风力发电是新能源的重要发展方向之一，而风电机组长期、全天候在恶劣复杂的工作环境下运行，其安全性、稳定性尤为重要。齿轮的主要作用是动力传输，同时也是非直驱式风力发电机的关键部件，一旦发生故障，会直接影响风电机组的稳定工作和使用寿命，因此保证其正常运作对整个风电机组系统具有重要的意义。
齿轮的典型缺陷类型主要包括疲劳裂纹、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、断齿以及在加工过程中易出现的磨削烧伤等，这些类型的缺陷一般出现在轮齿齿面上，在风电机组齿轮箱故障中占有较大比例。
国内外研究机构在风电机组齿轮检测和监测方面已经取得一定成果，但均存在一定弊端，如机器视觉技术目前无法满足工业无损检测的灵敏度要求，且对工作环境要求较高；监测方法多数需要连贯、系统地使用整套设备，而国内的系统化研究起步较晚，很少有风场配备整套的监测系统；振动分析对齿轮早期故障的预测有一定的局限性，往往需要协同使用其他检测手段；巴克豪森噪声技术只能检测出齿轮表面及近表面缺陷，对于内部缺陷的检测灵敏度不高且检测时间较长，操作复杂。
针对目前风电机组齿轮检测的难点，南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室的科研人员提出一种基于地磁场的被动式弱磁检测技术。该技术方法操作简易便捷，扫查速度快且灵敏度高，在检测过程中不需要耦合或外加激励，所采用的弱磁探头能满足对表面缺陷和内部缺陷的检测需求。
弱磁检测原理
在地磁场的作用下，任何处于其中的物质都会发生或多或少的磁化。如果物质是连续且均匀的，其磁导率也应是相同且无变化的。因此，当齿轮不存在缺陷时各位置的磁导率相同，在地磁场磁化下表面的磁感应强度也是均匀稳定的；反之，若存在缺陷，那么在缺陷处的磁导率会发生突变，磁感应强度也会在缺陷附近发生变化。
表面缺陷和内部缺陷的弱磁检测信号对比如图1所示，当缺陷位于齿轮表面时，因为空气的相对磁导率比工件的相对磁导率小，则通过弱磁探头采集到的缺陷处的磁感应强度会变小，所以曲线呈现下凹的状态；当缺陷位于齿轮内部时，因为缺陷处的磁感应线被排斥，所以缺陷上方的磁感应强度增大，采集到的磁感应曲线呈现上凸的磁异常现象。
图1 表面缺陷和内部缺陷的弱磁检测信号对比
弱磁检测试验
检测试验中所使用的试样材料为低合金高强度钢，牌号为17Cr2Ni2Mo，其优异的耐腐蚀性和抗疲劳性能使其常被作为齿轮、轴承等重要机械部件的制造材料，1号和2号试样结构分别如图2和图3所示。
CT和巴克豪森噪声
图2 1号试样结构示意
（17Cr2Ni2Mo合金钢板）
图3 2号试样结构示意
（风电机组齿轮）
其中1号试样的厚度为4 mm，有4处人工预制的表面裂纹缺陷；2号试样含有一处位置未知的磨削烧伤。齿轮在疲劳磨损或应力集中处易萌生自然细小裂纹，一般裂纹宽度并不大，因此1号试样的预制裂纹缺陷长度均为10 mm，宽度从左至右分别为0.35，0.45，0.4 mm，0.3 mm，对1号试样进行正面扫查以模拟检测齿轮的表面裂纹缺陷，试样背面材料均匀且无表面缺陷，对其背面进行扫查以模拟检测内部缺陷；将2号试样的轮齿齿面作为检测面以模拟检测磨削烧伤缺陷。
采用实验室自主研发的弱磁检测探伤仪检测上述试样，并多次反复试验以验证其重复性。弱磁探头采用高精度磁通门传感器，其量程为±250000 nT，灵敏度可达1 nT，采样频率为25 Hz，最多可组成12通道的阵列探头，根据试样尺寸此次试验选用单探头。
检测时，需要将试样放置于稳定的磁场环境内，将弱磁探头放置于待测试样表面，接着采用人工手动扫查的方式，沿着扫查方向匀速稳定、不间断地采集试样的磁感应信号，且扫查速度不超过 5 m/min，信号处理后采用其他无损检测方法对2号试样进行检测，以进行对比验证。
原始信号分析 分别检测了1号试样的正面和背面以及2号试样，两个试样的磁感应强度相差数十倍，且1号试样的磁感应强度极差相对较小，其原因是2号试样在复杂的加工流程和周期性外力载荷的作用下，产生了力磁效应而导致整体的磁感应强度变高。 两个试样的弱磁检测原始信号曲线如图4所示。由图4(a)和(b)可以看出，两次检测分别在距离为60，120，180，240 mm附近都出现了不同程度的磁异常现象，正面检测的原始信号中呈下凹状是因为检测的是1号试样正面的表面缺陷，背面同理，此时弱磁检测信号呈现的变化趋势和缺陷位置都与实际缺陷情况相符。
CT和巴克豪森噪声检测对比试验
采用工业CT对2号试样进行扫描和三维成像，检测结果如图6所示，结合4张图片可以直观地了解被检物体内部的结构和损伤情况：被检试样中未发现裂纹、点蚀、磨损等工业CT能检测出的缺陷类型。
图6 2号试样的CT扫描和三维成像结果
由于工业CT无法检测出磨削烧伤，在不损伤试样的前提下，采用巴克豪森噪声技术验证2号试样是否存在磨削烧伤。
巴克豪森噪声检测法（MBN）在检测铁磁性材料过程中，遇到硬度或残余压应力减小时MBN信号均方根值会增大，故当出现信号在某一区域曲线突然增大时可以确定其为磨削烧伤。
经过反复试验，设置激励电压为3 V，频率为45 Hz以取得最好的检测效果。根据拉依达准则画出上阈值线x̄+3s，作为信号曲线突增程度的判断依据，若超过阈值线则认为存在磨削烧伤缺陷。
2号试样的MBN均方根值曲线如图7所示，可见距离为125~130 mm处的MBN均方根值高于该组数据的阈值线，由此可以判断该位置处出现了异常信号，为磨削烧伤，与弱磁检测试验结果一致，验证了弱磁检测技术检测风电机组齿轮的可行性。
图7 2号试样MBN均方根值曲线
结论 通过设计风电机组齿轮缺陷检测试验，利用弱磁检测技术对两个试样的不同类型缺陷进行检测，分析磁感应强度数据，并利用CT检测和巴克豪森噪声检测进行验证，得出如下结论： (1) 在地磁场的环境下，弱磁检测技术作为风电机组齿轮缺陷检测的新方法，可有效、快速地对齿轮表面和内部裂纹以及磨削烧伤进行检测，且定位准确。 (2) 运用Symlets小波分析并基于拉依达准则取阈值线对弱磁检测信号进行处理和缺陷判别，在提升信噪比、提取缺陷信号方面有很好的效果，进而能得到更准确可靠的弱磁检测信号曲线。 作者：李丰芫，于润桥，陈靖博，林玉婷，刘松源 工作单位：南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室 第一作者简介：李丰芫，硕士研究生，主要研究方向为电磁无损检测技术。 通信作者简介：于润桥，教授，主要从事电磁无损检测及弱磁仪器开发等方面的研究工作。 来源：《无损检测》2024年6期
