CIVA仿真模擬風(fēng)機(jī)變槳軸承的 相控陣超聲檢測

趙 侖，蔡 暉，孫璞杰，秦承鵬，王志強(qiáng)

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著全球變暖的加劇，世界各國均對低碳提出了新要求。2020年我國首次提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)[1]。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，可再生能源將在生產(chǎn)生活中扮演更重要的角色。風(fēng)能是重要的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電作為可再生的綠色發(fā)電方式，已為許多國家綠色發(fā)展貢獻(xiàn)力量[2]。2022年1月27日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)預(yù)計(jì) 2022年我國風(fēng)電新增裝機(jī)約為0.5億kW，2022年底裝機(jī)將達(dá)到3.8億kW[3]。

風(fēng)力發(fā)電的高速發(fā)展使風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，輪轂所處水平高度增加，變槳軸承受力變得復(fù)雜化；我國地形地貌、氣候特征復(fù)雜多變，許多地區(qū)氣流的陣風(fēng)因子影響較大，導(dǎo)致變槳軸承長期處于復(fù)雜的交變載荷下[4]；在西北地區(qū)服役的風(fēng)機(jī)，由于冬季氣溫降低，在極端惡劣環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行將損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳軸承。

近年來，由于變槳軸承失效導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片掉落的事故時(shí)有發(fā)生，其損壞造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的比例約為1/5[5]，給電力生產(chǎn)企業(yè)造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失[6-10]。須加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、保養(yǎng)和維護(hù)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并進(jìn)行相應(yīng)的維修，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[11-12]。

變槳軸承的結(jié)構(gòu)中，齒根到螺栓孔之間和滾珠滾道到螺栓孔之間結(jié)構(gòu)復(fù)雜且厚度薄弱，目前多采用傳統(tǒng)的超聲方法檢測變槳軸承，但由于變槳軸承厚度大，且運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致檢測空間狹小，傳統(tǒng)超聲檢測方法不能實(shí)現(xiàn)檢測區(qū)域全覆蓋，不能檢測到所有缺陷，而相控陣超聲檢測可通過計(jì)算機(jī)控制不同晶片的激發(fā)時(shí)間使得聲束偏轉(zhuǎn)，在有限的檢測空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大范圍的檢測。本文通過運(yùn)用CIVA仿真軟件進(jìn)行模擬，尋找薄弱結(jié)構(gòu)處變槳軸承裂紋相控陣超聲的檢測方法，為變槳軸承的相控陣檢測提供檢測的思路和手段。

1 變槳軸承與CIVA軟件

1.1 變槳軸承

變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，變槳軸承內(nèi)外圈通過螺栓分別與葉片和輪轂相連，如圖1所示，一般采用雙排球軸承。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測到風(fēng)向變化時(shí)，變槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)通過變槳軸承改變?nèi)~片的迎風(fēng)角度，使葉片保持適合的迎風(fēng)狀態(tài)，從而控制葉片的扭矩和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。

變槳軸承在改變?nèi)~片角度的同時(shí)，也是葉片和輪轂的連接件承擔(dān)載荷作用的過程[13]，不僅承受徑向載荷，也承受一定的軸向載荷[8]。因此需對變槳軸承進(jìn)行定期的無損檢測，了解變槳軸承的服役狀態(tài)，從而保證其能安全有效地工作。

1.2 CIVA仿真軟件

CIVA仿真軟件是法國原子能委員會(huì)開發(fā)的一款用于模擬無損檢測的軟件，應(yīng)用范圍主要集中在數(shù)據(jù)分析、性能驗(yàn)證和探頭設(shè)計(jì)等方面[14]。通過在模擬工件中構(gòu)造模擬缺陷，優(yōu)選最佳檢測方法進(jìn)行模擬檢測，根據(jù)結(jié)果判斷該方法和工藝是否能檢測出相應(yīng)的缺陷。

CIVA仿真軟件的超聲模塊基于近似理論的散射模型作缺陷仿真。其中，空心體積型缺陷及近似的裂紋缺陷，采用基爾霍夫近似；類似裂紋缺陷的端角衍射波模擬采用幾何衍射理論模型，夾渣等實(shí)心體積模型的模擬采用修正波恩近似模型[15]。

