軸承作為重要的(de)機(ji)(ji)(ji)械基礎(chu)件(jian)，其(qi)質量直接(jie)決定著機(ji)(ji)(ji)械產(chan)品(pin)的(de)性能以及可靠性。國家工(gong)信部規劃(hua)司在機(ji)(ji)(ji)械領域(yu)“三(san)基”（機(ji)(ji)(ji)械基礎(chu)件(jian)、基礎(chu)制造工(gong)藝和(he)(he)基礎(chu)材料）產(chan)業“十二五”發展規劃(hua)中明(ming)確，指出圍繞(rao)重大裝備和(he)(he)高端裝備配套(tao)需求，重點發展高速、精密、重載軸承。
軸(zhou)(zhou)承作為機(ji)械(xie)裝置(zhi)中最常用(yong)也最重要的(de)零部件(jian)之一，其(qi)失(shi)效將直接導致設備故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)(zhang)、生(sheng)產受阻甚(shen)至是人員傷亡。據統計，在旋轉機(ji)械(xie)的(de)現場故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)(zhang)中，由(you)于軸(zhou)(zhou)承套(tao)(tao)圈損傷而引起的(de)故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)(zhang)大約(yue)(yue)占30％，其(qi)中大約(yue)(yue)90％的(de)故(gu)(gu)障(zhang)(zhang)(zhang)來自軸(zhou)(zhou)承套(tao)(tao)圈的(de)裂紋(wen)。因此提高(gao)軸(zhou)(zhou)承套(tao)(tao)圈的(de)裂紋(wen)檢測能力尤為重要。
目前，軸承套圈檢測(ce)(ce)方法(fa)(fa)主要有磁粉(fen)檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超(chao)聲(sheng)檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)、機器視(shi)覺法(fa)(fa)、巴克豪森(sen)法(fa)(fa)、聲(sheng)發射檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)等。其中，磁粉(fen)檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超(chao)聲(sheng)檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢測(ce)(ce)法(fa)(fa)使用較為普遍。
磁粉(fen)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法檢(jian)(jian)(jian)驗靈敏度高，缺陷(xian)顯(xian)示直觀(guan)，不(bu)受工件大小和形(xing)狀的(de)限制，但是操作(zuo)復雜(za)，生產率(lv)低，且對環(huan)境(jing)有(you)一(yi)定污染(ran)，磁痕觀(guan)察需要人工參與，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)結果(guo)受檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)人員主觀(guan)意識和操作(zuo)經(jing)(jing)驗影響，難以(yi)(yi)踐行(xing)統一(yi)的(de)質量標(biao)準；超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法在國外使用(yong)較(jiao)為廣泛(fan)，歐洲已頒布相應(ying)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)標(biao)準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法由于裂紋取向及(ji)聲耦合對其影響大，難以(yi)(yi)適應(ying)軸承套(tao)圈形(xing)狀，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)精(jing)度不(bu)高，需要檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)者有(you)豐富經(jing)(jing)驗，所以(yi)(yi)影響了其在國內市場的(de)推廣；渦流檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法可實現(xian)非接觸式檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)，但是受工件形(xing)狀影響大，且結果(guo)多以(yi)(yi)阻抗分析圖的(de)形(xing)式展現(xian)，不(bu)直觀(guan)，多用(yong)于軸承圓柱滾子的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)。
為解決軸(zhou)承生產(chan)中出(chu)現(xian)的實(shi)際問題，下面介紹一種基于(yu)漏磁(ci)原理的軸(zhou)承套圈裂紋檢(jian)測方法(fa)與裝置，可(ke)實(shi)現(xian)軸(zhou)承套圈的自動化(hua)高效(xiao)檢(jian)測。
一、檢(jian)測(ce)原(yuan)理
軸承套圈作為(wei)一(yi)種(zhong)精密零部件，其表面質量(liang)較高，生產(chan)過程中產(chan)生的裂紋(wen)多呈(cheng)現出(chu)開口窄、長度短、深度淺的特點，屬于典型的微小尺寸裂紋(wen)檢測(ce)問題。
1. 軸承套圈的(de)材(cai)料、結構、待檢測部位(wei)及缺(que)陷形式(shi)
a. 軸承(cheng)鋼(gang)的主要種類
