作者:杨剑锋，张 斌，李 良

摘 要：声发射技术作为一种无损检测方法，可以找到声发射信号和裂纹扩展之间的关系，分析材料变形与断裂机制。介绍了声发射技术用于转轴裂纹监测的研究，分析了声发射信号与转轴裂纹扩展之间的关系实验表明采用声发射技术可以对转轴裂纹进行监测，证明了声发射技术在转轴监测上的可行性。
关键词：声发射；转轴；裂纹扩展；故障诊断
中图分类号：TG 115.28文献标识码：B

断裂是机械和工件失效的主要形式之一，与其他失效形式（弹塑性失稳、磨损、腐蚀等）相比，更具危险性。转轴作为旋转机械的主要承力部件，发生断裂可能导致灾难性的事故，造成生命和财产的巨大损失。因此，对转轴的裂纹监测是非常重要的。声发射（AE）技术作为一种在线监测方法，可以对转轴的完整性进行判断。
一、声发射监测原理
任何物体受到外力作用都会发生形变，超过一定限度便产生裂纹以至断裂。在此过程中，物体内部会发出不同的声音（声发射）。声发射信号波形的幅度非常小，频率非常高，利用非常灵敏的传感器可把物体内部发出的微弱声信号接收下来，然后转换成电信号，进而由声发射系统分析处理，发现物体内部裂纹的发展情况。
金属轴在屈服点附近出现声发射计数高峰，标志着裂纹的形成。一旦裂纹形成，转轴局部地区的应力集中得到卸载，产生声发射。断裂过程大致可分为三个阶段：裂纹成核、裂纹扩展和最终断裂，三者都可以成为强烈的声发射源。转轴内部发出的声信号以弹性波的形式向四周传播，到达转轴表面，并经过传感器转变为电信号，经过前置信号放大器放大，再由声发射采集卡接收并进行A/D转换，成为数字信号，传入计算机，经软件分析，就能确定转轴上裂纹的全部发展过程，实现在线监测。
二、实验设备
图1为转轴裂纹声发射监测实验系统图，由五部分组成，除预制实验转轴为自制外，其他均为美国物理声学公司产品。

1．预制实验转轴。图2为预制实验转轴示意图，尺寸φ20mmx300mm，所用材料为86CrMoV7。在转轴上预制裂纹，深度2mm。

2．声发射传感器。传感器用于接收材料内部的声发射信号，其性能对测试非常重要。本实验选用R15型声发射专用传感器，外径19mm，重量34g，可以在一65℃~177℃的范围内使用。其信号采集部分是压电陶瓷，可采集信号频率范围是50~200kHz。
3．前置信号放大器。声发射传感器的电压输出信号非常弱，因此，需要放大器放大后再传输。实验选用的前置放大器是一种通用放大器，可获得20/40/60dB的增益，具有单端输入和差分输入两种输入方式。
4．声发射采集卡。选用PCI-2声发射卡，是对声发射特征参数、波形进行实时处理的二通道声发射系统，具有18位A/D转换、3kHz~3MHz频率范围。
5．计算机分析软件。采用AEwin TM和Wavelets软件包，是Windows环境下的实时声发射分析软件包，包括前端数字滤波、图解滤波、AE特征提取、报警输出、各种定位功能、2-D和3-D图形、多参数分析、聚类分析、波形处理及相关分析、HIT数据线形显示、统计及重放功能等。Wavelets是小波分析软件。
三、实验结果及分析
实验过程采集到的声发射信号在时域上主要有四种类型，如图3所示。带预制裂纹的转轴在扭矩作用下，开始采集到的声发射信号如图3a，信号幅值很低，最大峰值在0.5V以下，此时裂纹并没有扩展，除了预制裂纹外，没有新的裂纹产生，处于稳定状态。

从图3b中可以看出已有较强的声发射信号，信号幅值1V左右，为新裂纹萌生的开始。此外还可在图4a中看出，裂纹萌生之后，发展速度缓慢，信号能量虽然增加，但幅度不高，总能量也不大。此时的能量多集中在40~100kHz之间，处于声发射信号的低频部分，可认为此时代表裂纹萌生及缓慢发展阶段。

从图3c和图4b可以看出，声发射信号幅值再次变大，超过2V，而且在能量谱上显示的信号范围主要集中于60~l20kHz之间，总能量大大增加。显而易见，裂纹正在迅速扩展。可认为此时代表裂纹快速扩展阶段。
从图3d可以看出，信号继续增强，接近4V，为整个实验过程中最强信号，预制转轴随即断裂。除此之外，还可以在图4c中看出，在l40kHz附近能量有一个高峰，但总能量却降低，即转轴断裂阶段释放了很大能量。
四、结论
采用声发射技术对转轴所进行的监测研究可以看出，随着时间的变化，裂纹由萌生到发展，再到断裂，在这三个阶段，处于不同状态的转轴所测取的信号特征有着明显的区别，并且和实际的裂纹扩展过程完全吻合。这对于进一步将声发射技术应用于转轴在线监测以及故障诊断有着重要的意义。