1.3 CIVA軟件模擬變槳軸承相控陣檢測的優(yōu)勢

變槳軸承處于風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)，檢測時(shí)需登上風(fēng)機(jī)頂端，且檢測位置狹小，需要設(shè)計(jì)專用探頭。使用CIVA仿真軟件仿真模擬出專用探頭和檢測工藝，可大幅度提高探究檢測工藝的效率，對相控陣超聲檢測有十分重要的作用[16]。

由于變槳軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有齒形結(jié)構(gòu)、螺栓孔結(jié)構(gòu)和滾珠槽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和相控陣超聲檢測參數(shù)設(shè)置都可能會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，并且相控陣超聲探頭十分昂貴，通過CIVA仿真軟件進(jìn)行模擬后，根據(jù)模擬得出的正確工藝選擇探頭和參數(shù)，不僅可節(jié)約成本，更能提高工作效率。

2 CIVA模擬變槳軸承相控陣超聲檢測

2.1 建立變槳軸承的三維模型

本文以1.5 MW風(fēng)機(jī)FD-033.45.1910.03型號 內(nèi)齒型變槳軸承為研究對象，實(shí)物如圖2所示，本次針對2處厚度均不足50 mm的薄弱區(qū)域進(jìn)行模擬研究。

使用三維畫圖軟件SOLIDWORKS建立變槳軸承的三維模型，將軸承密封圈簡化為變槳軸承的一部分，并將部分非關(guān)鍵部位進(jìn)行簡化，避免在CIVA仿真模擬時(shí)對軟件識別檢測面造成影響。建立三維模型，考慮在役狀態(tài)現(xiàn)場裝配空間，其檢測面及檢測位置如圖3所示。

2.2 CIVA仿真軟件模擬缺陷檢測

2.2.1 齒根與螺栓孔間裂紋檢測

考慮到空間狹窄，本次模擬優(yōu)先選用小尺寸探頭。采用5 MHz橫波斜探頭，其包含16個(gè)晶片，長9.52 mm，寬10 mm，晶片寬度0.52 mm，晶片間隙0.08 mm。搭配橫波折射角為45°的楔塊，前沿及后沿長度分別為10 mm和15 mm，寬度為12 mm，高度為15 mm，探頭尺寸如圖4所示。

在模擬工件上齒根部位和齒根方向的螺栓孔內(nèi)壁側(cè)設(shè)置5處長度為5 mm、深度為2 mm的模擬缺陷，其在變槳軸承三維模型上的分布如圖5所示。

齒根與螺栓孔間缺陷模擬檢測探頭位置如圖6所示。該部位模擬檢測采用30°～65°扇掃描，當(dāng)探頭處于圖6位置最左側(cè)時(shí)，可檢測到下方4處缺陷；當(dāng)沿箭頭向右移動(dòng)至墊片邊緣側(cè)，可檢測到上方 3處缺陷，得到累積B掃圖如圖7所示。對最遠(yuǎn)處缺陷進(jìn)行單獨(dú)模擬檢測，在增益為6 dB時(shí)，波高可達(dá)屏幕高度80%，如圖8所示。齒根處的裂紋缺陷在檢測時(shí)不會(huì)受到螺栓孔墊片影響，在檢測面上移動(dòng)探頭即可實(shí)現(xiàn)。

對受到螺栓墊片影響而不能檢測到的近表面區(qū)域，可采用縱波探頭與縱波折射角為18°的楔塊組合，對該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充檢測，如圖9所示。

2.2.2 軸承密封圈與螺栓孔間裂紋檢測

在模擬工件上軸承密封圈方向的螺栓孔內(nèi)壁側(cè)設(shè)置6處長度為5 mm、深度為2 mm的模擬缺陷，其在變槳軸承三維模型上分布如圖10所示。

該部位檢測深度更大，缺陷檢測受螺栓墊片、軸承密封圈及下部滾珠槽和滾珠油槽的影響。因此，采用2種探頭分別檢測其不同深度，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)檢測深度的覆蓋。