1）高(gao)碳鉻(ge)軸承鋼：年(nian)產量約占軸承鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其(qi)中GCr15 高(gao)碳鉻(ge)軸承鋼由德國于1905年(nian)研制成功，得到了廣泛應用。
2）滲(shen)碳軸承(cheng)鋼(gang)：經滲(shen)碳處理，兼具表面高硬高耐磨性及內部韌性。在美(mei)國的產量(liang)(liang)約占軸承(cheng)鋼(gang)總產量(liang)(liang)的30％，在中國僅占3％左右。
3）中(zhong)碳軸承鋼(gang)：工(gong)藝相對簡(jian)單，且同(tong)樣達(da)到(dao)表(biao)面硬化(hua)效果，近年來發展較快。
4）不(bu)銹(xiu)鋼(gang)軸承鋼：用于制造在腐蝕環境下工作的軸承及某些部件。
不同(tong)材質或是相同(tong)材質、不同(tong)熱處理(li)工藝均會對(dui)軸承鋼(gang)(gang)的(de)磁化特性產生巨大影響，不同(tong)的(de)磁化特性對(dui)應不同(tong)的(de)磁化裝置參數，本書使用最為(wei)廣泛的(de)GCr15軸承鋼(gang)(gang)作為(wei)研究對(dui)象。
b. 軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)的結構及待檢測部位 成(cheng)品軸承(cheng)(cheng)一(yi)般由軸承(cheng)(cheng)外(wai)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)、軸承(cheng)(cheng)內套(tao)(tao)(tao)圈(quan)、滾(gun)子保持架(jia)、滾(gun)子及附件組(zu)成(cheng)，軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)結構形式(shi)較(jiao)(jiao)為(wei)多樣，同(tong)一(yi)套(tao)(tao)(tao)裝(zhuang)備(bei)難(nan)以(yi)同(tong)時(shi)滿足所有(you)類型(xing)軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)的檢測需求(qiu)，研究(jiu)其(qi)中使用較(jiao)(jiao)為(wei)廣泛的圓錐滾(gun)子軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)具有(you)重要意(yi)義，相關研究(jiu)方法(fa)可方便地(di)變通之后(hou)推廣到其(qi)他類型(xing)軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)。
如圖7-62所示，圓錐滾(gun)(gun)子軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)為(wei)(wei)旋(xuan)轉對稱(cheng)零件，外圈(quan)可看(kan)作由(you)梯形繞(rao)中(zhong)心軸(zhou)(zhou)旋(xuan)轉360°而(er)成，上下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)(wei)圓環(huan)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)(wei)圓柱面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，內表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)(wei)圓錐面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)；內圈(quan)結構稍顯復雜，上下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)(wei)圓環(huan)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)主(zhu)體為(wei)(wei)圓錐面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，沿(yan)軸(zhou)(zhou)向兩(liang)端(duan)含工藝(yi)槽及(ji)滾(gun)(gun)子定位臺(tai)階(jie)，內表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)(wei)圓柱面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。
軸(zhou)承外(wai)圈待(dai)檢(jian)測(ce)面(mian)包含內圓錐(zhui)面(mian)1、外(wai)圓柱面(mian)2、下端面(mian)3和上端面(mian)4。軸(zhou)承內圈待(dai)檢(jian)測(ce)面(mian)包含外(wai)圓錐(zhui)面(mian)1、內圓柱面(mian)2、下端面(mian)3、上端面(mian)4。
c. 軸承套圈(quan)的裂紋(wen)形式及(ji)產生原因
1）材料裂(lie)紋(wen)(wen)：材料裂(lie)紋(wen)(wen)產(chan)生的原因主要是(shi)內(nei)(nei)部氣泡(pao)、嚴重的非(fei)金屬夾雜等(deng)，沿(yan)軋制方(fang)向(xiang)(xiang)呈直(zhi)線(xian)分(fen)布(bu)，以(yi)表(biao)(biao)面裂(lie)紋(wen)(wen)或折疊(die)的形(xing)式呈現，在(zai)內(nei)(nei)部走(zou)(zou)向(xiang)(xiang)多指向(xiang)(xiang)圓心，且折疊(die)裂(lie)紋(wen)(wen)走(zou)(zou)向(xiang)(xiang)與表(biao)(biao)面近乎平(ping)行，漏(lou)磁場微弱(ruo)。
2）發(fa)紋(wen)：材料表面或近表面毛發(fa)狀(zhuang)的(de)細小裂紋(wen)，由(you)鋼錠皮(pi)下(xia)氣(qi)泡(pao)或夾雜(za)引起。外觀(guan)細小，一般長(chang)1～3mm，目檢時(shi)不易(yi)發(fa)現。
