹的狀態(tài);當(dāng)缺陷位于齒輪內(nèi)部時，因為缺陷處的磁感應(yīng)線被排斥，所以缺陷上方的磁感應(yīng)強度增大，采集到的磁感應(yīng)曲線呈現(xiàn)上凸的磁異常現(xiàn)象。
二、檢測試驗
檢測試驗中所使用的1#，2#試樣材料為低合金高強度鋼，牌號為17Cr2Ni2Mo，其優(yōu)異的耐腐蝕性和抗疲勞性能使其常被作為齒輪、軸承等重要機械部件的制造材料，1#，2#試樣結(jié)構(gòu)如圖2，3所示。其中1#試樣的厚度為4 mm，有4處人工預(yù)制的表面裂紋缺陷;2#試樣含有一處位置未知的磨削燒傷。齒輪在疲勞磨損或應(yīng)力集中處易萌生自然細小裂紋，一般裂紋寬度并不大，因此1#試樣的預(yù)制裂紋缺陷尺寸從左至右分別10 mm×0. 35 mm(長× 寬，下同)，10 mm×0. 45 mm，10 mm×0. 4 mm，10 mm×0. 3 mm，對1#試樣進行正面掃查以模擬檢測齒輪的表面裂紋缺陷，試樣背面材料均勻且無表面缺陷，對其背面進行掃查以模擬檢測內(nèi)部缺陷;將2#試樣的輪齒齒面作為檢測面以模擬檢測磨 削燒傷缺陷。采用實驗室自主研發(fā)的弱磁檢測探傷儀檢測上述試樣，并多次反復(fù)試驗以驗證其重復(fù)性。弱磁探頭采用高精度磁通門傳感器，其量程為 ±250 000 nT，靈敏度可達1 nT，采樣頻率為25 Hz，最多可組成12通道的陣列探頭，根據(jù)試樣尺寸此次試驗選用單探頭。檢測時，需要將試樣放置于穩(wěn)定的磁場環(huán)境內(nèi)，將弱磁探頭放置于待測試樣表面，接著采用人工手動掃查的方式，沿著掃查方向勻速穩(wěn)定、不間斷地采集試樣的磁感應(yīng)信號，且掃查速度不 超過5 m · min-1 ，信號處理后采用其他無損檢測方法對2#試樣進行檢測，以進行對比驗證。
三、試驗結(jié)果分析
原始信號分析
分別檢測了1#試樣的正面和背面以及2#試樣，兩個試樣的磁感應(yīng)強度相差數(shù)十倍，且1#試樣的磁感應(yīng)強度極差相對較小，其原因是2#試樣在復(fù)雜的加工流程和周期性外力載荷的作用下，產(chǎn)生了力磁效應(yīng)而導(dǎo)致整體的磁感應(yīng)強度變高。1#，2#試樣的弱磁檢測原始信號曲線如圖4所示。由圖4(a)， (b)可以看出，兩次檢測分別在距離為60，120，180，240 mm附近都出現(xiàn)了不同程度的磁異?，F(xiàn)象，正面檢測的原始信號中呈下凹狀是因為檢測的是1#試樣正面的表面缺陷，背面同理，此時弱磁檢測信號呈現(xiàn)的變化趨勢和缺陷位置都與實際缺陷情況相符。在圖4(c)中，可觀察到原始信號曲線在距離為30 mm 處存在輕微連續(xù)的變化，在距離為130~140 mm處有下凹的變化趨勢，此時無法通過肉眼區(qū)分其為干擾信號還是突變的異常信號，故需要進一步利用信號處理方法進行分析，更準(zhǔn)確地提取缺陷信號并判別缺陷。
1#，2#試樣弱磁檢測信號處理后的信號曲線如圖5所示，對比磁感應(yīng)強度可以看到1#試樣的磁感應(yīng)強度遠小于2#試樣的，這是因為兩試樣的磁導(dǎo)率變化情況有較大的區(qū)別。根據(jù)磁致伸縮效應(yīng)，受到更復(fù)雜機械加工的2#試樣的磁導(dǎo)率變化更大，因此其磁感應(yīng)強度變化范圍會遠大于1#試樣的，不同試樣間的磁感應(yīng)強度差異并不影響檢測結(jié)果與分析。
缺陷信號提取
在檢測過程中，弱磁探頭容易受到掃查抖動或者環(huán)境中磁場疊加等因素影響，其所采集的磁感應(yīng)強度信號曲線也會發(fā)生變化。為了避免雜波對突變?nèi)毕菪盘柕挠绊?，提高缺陷判別的準(zhǔn)確性，使用二階差分、小波變換和基于拉依達準(zhǔn)則的信號處理方法對原始信號分別進行處理分析。
采用二階差分對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，可以突出檢測信號的突變點和強調(diào)高頻信號。小波變換適合應(yīng)用于實際工程領(lǐng)域，同時也適用于處理檢測中采集信號夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象，選擇合適的小波基 更利于對特征信號的提取，由于Symlets小波既可以用于連續(xù)小波變換也可以用于離散小波變換，且與弱磁檢測信號有一定的相似度，表現(xiàn)形式為symN(通常2 ≤N≤ 8)，與其他小波基函數(shù)相比有較高的對稱性、正則性和相似性。結(jié)合弱磁信號特質(zhì)，為了取得更高的信噪比和更好的缺陷信號提取效果，筆者選取了sym5小波對原始信號進行處理。
