风机齿轮材料表面硬度巴氏噪声检测技术研究开题报告
2020-05-25 11:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
一、课题研究的背景
在公元前，人类就开始利用风能，我国是世界上最早利用风能的国家之一。那时的中国人就利用风力原理进行农业活动，如磨面、舂米、提水、灌溉。目前，我国的风电市场位居全球首位[1,2]，风力发电机组生产基地也位列世界第一。截止到 2009 年底，我国国内已完成了 2500 万千瓦的风能装机容量；2020 年,国内的风电装机容量将是现在的 10 倍。统计结果显示2015年全国并网风电为7548万千瓦[3]，同比增长 24.5%；风电设备平均利用小时数为2080，同比增幅达151%，增幅显著。风电新增装机容量比上年增长24%，达到1610万千瓦，稍高于市场预期的1500万千瓦。2016年国家提出新增风电装机1800万千瓦[4]的新目标。
在风机组的工作中，风机齿轮箱由于长期是在外部环境中，由于风机齿轮会长期工作在交变重载条件下，因此，风机齿轮需要通过渗碳处理来提高其表面材料的机械性能。在风机齿轮材料性能检测当中一个重要的指标就是材料的表面硬度。一般情况下，都是通过硬度计或者压痕法等一些破坏性的检测方法通过对材料样件进行抽样检测来对材料的硬度进行检测。基于这个背景下，而基于巴克豪森噪声的无损检测技术已被证实可以检测和评估材料的微观结构，所以本课题提出用巴氏噪声检测技术来对风机齿轮的材料表面硬度进行检测，通过对材料的微观结构进行检测和评估从而实现硬度的检测。
巴克毫森噪声（Magnetic Barkhausen Noise）法是利用巴克毫森效应来检测铁磁材料的硬度及应力等性质。巴克毫森效应是 1919 年首先由德国物理学家巴克毫森（H. Barkhausen）发现的，故称巴克毫森效应，简记为MBN[16]。
巴氏噪声技术的机理：铁磁性物质由类似栅状磁体的微小磁化区域的磁畴组成。每个磁畴沿着易磁化方向的晶格被磁化。磁畴之间由磁畴壁隔离。当铁磁材料受到外界激励磁场作用后,磁畴壁被迫前后移动。它的移动导致相对另一侧磁畴壁在尺寸上的变化(压缩-涨大),从而引起整体的磁感应强度发生变化。当磁畴壁发生移动时,若将一根线圈放置在试件附近，磁感应强度的变化，将会使导线诱发一脉冲电流，此脉冲电流甚微并且是离散性的。当磁畴壁在一有限体积内产生的脉冲迭加在一起时,便聚集成一种可测到的如同噪声信号的电信号,即巴克豪森噪声。
虽然巴氏噪声效应发现的较早，理论研究也开展得很早，但很多理论仍很不成熟，还需进一步完善或重新认识。所以本课题用巴氏噪声检测技术来对风机齿轮的材料表面硬度进行检测非常具有研究意义。
二、所用技术的研究现状，包含存在的问题
（一）风电机组齿轮箱发展状况
齿轮箱作为风力发电机组中一个重要机械部件[5]，其主要功能是将风轮产生的动力传递给发电机并使其达到相应的转速。在通常情况下，风轮的转速远达不到发电机所要求的转速，此时齿轮箱的副轮便可起到增速的作用，所以风机齿轮箱也被叫做增速箱[6]。根据机组的总体要求，有两种设计方案，第一是将与风轮轮毂直接相连的传动轴与齿轮箱合为一体，另一种是利用涨紧套装置或者联轴链接结构将齿轮箱与大轴分别布置。齿轮箱的输入和输出端所设置的刹车装置是为了增加机组的制动能力，同时配合定浆距风轮或者变浆距制动装置使机组传动系统达到联合制动。
另外，齿轮箱的材料: 外齿轮材料为像17CrNiMo6这样的优质低碳合金结构钢，内齿轮材料为42CrMoA，内齿圈磨齿，外齿轮渗碳淬火磨齿，精度在 ISO1328 之6级以上，轴承多为双列向心球面滚子轴承，单列园柱滚子轴承等，并且全部选用 SFK、FAG、NSK等进口轴承[7]。
（二）风机齿轮材料的检测研究
铁磁性材料具有良好的弹性、塑性，并且具有坚硬、耐腐、实用、取之方便、价格便宜等特点，被广泛应用于机械加工、石油化工、铁路交通、航空、建筑等工业领域，是目前乃至今后工业领域中普通材料无法替代的工业材料[8]。在工业生产中，由铁磁材料加工的零部件及构成的产品，人们最关心的是在使用过程中的质量问题:在工程技术领域，如建筑物、桥梁、铁塔等人们关心的是在使用过程中的寿命问题[9]。其中，本课题研究的风机齿轮的表面材料就是由铁磁材料组成的。表面硬度是材料结构构件中一个重要的参数[10]。目前，检测钢铁材料及其构件的表面硬度，仍不能用通常的测力手段直接测量结构的表面硬度，一般都通过测量由表面硬度引起的材料的某种物理参数的变化，间接地得出应力的大小和方向。针对风机齿轮结构表面硬度的检测方法，可归纳为:有损检测法、无损检测法[11]。下表是在钢铁件中常用的有损硬度检测法分类及比较：
表1 常用的有损硬度检测法的分类及比较
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有损检测方法 |
缺点 |
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静压法（硬度计） |
以材料进行压痕间接测取硬度值，造成物件损坏，不易实时检测 |