針對該檢測部位上半部分，采用上述探頭與楔塊的組合，通過移動(dòng)探頭實(shí)現(xiàn)上半部分區(qū)域的檢測。該部位模擬檢測采用30°～65°扇掃描，密封圈與螺栓孔間缺陷模擬橫波檢測探頭位置如圖11所示。當(dāng)探頭處于圖11最左側(cè)位置時(shí)，可檢測到40～ 90 mm的3處缺陷，當(dāng)沿箭頭向右移動(dòng)至墊片邊緣側(cè)，可檢測到10～40 mm的2處缺陷，所得累積B掃圖如圖12所示。

下半部分區(qū)域采用直探頭縱波扇掃描實(shí)現(xiàn)。該直探頭頻率為5 MHz，包含16個(gè)晶片，長9.52 mm，寬10 mm，晶片寬度0.52 mm，晶片間隙0.08 mm。

采用縱波直探頭0°～18°扇掃描，可覆蓋下半部分90 mm以外區(qū)域，如圖13、圖14所示，并對最遠(yuǎn)處缺陷進(jìn)行單獨(dú)模擬檢測，在增益為9 dB時(shí)，波高可達(dá)屏幕高度80%，如圖15所示。

對受到螺栓墊片影響而不能檢測到的近表面區(qū)域，可采用表面波檢測進(jìn)行輔助判斷。

2.3 CIVA仿真軟件模擬缺陷測量

根據(jù)上述模擬結(jié)果，對不同大小缺陷進(jìn)行模擬，探究變槳軸承上不同大小裂紋缺陷的測量方法。

以齒根處裂紋為研究對象，分別設(shè)置高度為 1、2、3、4 mm的缺陷。模擬檢測結(jié)果如圖16所示。由圖16可見，1 mm和2 mm缺陷的波形沒有衍射波峰出現(xiàn)，3 mm和4 mm缺陷的波形有2個(gè)波峰。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[17]，對缺陷高度不足3 mm的缺陷可采用-6 dB半波高度法測定；對缺陷高度超過3 mm的缺陷可采用端點(diǎn)衍射法測定。

分別對間距為2 mm和4 mm的2個(gè)3 mm缺陷進(jìn)行模擬檢測，結(jié)果如圖17、圖18所示。由圖17、圖18可知：當(dāng)間距為2 mm時(shí)，缺陷波形信號為 3個(gè)波峰，按照標(biāo)準(zhǔn)[17]，屬于同一缺陷，可根據(jù)兩側(cè)波的端點(diǎn)衍射進(jìn)行高度測量；當(dāng)間距為4 mm時(shí)，缺陷波形為4個(gè)波峰，按照標(biāo)準(zhǔn)[11]，屬于2個(gè)缺陷，可采用端點(diǎn)衍射法分別對2個(gè)缺陷進(jìn)行測量。分別對該2處缺陷采用端點(diǎn)衍射法測量，所得總體誤差不超過1%（表1）。

表1 缺陷模擬結(jié)果對比 Tab.1 Comparison of defect simulation results

3 結(jié) 語

1）經(jīng)過本次模擬，探究出內(nèi)齒型變槳軸承螺栓孔與齒根間區(qū)域和螺栓孔與軸承密封圈間區(qū)域的裂紋檢測方法，螺栓孔到齒根部區(qū)域采用橫波斜探頭扇形掃查、螺栓孔到軸承密封圈區(qū)域采用縱波直探頭和橫波斜探頭扇形掃查相結(jié)合的方式可實(shí)現(xiàn)對變槳軸承的檢測區(qū)域全覆蓋，為變槳軸承裂紋檢測提供了新思路。

2）本次模擬中，對不同高度缺陷進(jìn)行了模擬檢測，總結(jié)出不同高度缺陷的測量方法，對高度不超過3 mm的裂紋可采用-6 dB半波測長法，對高度超過3 mm的可采用端點(diǎn)衍射法；針對相鄰缺陷，當(dāng)間距小于最短缺陷高度時(shí)，可根據(jù)兩側(cè)的波采用端點(diǎn)衍射法進(jìn)行測量，當(dāng)間距大于最小缺陷高度，可根據(jù)每個(gè)缺陷的反射波分別測量缺陷高度。