3）鍛(duan)造(zao)裂紋：包(bao)括(kuo)鍛(duan)造(zao)折(zhe)疊(die)裂紋（切料不(bu)齊、毛(mao)刺、飛邊以及操作(zuo)不(bu)當等原(yuan)因造(zao)成(cheng)）、過(guo)(guo)(guo)燒（鍛(duan)件溫度過(guo)(guo)(guo)高或保溫時(shi)間過(guo)(guo)(guo)長造(zao)成(cheng)）、濕裂（停(ting)鍛(duan)溫度較高，冷(leng)(leng)卻(que)時(shi)局部或全部碰(peng)到冷(leng)(leng)卻(que)水而急冷(leng)(leng)）、內(nei)裂（鍛(duan)造(zao)時(shi)加熱(re)速度過(guo)(guo)(guo)快，表面(mian)升(sheng)(sheng)溫高而內(nei)部升(sheng)(sheng)溫慢(man)引起(qi)，一般(ban)出現在(zai)壁厚較大(da)處(chu)）。鍛(duan)造(zao)裂紋較粗大(da)，形(xing)狀(zhuang)不(bu)規則(ze)，存在(zai)鍛(duan)件表面(mian)，磁(ci)(ci)化時(shi)漏磁(ci)(ci)場較弱，磁(ci)(ci)痕顯示不(bu)太清晰，剩(sheng)磁(ci)(ci)法檢測容易產生漏檢。
4）淬火(huo)裂紋：因淬火(huo)時產生的熱應力及組(zu)織應力引起(qi)，外(wai)貌極不規則(ze)，多在(zai)外(wai)徑(jing)上(shang)，嚴(yan)重時延伸到端面(mian)，一般較(jiao)深。
5）磨(mo)削裂紋：磨(mo)削時(shi)冷卻不(bu)良，瞬(shun)時(shi)高溫引起表(biao)面應力集中，即會(hui)產生磨(mo)削裂紋，主要分布在端(duan)面、擋邊、滾(gun)道、內徑及打字處，外徑表(biao)面較少出現(xian)，呈現(xian)短、淺、細的特點(dian)，與磨(mo)削方向(xiang)垂直或成一定角度。
2. 軸承套圈裂紋(wen)漏磁檢測(ce)系統的特點
軸承套(tao)圈裂紋漏磁(ci)檢(jian)測(ce)系統的(de)(de)優勢在于：可(ke)實現上下料(liao)、檢(jian)測(ce)、分選、退磁(ci)一(yi)體化自動化，極大地提(ti)高了(le)檢(jian)測(ce)效率，降低了(le)工人(ren)的(de)(de)勞動強度(du)。
然而，在具體(ti)的(de)工程實施中(zhong)，存在以下要點及難點：
1）軸承套圈(quan)尺(chi)寸形狀(zhuang)規(gui)格繁多，如何實(shi)現通用化(hua)(hua)檢測(ce)或者實(shi)現一(yi)定范圍內的通用化(hua)(hua)檢測(ce)存在工程(cheng)實(shi)施難度。
2）隨著軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)的(de)提(ti)升，軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)表(biao)面加(jia)工(gong)質量越來(lai)越高，生(sheng)產過程中產生(sheng)的(de)裂紋(wen)多(duo)呈現出開口窄、深度淺的(de)特點，屬于(yu)典(dian)型的(de)微小尺寸(cun)裂紋(wen)檢測問(wen)題，提(ti)高磁化能(neng)力、提(ti)高傳(chuan)感器檢測靈敏(min)度及(ji)空間分(fen)辨力、提(ti)高信號(hao)(hao)處理(li)能(neng)力以在較強(qiang)背景噪聲中提(ti)取有效信號(hao)(hao)是關(guan)鍵。
3）軸承(cheng)套圈(quan)尤其是軸承(cheng)內圈(quan)的結(jie)構較(jiao)為復雜，需從結(jie)構及(ji)布置(zhi)方式著手，減小提離(li)值并(bing)最大限度地覆蓋待檢(jian)測部位(wei)。
4）自(zi)動化生產線多為流(liu)水式，效率(lv)高(gao)、速度(du)快，因此高(gao)速檢(jian)測工藝應簡潔高(gao)效，且可以順暢地(di)與生產線相融合。
3. 軸承套圈漏磁(ci)(ci)檢測的勵磁(ci)(ci)方(fang)法(fa)與裝置
軸(zhou)承套(tao)(tao)圈的(de)磁化方(fang)式直(zhi)接(jie)和漏(lou)磁場信號(hao)強(qiang)弱相關，其(qi)選擇及(ji)設計非常重要。常見(jian)的(de)軸(zhou)承套(tao)(tao)圈周向磁化方(fang)法(fa)有中心導體法(fa)、直(zhi)接(jie)通電法(fa)和繞電纜法(fa)，其(qi)優缺點見(jian)表(biao)7-5。
對比之后不(bu)難看(kan)出，上述方(fang)法(fa)均不(bu)適(shi)用(yong)(yong)于(yu)(yu)自動化(hua)(hua)漏磁(ci)檢測，為此，采用(yong)(yong)如圖7-63所示(shi)的(de)軸承周向(xiang)磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)法(fa)，磁(ci)化(hua)(hua)器由U形鐵心纏(chan)繞線(xian)圈(quan)制成，可更(geng)換的(de)磁(ci)極可以(yi)滿足不(bu)同規(gui)格軸承套圈(quan)的(de)磁(ci)化(hua)(hua)需求。通過ANSYS仿真可以(yi)看(kan)出，此種(zhong)磁(ci)化(hua)(hua)方(fang)式在(zai)遠離磁(ci)極的(de)位置可以(yi)獲(huo)得比較均勻(yun)的(de)周向(xiang)磁(ci)場，且該磁(ci)化(hua)(hua)器結構可以(yi)方(fang)便(bian)地與流(liu)水生產線(xian)相結合，便(bian)于(yu)(yu)實現自動化(hua)(hua)。
