風電螺栓棒材超聲檢測系統設計與實現

季肖楓，顧 娜，錢建忠

（1. 江蘇航運職業技術學院 智能制造與信息學院， 江蘇 南通 226010；2. 南通理工學院 電氣與能源工程學院， 江蘇 南通 226001； 3. 南通凱米智能科技有限公司 研發部， 江蘇 南通 226001）

0 引言

2020 年9 月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上的講話中提出，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”[1]。在2021 年兩會上，“碳達峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告。

隨著風電裝機容量的快速增長，風電機組的安全運行成為重要的研究熱點。風機葉片與輪轂的連接部件采用了42CrMoA 高強連接螺栓，以應對葉片運行時產生的復雜交變載荷。[2]王炎炎對葉根螺栓的疲勞損傷機理進行了分析研究，認為在外界交變載荷的作用下，應力集中在葉根螺栓上，一旦應力超過了材料所能承受的斷裂強度，斷裂就會發生，造成葉片連接螺栓的疲勞損傷，從而導致疲勞斷裂。[3]因此，風機中高強度螺栓的安全性和可靠性會對整個風機的安全運行起著很重要的作用。

在風電螺栓生產中，無損檢測的檢驗驗收執行《JB4730-2005 承壓設備無損檢測》標準。超聲波探傷檢驗按照該標準中的4.6 I 級要求執行；表面磁粉探傷檢驗按照標準中的9.1b 執行。本文針對某企業生產的42CrMoA 材質、M36 雙頭風電螺栓棒材，設計了一套超聲檢測設備。該設備對接了企業現有的表面磁粉探傷檢驗線，實現了“超聲-磁粉”一體化檢測。檢測工件尺寸如圖1 所示。

圖1 M36 雙頭螺栓尺寸

1 超聲檢測工藝

螺栓的無損檢測方法常用的有超聲波檢測法、磁粉檢測法、磁記憶檢測、壓電阻抗技術和固有頻率法等。[4]超聲波由機械振動發出的聲波，以能量的形式在具有振動特性的介質中傳播。[5]工業超聲波探傷常用的超聲波頻率為0.5～10 MHz，頻率選擇主要根據被檢測工件的材料、厚度等特性。對于探傷系統而言，超聲波在被檢測對象內部傳播時，由于缺陷處的傳播介質發生變化，缺陷特征就會以回波信號的形式反應，通過對缺陷信號的分析、識別、判斷來實現無損探傷[6]。

在工業超聲探傷方法中，脈沖反射檢測是一種最常用方法，通過超聲探頭發出超聲波信號，根據底波回波和材料內部缺陷回波進行檢測。[7]本設備采用該方法進行檢測，綜合了檢測面弧度與探頭耦合的因素，設計了水浸超聲檢測工藝，采用工件旋轉、超聲探頭直線掃描的方式，并且滿足檢測標準中關于掃描線速度和聲束重復覆蓋率的要求。