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锉试法 |
以擦痕深浅判定硬度值，不准确，造成物件损坏，不易实时检测 |
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回跳法 |
测量值不准确，不易实现在线、即时检测 |
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划痕法 |
造成物件损坏，不易实现在线、即时检测 |
由上表可以看出，有损硬度检测法:主要包括静压法（硬度计）、锉试法、回跳法、划痕法。它们都可以对硬度进行测试研究，但是由于精度，破损检测，不易实现在线、即时检测[12] 等问题而呈现不同的局限性。所以，对材料硬度进行无损检测的研究越发重要。
在我国，对材料的表面硬度的无损检测的研究也越来越引起广泛的重视。所谓无损检测是指在不破坏或不损伤受检对象的前提下，测定和评价物质内部或外表物理和机械性能，并包括各类缺陷和其他技术参数的综合性应用科学。然而，作为生产领域中的检测技术，无损检测技术只局限于对材料和工件的探伤与评估。随着近代物理学、材料学、机械、电子等各学科的发展，新的无损检测技术模式还在不断出现，并逐渐成为一门富有生命力的新型专门技术学科[13]。
对材料的传统的无损检测的手段主要包括:超声波检测、涡流检测、激光检测、x射线检测及磁效应检测等方法[14]。下表是部分检测法之间的比较：
表2 常用的无损硬度检测法的分类及比较
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无损检测方法 |
缺点 |
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超声波检测法 |
不易检查形状复杂的工件，要求被检查表面有一定的光洁度 |
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涡流检测法 |
不适用于形状复杂的零件,而且只能检测导电材料的表面和近表面缺陷,检测结果也易于受到材料本身及其他因素的干扰 |
从70年代以后，国际上开始研究用磁弹波技术对各种铁磁性材料进行探伤或性能的测试。磁弹波的物理属性为弹性的电磁波，利用它可以开展硬度检测的研究:材料硬度值的获取与材料的弹性极限、弹性模量、屈服极限、脆性乃至材料的结晶状态、分子结构和原子键结合力有关。目前，硬度实验的应用极为普遍，特别是热加工状态下的检测，比如产品在役过程中的磨焦、刀具表面的磨损、轴承套及滚珠快速移动过程中在线硬度检测、变速箱齿轮的咬合过热等[15]。
三、针对存在问题，提出研究目标
从以上的国内外研究现状可以看出，目前国内外关于材料特性的研究涉及范围十分广泛，同时将巴氏噪声法应用在材料各种特性检测上的研究也有很多。但是将巴氏噪声检测技术应用在风机齿轮材料表面硬度上的研究几乎是一片空白。基于这个背景，笔者在本文的研究中，通过将巴克豪森噪声的无损检测技术应用在风机材料的表面硬度的检测与评估上有着十分重要的理论意义与现实意义。2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
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一、研究或解决的问题： 虽然对于硬度检测的实验已经有很多，但是还是有许多需要改进的地方，研究问题体现在以下几方面： 1.对对象物件会造成不同程度的损坏。 2.对被测物体表面有要求。 3.对复杂构件的检测。 4.测量值不太准确， 5.不易实现在线、即时检测 从以上的国内外研究现状可以看出，目前国内外关于材料特性的研究涉及范围十分广泛，同时将巴氏噪声法应用在材料各种特性检测上的研究也有很多。但是将巴氏噪声检测技术应用在风机齿轮材料表面硬度上的研究几乎是一片空白。基于这个背景，笔者在本文的研究中，通过将巴克豪森噪声的无损检测技术应用在风机材料的表面硬度的检测与评估上有着十分重要的理论意义与现实意义。 二、拟采用的研究手段： 本文研究的主要目标就是根据巴氏噪声检测仪所得检测数据，通过Mat lab软件，合理设计算法计算特征参数，并从结果中总结归纳被测材料表面硬度与巴氏噪声特征参数之间的关系。研究手段如下： 1.文献阅读法：在确定选题后，搜集有关风机齿轮材料硬度检测方法的相关文献资料，进行梳理总结，在借鉴已有研究成果的基础上，提炼相关知识，作为本文研究的理论基础。 2.实验分析法：在本文的研究中，通过将巴氏噪声检测技术这一检测方法应用在风机齿材料硬度的检测中，步骤如下： 1）熟悉Matlab软件的操作，用其实现信号时域特征提取算法； 2）根据实验设计进行操作并采集数据并且编写M文件实现巴氏噪声信号时域特征提取算法。 3）合理绘制图表； 4）比较材料表面硬度对巴氏噪声特征值的影响； 5）总结规律； 3.遇到疑难问题及时向老师请教，以便准确得出结论。
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