選用16種軸(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)中橫(heng)截面積最(zui)大的(de)27315EK 02軸(zhou)承內圈(quan)(quan)，為保證仿(fang)真(zhen)順利進(jin)行，此處(chu)對仿(fang)真(zhen)裂紋(wen)進(jin)行了一(yi)定的(de)簡化(hua)，裂紋(wen)尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深(shen)）x3.0mm（長），x0.2mm上(shang)、下端面各1條(tiao)裂紋(wen)，沿軸(zhou)向(xiang)內表面等間距均(jun)勻(yun)分布(bu)3條(tiao)裂紋(wen)，外表面1條(tiao)裂紋(wen)。周向(xiang)磁化(hua)器仿(fang)真(zhen)模型如(ru)圖7-64所示。
仿真結果如圖(tu)7-65所示，通過對比可知：
1）上端面(mian)和內表(biao)(biao)面(mian)裂(lie)紋漏磁場B，分量圖像基(ji)本(ben)吻合，表(biao)(biao)明在該磁化(hua)方式及磁化(hua)強度下，上端面(mian)與內表(biao)(biao)面(mian)具有(you)較(jiao)為一致(zhi)的磁化(hua)效果。
2）沿軸(zhou)向等(deng)間距分(fen)布的內表(biao)面裂紋1、2、3漏磁場分(fen)量圖像基本吻(wen)合，表(biao)明在(zai)該磁化強度下(xia)，內表(biao)面磁化一(yi)致性較好(hao)，與(yu)裂紋離(li)磁極的距離(li)無關。
3）下端面(mian)裂(lie)紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B分(fen)量圖像與(yu)外(wai)表面(mian)裂(lie)紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B,分(fen)量圖像基(ji)本吻合，但(dan)是(shi)相比(bi)于上端面(mian)、內表面(mian)強度更(geng)小。這是(shi)由于下端面(mian)壁厚較(jiao)大，而(er)外(wai)表面(mian)由于位于套圈(quan)外(wai)圍(wei)，距離磁(ci)化場(chang)較(jiao)遠，且磁(ci)場(chang)向(xiang)空(kong)氣中擴散更(geng)為嚴重。
為了補(bu)償壁(bi)厚及套(tao)圈(quan)高(gao)度引起(qi)的磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不(bu)一致，需要進一步加強磁(ci)(ci)(ci)化(hua)強度，使(shi)得(de)軸承套(tao)圈(quan)達到過(guo)飽和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態。然(ran)而(er)在實際檢測過(guo)程(cheng)中，使(shi)得(de)軸承套(tao)圈(quan)各(ge)個部分均達到飽和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態需要極(ji)多(duo)的線圈(quan)匝數或極(ji)大的磁(ci)(ci)(ci)化(hua)電流(liu)，對于非定量軸承套(tao)圈(quan)檢測而(er)言，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)的意(yi)義在于使(shi)得(de)最(zui)苛(ke)刻指標的缺(que)陷仍可得(de)到較理想的信噪比(bi)即(ji)可，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不(bu)一致引起(qi)的漏磁(ci)(ci)(ci)場信號不(bu)一致可在軟件中予以(yi)修(xiu)正。
如圖7-66所示，以GCr15（840℃油(you)淬(cui)，190℃回火）為例(li)，根據電磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)原理，將工件磁(ci)(ci)(ci)化(hua)至飽和或近飽和狀態時，有(you)利于裂紋(wen)漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場的(de)形(xing)成與擴散(san)，取近飽和區(qu)的(de)H＝14800A／m點，此時對應的(de)磁(ci)(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)B≈1.125125T。以16種軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)中(zhong)橫截面(mian)積最大(da)(533.5n5m㎡)的(de)27315EK 02軸承(cheng)(cheng)內(nei)圈(quan)為例(li)，大(da)約為4075安(an)匝(za)。由于本計算模型沒有(you)考慮泄漏(lou)到空(kong)氣中(zhong)的(de)磁(ci)(ci)(ci)通、磁(ci)(ci)(ci)滯損耗、渦流損耗，因(yin)此將計算出(chu)的(de)結果乘以安(an)全系數(shu)(shu)1.1，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器(qi)εm=NI=4482安(an)匝(za)。線圈(quan)匝(za)數(shu)(shu)為600，選用φ1.7mm銅線繞制而成，通入7.5A的(de)電流即可滿足磁(ci)(ci)(ci)化(hua)要求。
根據上述(shu)計算結果，設計得到如圖(tu)7-67所示(shi)的周向勵磁(ci)裝置，磁(ci)極部分可(ke)更換以適應不同規(gui)格的軸(zhou)承套圈(quan)，磁(ci)化(hua)器封(feng)罩用于保護(hu)內(nei)部漆包線，封(feng)罩上開百葉窗(chuang)輔助散熱(re)，加裝軸(zhou)流式風扇(shan)散熱(re)以保證磁(ci)化(hua)器可(ke)長期(qi)工(gong)作。
二、檢測探(tan)頭