1.1 聚焦超聲探頭

系統采用了線聚焦探頭以提高檢測效果[8]，聚焦超聲探頭聲束示意圖如圖2 所示。

圖2 聚焦超聲探頭聲束示意圖

由圖2 可知，聚焦探頭焦點以焦柱的形式存在，焦柱內的信噪比高，聲場散射信號少[9]。焦柱長度與直徑的計算公式如下。

式中，F是探頭焦距；D是晶片直徑；λ 是聲波波長。

被檢棒材表面為圓弧曲面，聲束折射方式與其入射角度有關，經過推導可得到棒材中的焦點深度與棒材半徑R、水聲程H等參數的關系，如圖3 所示。

圖3 F-H

由折射定律可知：

式中，α 為入射角；β 為折射角；K為超聲縱波在鋼和水中的波速比；D′為聲波在棒材表面的寬度；d為聲束在棒材中的焦點距離；a為無棒材時聲束在水中的焦點距離。

由幾何關系可知：

聯立以上各式可得：

根據式（1）、式（2）可推導出棒材中的焦柱長度與直徑：

為保證焦點匯聚在棒材內部，應有d<2R，可得：

該公式為探頭的選擇與水聲程厚度的計算提供了理論依據。對于聲束原匯聚焦點位于圓心下方，即F-H>R的情況，結論與上述情況相同，本文不再重復論證。

系統選用了5 MHz 晶片，焦距為25 mm，超聲縱波在鋼和水中的波速比K=3.98，按照最小水聲程進行計算，結果如表1 所示。

表1 水聲程對比表

由上表可知，當檢測棒材外徑為36 mm 時，水聲程厚度為5 mm，焦點深度已經超出了棒材半徑，在實際使用中，水聲程都選擇10 mm 左右，檢測效果顯著。

1.2 多通道超聲探傷儀

本系統采用了自主研發的NUS8 型數字式超聲波探傷儀。該探傷儀基于1U 標準機箱架構進行設計，儀器具有DB9 編碼器接口、RJ45 網絡接口、Type B 型USB 接口、C5 型級聯接口、8 通道波門狀態燈及Q9 型探頭接口等。探傷儀與工控機之間的數據傳輸方式，兼容了USB 傳輸以及網絡傳輸兩種設計方案，在項目實施中，因設備間距較小，優先采用USB 數據傳輸方案，通過USB 接口驅動動態鏈接庫，采集PC 端Dome 軟件數據，實現設備間的數據交換。

超聲波探頭接口選用Q9 型，其輸出激勵超聲探頭電壓設計為400 V，電路設計采用雙MOS 管方波激勵方式，P-MOS 管吸收正向過沖電壓，減少發射脈沖后的盲區，與普通尖脈沖激勵方式相比，回波比提高了6 dB。雙管激勵電壓原理圖如圖4 所示。

圖4 超聲探頭雙管激勵電路

超聲儀器的設計依據為《JB/T10061-1999 A 型脈沖反射式超聲探傷儀通用技術條件》《JB/T9214-1999 A 型脈沖反射式超聲探傷系統工作性能測試方法》等標準，主要技術參數如下：增益總量100 dB，重復頻率10 kHz，探傷靈敏度余量≥54 dB，垂直線性≤2%，水平線性≤1%，動態范圍≥26 dB，分辨率≥30 dB，波形采樣率100 MHz。

2 檢測機構設計

依據被檢工件的形狀特征，設計了檢測工裝，主體結構采用鋁型材搭建，以方便拆裝。

2.1 工裝結構

該工裝結構包括主體框架、上料待檢機構、輔助檢測夾料機構、超聲檢測機構、下料分揀機構、輔助滑動分揀機構。各分機構的裝配位置如圖5 所示。

圖5 工裝結構圖

圖6 所示的上料待檢機構由氣缸、連裝架、上料輔滑動邊架、限位件、連接板、電機、錐齒輪組、撥桿和卡裝環等零部件組成。上料工件依次排列在滑動邊架上，氣缸推出帶動撥桿翻轉，工件被傳動至待檢區（錐齒輪組）上。為保證工件檢測原點的一致性，電機驅動錐齒輪組旋轉，帶動工件右移至撥桿處停止，等待氣爪搬運工件。

圖6 上料待檢機構

2.2 檢測工位

無損檢測工位分為四大組成部分，即上料待檢區、自動檢測區、下料分揀區、磁粉檢測傳送機構，各工作區的3D 仿真圖如圖7 所示。各個工作區的功能如下。

圖7 工裝3D 仿真圖

（1）上料待檢區。上料區域排列待檢測的工件，可對接現場上料工位，實現自動或手動上料。待檢區實為檢測緩存區，即存放一個將被檢測的工件。正常工作時，一旦待檢位空缺，系統將自動從上料區翻轉工件至待檢區。

（2）自動檢測區。該工位是檢測系統核心區域，由氣動機械手傳送工件。檢測區中的水槽設計，用于實現水浸探傷檢測工藝。檢測過程由三個運動自由度完成，即超聲探頭X軸方向平移、Z軸方向自動微調、工件繞X軸方向旋轉，以確保工件的檢出率。

（3）下料分揀區。分揀區可根據檢測結果實現對良品與次品的分揀，次品區用于手動下料人工復檢。下料區排列已測良品，可對接現場的下料工位，實現自動或手動下料。下料區末端設置磁粉檢測緩存區，用于在聯機狀態時，進行“超聲-磁粉”一體化檢測。

（4）磁粉檢測傳送機構。該傳送機構專用于聯機運行模式，通過計算在線磁粉檢測線的工作節拍及工件定位，控制氣動機械手抓取工件，精準傳送至后續檢測線，實現一體化對接。

3 控制系統設計

系統工作流程設計為，工件從上料區翻入待檢區，并進行對齊操作，確保檢測起點位置的一致性?？刂齐姍C帶動工件旋轉、探頭直線掃描，完成檢測過程。工件傳入下料區，根據檢測結果判定，工件滑入下料區或廢料區。下料區的工件根據工作模式的選擇，輸送至磁粉檢測線或直接下料?？刂葡到y關鍵環節說明如下。

