軸承(cheng)作為重(zhong)要(yao)的機(ji)械(xie)基(ji)礎(chu)件(jian)，其質量直(zhi)接決定(ding)著(zhu)機(ji)械(xie)產(chan)品的性(xing)能以及可(ke)靠性(xing)。國家(jia)工信(xin)部規劃(hua)司(si)在機(ji)械(xie)領域“三(san)基(ji)”（機(ji)械(xie)基(ji)礎(chu)件(jian)、基(ji)礎(chu)制造工藝(yi)和基(ji)礎(chu)材料）產(chan)業(ye)“十二五”發展規劃(hua)中明確，指出圍繞重(zhong)大裝備和高(gao)端(duan)裝備配(pei)套(tao)需求，重(zhong)點發展高(gao)速、精密(mi)、重(zhong)載軸承(cheng)。
軸承(cheng)作為機械(xie)裝置中最常用也(ye)最重要(yao)的(de)零(ling)部件之一，其失效(xiao)將直接導致(zhi)設備故(gu)(gu)障、生產受阻甚至(zhi)是人員傷(shang)亡。據統計，在旋轉機械(xie)的(de)現場故(gu)(gu)障中，由于軸承(cheng)套圈(quan)損(sun)傷(shang)而引(yin)起(qi)的(de)故(gu)(gu)障大約占30％，其中大約90％的(de)故(gu)(gu)障來(lai)自軸承(cheng)套圈(quan)的(de)裂紋。因此提高軸承(cheng)套圈(quan)的(de)裂紋檢測能力(li)尤(you)為重要(yao)。
目前，軸承(cheng)套圈(quan)檢(jian)(jian)測(ce)方法(fa)(fa)(fa)主要有(you)磁粉(fen)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)、超聲檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)、渦流檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)、機(ji)器視覺法(fa)(fa)(fa)、巴克豪森法(fa)(fa)(fa)、聲發射檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)等(deng)。其中，磁粉(fen)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)、超聲檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)、渦流檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)(fa)使用較為普遍。
磁粉檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)檢(jian)(jian)驗靈(ling)敏度高(gao)，缺陷(xian)顯示直(zhi)觀，不(bu)(bu)受(shou)工(gong)件大(da)小和(he)形狀(zhuang)(zhuang)的限制，但是操作復雜，生(sheng)產率(lv)低，且(qie)對環(huan)境有(you)一定污染(ran)，磁痕觀察需(xu)要(yao)人工(gong)參與(yu)，檢(jian)(jian)測(ce)結(jie)果受(shou)檢(jian)(jian)測(ce)人員主觀意識和(he)操作經驗影(ying)(ying)響，難以(yi)(yi)踐行統一的質量標準；超聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)在國(guo)外使用(yong)較為廣泛，歐洲已頒(ban)布相應(ying)(ying)檢(jian)(jian)測(ce)標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)由(you)于(yu)裂紋取(qu)向及聲(sheng)耦合對其(qi)影(ying)(ying)響大(da)，難以(yi)(yi)適應(ying)(ying)軸(zhou)承套圈(quan)形狀(zhuang)(zhuang)，檢(jian)(jian)測(ce)精度不(bu)(bu)高(gao)，需(xu)要(yao)檢(jian)(jian)測(ce)者有(you)豐(feng)富經驗，所以(yi)(yi)影(ying)(ying)響了其(qi)在國(guo)內市場的推廣；渦流(liu)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)(fa)可實現非接觸(chu)式檢(jian)(jian)測(ce)，但是受(shou)工(gong)件形狀(zhuang)(zhuang)影(ying)(ying)響大(da)，且(qie)結(jie)果多(duo)以(yi)(yi)阻抗(kang)分析(xi)圖的形式展現，不(bu)(bu)直(zhi)觀，多(duo)用(yong)于(yu)軸(zhou)承圓柱滾子的檢(jian)(jian)測(ce)。
為解決(jue)軸(zhou)承(cheng)生產中出現(xian)(xian)的實(shi)際(ji)問題，下面介紹一(yi)種基于(yu)漏磁(ci)原理的軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)裂紋檢測(ce)方法與裝置，可(ke)實(shi)現(xian)(xian)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)的自動(dong)化高效檢測(ce)。
一、檢測原理
軸承套圈作(zuo)為(wei)一種精密零部件，其表面質(zhi)量較高，生產過程中產生的(de)裂紋(wen)多呈現出(chu)開口(kou)窄、長(chang)度(du)(du)短、深(shen)度(du)(du)淺(qian)的(de)特點，屬于(yu)典型(xing)的(de)微小(xiao)尺寸裂紋(wen)檢測(ce)問題。
1. 軸(zhou)承套圈的材(cai)料、結構、待檢(jian)測部位及缺陷形式