圖7-68所(suo)示(shi)為(wei)(wei)永(yong)磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)軛探頭(tou)，它主要由磁(ci)(ci)頭(tou)、永(yong)磁(ci)(ci)鐵S極(ji)(ji)、永(yong)磁(ci)(ci)鐵N極(ji)(ji)、橋接(jie)銜(xian)鐵及隔片(pian)組(zu)成，隔片(pian)用于調節磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間距。檢(jian)測時，“N極(ji)(ji)→軸承套圈(quan)→S極(ji)(ji)→橋接(jie)銜(xian)鐵”形成磁(ci)(ci)回路，如遇裂紋，漏磁(ci)(ci)場將被(bei)磁(ci)(ci)頭(tou)捕捉。永(yong)磁(ci)(ci)鐵尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正(zheng)對軸承套圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)(ci)極(ji)(ji)面。信(xin)號放(fang)大電路為(wei)(wei)10×100倍兩級放(fang)大，軟(ruan)件放(fang)大500倍。
如圖(tu)7-69所示，檢測對(dui)象為GCr15軸承套(tao)圈(quan)(quan)，大端面刻蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻槽。軸承套(tao)圈(quan)(quan)表面光滑，無銹蝕(shi)。
不同磁(ci)極(ji)間(jian)距(ju)檢測結果對比(bi)如(ru)圖7-70所示。磁(ci)極(ji)間(jian)距(ju)15mm時，可檢出(chu)(chu)信(xin)號(hao)，但信(xin)噪比(bi)不高(gao)，這(zhe)是由于磁(ci)極(ji)離磁(ci)心過近(jin)使之飽和(he)的緣(yuan)故；磁(ci)極(ji)間(jian)距(ju)17mm時，可檢出(chu)(chu)信(xin)號(hao)，且信(xin)噪比(bi)最佳；磁(ci)極(ji)間(jian)距(ju)19mm時，不能(neng)檢出(chu)(chu)信(xin)號(hao)。永磁(ci)體尺(chi)寸換(huan)為(wei)(wei)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對軸承套(tao)圈，為(wei)(wei)磁(ci)極(ji)面時，不能(neng)檢出(chu)(chu)信(xin)號(hao)，同理這(zhe)也是磁(ci)心飽和(he)的緣(yuan)故。
通過上述分(fen)析不難發現，含磁心線(xian)圈用于檢測時，需特別注意磁心飽和的問題，局部磁化在一定程度上降低了磁化成本和磁化難度，但(dan)是由于磁化器距(ju)離傳(chuan)感(gan)器較近，對傳(chuan)感(gan)器的影響也較大(da)。
短路(lu)磁(ci)(ci)通(tong)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)與(yu)磁(ci)(ci)心前端氣隙寬(kuan)度(du)(du)g、深度(du)(du)h有關；提離(li)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)與(yu)提離(li)值相關，在實際工程中體現在探(tan)頭(tou)(tou)耐(nai)磨層(ceng)厚度(du)(du)及(ji)(ji)探(tan)頭(tou)(tou)機構的設計；低(di)頻損(sun)耗(hao)(hao)(hao)與(yu)裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)信號空間(jian)分布相關，即與(yu)裂(lie)紋尺(chi)寸(cun)及(ji)(ji)磁(ci)(ci)化狀況相關；氣隙寬(kuan)度(du)(du)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)與(yu)氣隙寬(kuan)度(du)(du)g、裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)信號空間(jian)分布相關；方位(wei)角損(sun)耗(hao)(hao)(hao)可歸(gui)為提離(li)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)；磁(ci)(ci)滯(zhi)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)可忽略；渦流(liu)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)可以從磁(ci)(ci)心材料、探(tan)頭(tou)(tou)工藝等方面著手降低(di)。
因此，從探頭設(she)計的(de)角度出發，主(zhu)要關(guan)注磁心(xin)前端氣隙寬度g、深度ha。
如圖7-71所(suo)示，磁(ci)頭式傳(chuan)感器主(zhu)要(yao)由(you)線圈、兩片磁(ci)心(xin)主(zhu)瓣、兩片磁(ci)心(xin)旁瓣組成(cheng)，前端(duan)縫隙(xi)中墊入(ru)不(bu)同厚度的(de)POM塑料片即可得(de)到不(bu)同的(de)氣隙(xi)寬度g，氣隙(xi)深度h。取決(jue)于機(ji)加工(gong)主(zhu)瓣、旁瓣尺寸。
如圖7-72所示，為驗證磁心前端氣隙深(shen)度h。對信(xin)號(hao)的(de)影響，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器，線圈匝數為400。人(ren)工(gong)傷的(de)尺寸為（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試(shi)驗過(guo)程中使用的(de)信(xin)號(hao)放大板為10×100倍，軟(ruan)件放大倍數為500倍。
所得原始信號經5階 Butterworth 濾(lv)波(bo)器(qi)濾(lv)波(bo)后，試驗結果如(ru)圖(tu)7-73所示(shi)，信號峰-峰值與前端氣(qi)隙深度h。近似(si)成反比，氣(qi)隙深度越小(xiao)，越有利于檢測，然而氣(qi)隙深度越小(xiao)，探頭越不耐磨，因此(ci)實際的探頭制作中，需(xu)要在兩(liang)者之間做平衡取舍(she)。