（1）工件類型及工作模式選擇。根據四種不同規格工件（長度與直徑不相同），系統自動調節檢測距離與水層深度。單機、聯機工作模式分別控制著設備獨立運行和與磁粉檢測線聯機運行。

（2）檢測探頭的兩個自由度。探頭有X和Z方向兩個自由度，同一種工件在檢測中由于螺紋與連桿部分存在臺階，同時考慮水層的影響，探頭在直線運行中Z方向會自動調整。對于不同的工件，檢測距離即X方向和Z方向都需要自動調整。

（3）檢測探頭自動回原點與檢測起點。工件檢測結束后，探頭執行快速原點回歸操作。檢測開始后，根據超聲儀器返回底波信號，避開端面回波的影響，確認實際檢測起點，用于精確定位缺陷。

3.1 控制系統硬件

超聲檢測控制系統設計選用信捷XD 系列PLC 作為設備主控器，威綸通MT6103iP 觸摸屏作為人機交互設備，伺服系統采用控制精度高、性能良好的松下系列伺服驅動器和伺服電機，電感、光電接近開關、光纖等選取歐姆龍的相關產品，氣動元件選用SMC 的相關產品。硬件結構如圖8 所示。

圖8 控制系統硬件結構圖

3.2 控制系統軟件

本系統是以工業控制計算機作為上位機對整個工作流程進行監控，可編程控制器作為下位機接受現場的傳感器信號、控制電動機的運行。多通道超聲波檢測設備與可編程控制器和上位機進行數據傳遞，由可編程控制器發出缺陷報警信號，進行缺陷報警處理。設備中的參數可通過觸摸屏進行設定，自動跟蹤信號并傳輸給可編程控制器和上位機進行運算，通過可編程控制器控制相應的伺服電動機進行調整?？刂葡到y軟件流程圖如圖9 所示。

圖9 控制程序總體流程圖

在程序設計中，操作模式以子程序的方式進行獨立封裝、調用，實現模塊化編程。為提高程序工作效率，“全自動”與“半自動”模式調用同一段子程序，“半自動”模式調用完成后直接返回；“全自動”模式調用完成后判斷運行條件，如滿足則調用“超聲-磁粉”一體化檢測程序，否則處于等待狀態。

3.3 人機接口

觸摸屏通過RS232 接口實現與PLC 信息交互。該觸摸屏采用Easy Builder Pro 軟件進行組態，以主界面為例，它由工作模式、運行狀態、工件選擇三個功能區組成。工作模式區可通過按鈕選擇單機模式或聯機模式，在單機模式下，工件只進行超聲波檢測；在聯機模式下，工件采用“超聲-磁粉”一體化檢測。運行狀態顯示區指示設備當前的狀態，即組態運行、停止、急?；驈臀伙@示。工件選擇區用于選擇檢測工件的型號，默認為1#工件，每個工件對應一組運動參數，選擇工件類型的同時，控制程序自動調用對應的運動參數，包括X/Z兩軸的脈沖數量、脈沖頻率等。

4 調試與運行

（1）調試準備。外接現場氣源和電源，確認氣缸運行狀態和速度；確保所以電氣元件工作正常。

（2）運行驗證。獨立運行兩種模式，確認PLC 控制程序運行正常。

（3）參數設置。設置超聲軟件中的參數，如檢波方式、重復頻率、發射電壓、基本增益、聲程距離、材料聲速、波門參數等。調節探頭的水層深度，避免水面波動對檢測的影響。

驗證檢測系統的樣棒為無超標棒材，執行YST1818-2017 和GB6519-2013 標準，在棒材兩端和中間位置制作多個直徑為2 mm 的人工平底孔缺陷。由于棒材直徑較小，只檢測內部缺陷，因此8 個超聲波探頭聲束并排垂直入射，無須布置偏心探頭與角度探頭。通過調節聲程,可移出底波，缺陷波門一般設置在兩次底波中間，若該位置出現尖波超出波門，則認定為缺陷。波門的高低依據樣件缺陷當量進行調節。經過樣棒的測試，能順利檢出其中的缺陷，可投入生產運行。

5 結束語

風電螺栓棒材的生產質量直接影響風力發電的安全運行，需根據標準進行無損檢測。本文設計的自動化超聲檢測系統可對接磁粉檢測工位，從而實現對風電棒材的“超聲-磁粉”一體化檢測，解決人工抽檢效率低下的問題。經過了一年多的投產運行，設備檢出的缺陷都得到了復檢驗證，證實該設備的穩定可靠。該檢測系統適用于風電棒材以及類似工件的檢測，具有很大的推廣價值和良好的市場應用前景。