拉依達準(zhǔn)則是指在數(shù)據(jù)量n>50的前提下，假設(shè)數(shù)據(jù)只含隨機誤差，并根據(jù)貝塞爾公式計算出的試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s作取舍依據(jù)，若樣本均值為 x，按一定概率得到一個區(qū)間，認為凡超過該區(qū)間的誤差屬于粗大誤差，含有粗大誤差的數(shù)據(jù)即為異常數(shù)據(jù)。若存在可疑值xj使得殘值數(shù)值ej滿足
則認為該數(shù)據(jù)xj不屬于隨機誤差而是粗大誤差，即為應(yīng)該剔除的異常值。
將一組檢測數(shù)據(jù)看作數(shù)據(jù)樣本，弱磁探頭所采集的磁感應(yīng)強度值為xj，若殘值數(shù)值ej >3s，則認為該處的磁感應(yīng)強度值為異常值，即為需要提取的磁異常信號。因此可將3s作為判別缺陷的依據(jù)。
在圖5中紅線是基于拉依達準(zhǔn)則生成的閾值線，其中上閾值線為
+3s ，下閾值線為
-3s 。若磁感應(yīng)強度大于上閾值線或小于下閾值線，認為該位置的采樣點為異常點，則判別該處所采集的弱磁信號為缺陷信號。圖5(a)，(b)中兩次檢測信號超過閾值線的部分都很好地對應(yīng)了實際缺陷，其中正面和背面檢測中距離為240 mm處的突變信號在原始信號中變化很小，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后明顯突出。通過信號處理，干擾、雜波等影響因素被較好地消除了，如2#試樣原始信號曲線30 mm位置處的雜波被過濾，使得缺陷引起的突變信號更加明顯，說明小波變換和基于拉依達準(zhǔn)則生成的閾值線對干擾信號和缺陷信號具有較好的區(qū)分度，能應(yīng)用于弱磁檢測技術(shù)的信號處理中。在圖5(c)中，2#試樣的125 mm處附近信號超過了上閾值線，結(jié)合原始曲線判定該位置處附近存在缺陷而引起了突變信號。而原始曲線中該位置的變化起伏較小，據(jù)此可以判斷該缺陷位于表面，同時原始曲線的下凹趨勢持續(xù)較久，一般區(qū)域型損傷或應(yīng)力集中處才會呈現(xiàn)這種趨勢，故判斷該位置即磨削燒傷處。
CT和巴克豪森噪聲檢測對比試驗
采用工業(yè)CT對2#試樣進行掃描和三維成像，其檢測結(jié)果如圖6所示，結(jié)合4張圖片可以直觀地了解被檢物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和損傷情況：被檢試樣中未發(fā)現(xiàn)裂紋、點蝕、磨損等工業(yè)CT能檢測出的缺陷類型。
由于工業(yè)CT無法檢測出磨削燒傷，筆者在不損傷試樣的前提下，采用巴克豪森噪聲技術(shù)驗證2#試樣是否存在磨削燒傷。
巴克豪森噪聲檢測法(MBN)在檢測鐵磁性材料過程中，遇到硬度或殘余壓應(yīng)力減小時MBN信號均方根值會增大，故當(dāng)出現(xiàn)信號在某一區(qū)域曲線突然增大時可以確定其為磨削燒傷。經(jīng)過反復(fù)試驗，筆者設(shè)置激勵電壓為3 V，頻率為45 Hz以取得最好的檢測效果。根據(jù)拉依達準(zhǔn)則畫出上閾值線
+3s，作為信號曲線突增程度的判斷依據(jù)，若超過閾值線則認為存在磨削燒傷缺陷。2#試樣的MBN均方根值曲線如圖7所示，可見距離為125~130 mm處的 MBN均方根值高于該組數(shù)據(jù)的閾值線，由此可以判斷該位置處出現(xiàn)了異常信號，為磨削燒傷，與弱磁檢測試驗結(jié)果一致，驗證了弱磁檢測技術(shù)檢測風(fēng)電機組齒輪的可行性。
四、結(jié)語
通過設(shè)計風(fēng)電機組齒輪缺陷檢測試驗，利用弱磁檢測技術(shù)對兩個試樣的不同類型缺陷進行檢測，分析磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，并利用CT檢測和巴克豪森噪聲檢測進行驗證，得出如下結(jié)論。
(1)在地磁場的環(huán)境下，弱磁檢測技術(shù)作為風(fēng)電機組齒輪缺陷檢測的新方法，可有效、快速地對齒輪表面和內(nèi)部裂紋以及磨削燒傷進行檢測，且定位準(zhǔn)確。
(2)運用Symlets小波分析并基于拉依達準(zhǔn)則取閾值線對弱磁檢測信號進行處理和缺陷判別，在提升信噪比、提取缺陷信號方面有很好的效果，進而能得到更準(zhǔn)確可靠的弱磁檢測信號曲線。
參考文獻略.