如圖7-74所示，為驗證(zheng)磁心(xin)前端氣隙寬度g對信號的(de)(de)影(ying)響(xiang)，制作了氣隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭式傳(chuan)感器，線圈(quan)匝數(shu)為400。人工傷(shang)的(de)(de)尺(chi)寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長(chang)）。試驗過程(cheng)中使用的(de)(de)信號放大板為10×100倍，軟(ruan)件(jian)放大倍數(shu)為500倍。
試驗(yan)結(jie)果如(ru)圖7-75所示，氣(qi)隙(xi)寬度(du)mm時(shi)，信號(hao)(hao)峰(feng)-峰(feng)值(zhi)Vpp最大；在氣(qi)隙(xi)寬度(du)m時(shi)出現(xian)了“檢(jian)測(ce)勢井”，當氣(qi)隙(xi)寬度(du)m時(shi)，信號(hao)(hao)峰(feng)-峰(feng)值(zhi)V在一定范圍(wei)內(nei)呈(cheng)現(xian)出增長趨勢。這是由于(yu)在該(gai)試驗(yan)條件(jian)下(xia)，m時(shi)氣(qi)隙(xi)寬度(du)損耗最大，因此無法有效檢(jian)出信號(hao)(hao)。該(gai)結(jie)果表明，應用磁頭(tou)式傳感器進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)時(shi)，在裂紋漏磁信號(hao)(hao)空(kong)(kong)間分(fen)布(bu)未知的情況(kuang)下(xia)，應該(gai)盡量減小前(qian)端氣(qi)隙(xi)寬度(du)g，以防止它與(yu)裂紋漏磁場空(kong)(kong)間分(fen)布(bu)出現(xian)耦合，形成“檢(jian)測(ce)勢井”。
如圖7-76所示(shi)，縱向(xiang)傷陣列(lie)傳感器主要由線圈、疊層磁心、隔(ge)離(li)片、屏蔽罩組(zu)成，探頭單元排成兩列(lie)并沿排布(bu)方向(xiang)兩兩錯開一(yi)段距(ju)離(li)，以消除單列(lie)探頭之間的探測(ce)盲區。
三、檢測(ce)裝備(bei)
整(zheng)套裝備主要分(fen)為檢測(ce)裝置、信(xin)號采集和(he)處理(li)系(xi)統、PLC控制系(xi)統、外圍供(gong)電供(gong)氣(qi)系(xi)統、物料(liao)傳送以及(ji)上下(xia)料(liao)裝置五部分(fen)。本節(jie)的(de)重點(dian)在(zai)于檢測(ce)裝置、信(xin)號采集和(he)處理(li)系(xi)統以及(ji)高(gao)速(su)檢測(ce)工藝(yi)。
1. 總體方案
按照功能(neng)劃分，軸承套圈(quan)(quan)裂紋漏磁檢(jian)測(ce)裝(zhuang)(zhuang)備可(ke)(ke)以分為(wei)預置(zhi)、縱向(xiang)傷(shang)檢(jian)測(ce)、剔除、退磁四個主要(yao)工位(wei)。預置(zhi)工位(wei)為(wei)冗余過渡(du)工位(wei)，當前可(ke)(ke)作為(wei)軸承套圈(quan)(quan)檢(jian)測(ce)流(liu)程(cheng)的過渡(du)工位(wei)，將(jiang)來可(ke)(ke)為(wei)周向(xiang)傷(shang)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)提(ti)供(gong)安裝(zhuang)(zhuang)平臺。裝(zhuang)(zhuang)備主體-縱向(xiang)檢(jian)測(ce)主機主要(yao)包(bao)括五個部(bu)分：軸承套圈(quan)(quan)驅動裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、磁化裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、陣列探頭組件、信(xin)號調理采集處理系(xi)統以及(ji)自動化控制系(xi)統。
軸承套(tao)(tao)圈(quan)驅動(dong)裝置設計(ji)要點：以圓(yuan)(yuan)錐(zhui)滾子軸承套(tao)(tao)圈(quan)為(wei)研究對象，其(qi)形狀(zhuang)規(gui)整，為(wei)圓(yuan)(yuan)環形零(ling)件，適(shi)合旋轉檢測(ce)；表面光潔(jie)，不需事先(xian)清(qing)潔(jie)處(chu)理(li)；為(wei)便于實現工業自動(dong)化(hua)，不同尺寸規(gui)格(ge)軸承套(tao)(tao)圈(quan)的(de)(de)檢測(ce)工位及上下料工位最好(hao)一致。綜合上述(shu)分析，采(cai)用軸承套(tao)(tao)圈(quan)原地旋轉、探頭貼合檢測(ce)的(de)(de)方(fang)式(shi)。
根據軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)漏(lou)磁檢測的特點，擬訂(ding)軸(zhou)(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)高速(su)自動化漏(lou)磁檢測工藝(yi)流程，如圖(tu)7-77所(suo)示。
軸承(cheng)套圈(quan)裂(lie)紋漏磁檢測裝備(bei)總體方案如圖7-78所(suo)示。
2. 檢測(ce)系統
檢測(ce)系(xi)統主要包括縱向傷檢測(ce)裝置(zhi)、剔(ti)除裝置(zhi)和(he)退(tui)磁裝置(zhi)三部分。
如圖(tu)7-79所(suo)示，縱向(xiang)傷檢(jian)測(ce)裝置(zhi)可劃分為工件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)、規格(ge)調整、磁化(hua)、壓緊(jin)、檢(jian)測(ce)和剔(ti)除(chu)六大主體裝置(zhi)。工件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)模塊的(de)主要(yao)部件(jian)為驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪L、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪R、萬向(xiang)滾珠托架等。驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)與齒(chi)輪直連，經由齒(chi)輪組變速、變轉(zhuan)矩之后傳遞給兩個驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)輪，在壓緊(jin)模塊的(de)配合下，摩擦(ca)帶動(dong)(dong)(dong)軸承套圈原地旋轉(zhuan)。
規(gui)格(ge)調整(zheng)裝置主(zhu)要由(you)手(shou)輪、減速(su)(su)機、梯形(xing)絲(si)杠、梯形(xing)螺母及壓(ya)緊軸承(cheng)安裝座(zuo)等構成。如圖7-80所示，由(you)于上(shang)下(xia)(xia)料(liao)(liao)機械手(shou)與檢測裝置之間(jian)的距離(li)相對固定，為保證所有規(gui)格(ge)軸承(cheng)套圈(quan)上(shang)下(xia)(xia)料(liao)(liao)工(gong)位(wei)位(wei)置相同，更換(huan)軸承(cheng)套圈(quan)時(shi)，需要調整(zheng)設備狀態(tai)。減速(su)(su)機起(qi)變速(su)(su)、變向的作(zuo)用，30°梯形(xing)絲(si)杠螺母機構既(ji)可傳動，也可自鎖，壓(ya)緊軸承(cheng)安裝座(zuo)上(shang)開腰形(xing)通孔，可以調整(zheng)壓(ya)緊軸承(cheng)與上(shang)下(xia)(xia)料(liao)(liao)工(gong)位(wei)之間(jian)的距離(li)，適應軸承(cheng)套圈(quan)規(gui)格(ge)的變化。
磁(ci)化裝置主要由磁(ci)化線(xian)圈、磁(ci)極(ji)、磁(ci)化器固(gu)定(ding)架和工業風扇等組成。磁(ci)極(ji)可(ke)更換規格，以配(pei)合軸(zhou)承套圈規格的(de)變化。工業現場常(chang)常(chang)要求設(she)備具有連續工作能(neng)力，因此(ci)磁(ci)化線(xian)圈的(de)散(san)熱問(wen)題需要重視，此(ci)處采(cai)用(yong)軸(zhou)流式工業風扇散(san)熱。
如圖7-81所(suo)示(shi)，壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)裝(zhuang)置主要由壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)氣(qi)缸(gang)、壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)軸(zhou)承安裝(zhuang)座、萬向(xiang)滾珠托(tuo)(tuo)架(jia)和(he)可擺(bai)動(dong)式壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)總(zong)成構成。壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)氣(qi)缸(gang)在(zai)檢測(ce)過程中提供持(chi)續的(de)壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)力，萬向(xiang)滾珠托(tuo)(tuo)舉軸(zhou)承套圈(quan)，減小其在(zai)原地(di)旋轉過程中的(de)摩擦力，雙驅動(dong)輪(lun)加(jia)雙壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)輪(lun)的(de)設計雖(sui)然(ran)更加(jia)可靠，但是(shi)存在(zai)過定(ding)位的(de)問題，因此壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)模塊(kuai)設計為可擺(bai)動(dong)式。下端(duan)面探頭陣列置于壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)輪(lun)之間，規格調整時(shi)跟隨軸(zhou)承一起移動(dong)，可覆蓋所(suo)有(you)系(xi)列軸(zhou)承套圈(quan)下端(duan)面。
如圖(tu)7-82所示，檢(jian)測(ce)裝置主要由(you)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)及(ji)其(qi)動(dong)(dong)(dong)作機構組(zu)成。其(qi)中(zhong)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)由(you)氣(qi)(qi)(qi)缸帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，實現貼合(he)及(ji)分離(li)(li)工(gong)件，連接陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與氣(qi)(qi)(qi)缸的(de)零件可(ke)拆卸，方便工(gong)件規格變化時更換相應的(de)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接于(yu)擺(bai)(bai)臂(bei)一端(duan)(duan)(duan)，擺(bai)(bai)臂(bei)由(you)迷你氣(qi)(qi)(qi)缸帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，實現貼合(he)及(ji)分離(li)(li)動(dong)(dong)(dong)作；上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接于(yu)浮動(dong)(dong)(dong)導桿一端(duan)(duan)(duan)，浮動(dong)(dong)(dong)導桿內(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)以適應不同(tong)軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)高(gao)(gao)度的(de)變化并提供持續的(de)壓緊(jin)(jin)力(li)；內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固(gu)定在軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)上(shang)(shang)方的(de)鋁(lv)(lv)型(xing)材(cai)上(shang)(shang)，并且可(ke)沿(yan)鋁(lv)(lv)型(xing)材(cai)調(diao)整位置；鋁(lv)(lv)型(xing)材(cai)由(you)氣(qi)(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑臺帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，可(ke)上(shang)(shang)下(xia)(xia)(xia)移動(dong)(dong)(dong)。檢(jian)測(ce)前(qian)，固(gu)定于(yu)鋁(lv)(lv)型(xing)材(cai)上(shang)(shang)的(de)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處(chu)(chu)于(yu)高(gao)(gao)位，軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)上(shang)(shang)料到位后(hou)，氣(qi)(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑臺動(dong)(dong)(dong)作，內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處(chu)(chu)于(yu)低位，其(qi)中(zhong)上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)(jin)上(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)。隨后(hou)，迷你氣(qi)(qi)(qi)缸動(dong)(dong)(dong)作，經由(you)擺(bai)(bai)臂(bei)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)(jin)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固(gu)定于(yu)兩壓緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承之(zhi)間，可(ke)隨壓緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承安裝座一起調(diao)整，長度方向足以覆蓋該系列(lie)(lie)(lie)所有(you)軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)下(xia)(xia)(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)實現浮動(dong)(dong)(dong)壓緊(jin)(jin)，內(nei)(nei)置緊(jin)(jin)定螺(luo)釘，用于(yu)調(diao)節彈(dan)簧壓緊(jin)(jin)力(li)。
如圖7-83所(suo)示，剔(ti)(ti)除(chu)裝(zhuang)置主要由剔(ti)(ti)除(chu)氣(qi)缸、氣(qi)缸導桿、分料板(ban)和廢(fei)(fei)品收(shou)集(ji)槽(cao)組成(cheng)。縱向缺陷檢(jian)(jian)測(ce)裝(zhuang)置檢(jian)(jian)測(ce)完(wan)畢(bi)后(hou)，向PLC控制系統反饋(kui)相應信(xin)息。若(ruo)軸(zhou)承套(tao)圈檢(jian)(jian)測(ce)為合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣(qi)缸不動(dong)作(zuo)，機(ji)械手抓取工件(jian)在分料板(ban)上方停留一段時(shi)間之(zhi)后(hou)運(yun)往下一工位(wei)（退(tui)磁(ci)工位(wei)）；若(ruo)軸(zhou)承套(tao)圈檢(jian)(jian)測(ce)為不合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣(qi)缸動(dong)作(zuo)，帶(dai)動(dong)分料板(ban)上升(sheng)，機(ji)械手抓取工件(jian)將其丟(diu)人到(dao)廢(fei)(fei)品收(shou)集(ji)槽(cao)中(zhong)。
3. 高速自動化(hua)檢測工(gong)藝(yi)
如(ru)圖7-84所示(shi)，系(xi)統采用流水線式工藝流程，預置工位(wei)(wei)、縱向傷檢測工位(wei)(wei)、剔除(chu)工位(wei)(wei)、退磁工位(wei)(wei)依次排開，機械手(shou)組件將(jiang)四個工位(wei)(wei)有機聯系(xi)起來。
四、現場應用
上述檢測系統在現場應用如圖7-85所示。
測(ce)試(shi)樣(yang)品(pin)及(ji)測(ce)試(shi)結(jie)果如圖(tu)(tu)7-86與圖(tu)(tu)7-87所示。測(ce)試(shi)結(jie)果表明，軸承套圈裂(lie)紋漏(lou)磁檢測(ce)裝置具有良好的檢測(ce)靈敏(min)度與可靠(kao)性(xing)，檢測(ce)效率高。