a. 軸(zhou)承鋼的主要種類(lei)
1）高碳(tan)鉻(ge)軸(zhou)承(cheng)鋼：年(nian)產量約(yue)占軸(zhou)承(cheng)鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳(tan)鉻(ge)軸(zhou)承(cheng)鋼由德(de)國于(yu)1905年(nian)研(yan)制(zhi)成功，得到了廣(guang)泛應(ying)用。
2）滲(shen)碳(tan)軸承鋼(gang)：經滲(shen)碳(tan)處(chu)理，兼具表面高硬高耐(nai)磨性(xing)及內部韌性(xing)。在美國(guo)的產量約(yue)占(zhan)軸承鋼(gang)總(zong)產量的30％，在中國(guo)僅(jin)占(zhan)3％左右(you)。
3）中碳軸承鋼：工藝相對簡(jian)單，且(qie)同(tong)樣(yang)達(da)到表面(mian)硬化效果(guo)，近年來發展較快(kuai)。
4）不銹鋼軸承鋼：用于制造在腐蝕環境下工作的軸承及某些部件。
不(bu)同(tong)材質或是相同(tong)材質、不(bu)同(tong)熱處(chu)理工藝均(jun)會對(dui)(dui)軸承鋼的磁化(hua)特性產生巨大影響，不(bu)同(tong)的磁化(hua)特性對(dui)(dui)應不(bu)同(tong)的磁化(hua)裝置參數(shu)，本書使用最為(wei)廣泛的GCr15軸承鋼作為(wei)研究對(dui)(dui)象(xiang)。
b. 軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的結構(gou)及(ji)待檢(jian)測部(bu)位 成品軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)一般由軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)外套(tao)(tao)圈(quan)、軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)內套(tao)(tao)圈(quan)、滾(gun)子保(bao)持架、滾(gun)子及(ji)附件組成，軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)結構(gou)形(xing)式較(jiao)為(wei)多樣，同一套(tao)(tao)裝備難以(yi)同時滿足所有類(lei)型軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的檢(jian)測需求，研究其(qi)中使用(yong)較(jiao)為(wei)廣泛的圓(yuan)錐滾(gun)子軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)具有重要意義，相關(guan)研究方法(fa)可(ke)方便地變通之后推廣到(dao)其(qi)他(ta)類(lei)型軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)。
如(ru)圖7-62所示，圓(yuan)錐(zhui)滾(gun)子軸(zhou)承套(tao)圈為旋(xuan)轉對稱零(ling)件(jian)，外圈可(ke)看作由梯形繞中心軸(zhou)旋(xuan)轉360°而成，上下端面(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外表面(mian)(mian)為圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)，內(nei)(nei)表面(mian)(mian)為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)；內(nei)(nei)圈結構稍顯復雜，上下端面(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外表面(mian)(mian)主體為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)，沿軸(zhou)向(xiang)兩端含工藝(yi)槽及滾(gun)子定位臺階，內(nei)(nei)表面(mian)(mian)為圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)。
軸(zhou)(zhou)承外圈待(dai)檢(jian)測面(mian)(mian)包(bao)含(han)內圓(yuan)錐面(mian)(mian)1、外圓(yuan)柱面(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)3和(he)上端面(mian)(mian)4。軸(zhou)(zhou)承內圈待(dai)檢(jian)測面(mian)(mian)包(bao)含(han)外圓(yuan)錐面(mian)(mian)1、內圓(yuan)柱面(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)3、上端面(mian)(mian)4。
c. 軸承(cheng)套圈的裂紋(wen)形(xing)式(shi)及(ji)產(chan)生原因(yin)
1）材料(liao)裂紋(wen)：材料(liao)裂紋(wen)產生的原因主要是內部(bu)氣泡、嚴重的非金(jin)屬夾雜等，沿(yan)軋制方向(xiang)呈直(zhi)線分布(bu)，以表面裂紋(wen)或折疊的形式呈現，在內部(bu)走向(xiang)多(duo)指向(xiang)圓心，且折疊裂紋(wen)走向(xiang)與(yu)表面近乎(hu)平行(xing)，漏磁場微(wei)弱。
2）發(fa)紋：材料表面或(huo)近表面毛發(fa)狀的細小裂紋，由鋼錠(ding)皮下氣泡或(huo)夾雜引(yin)起。外觀細小，一般長1～3mm，目檢時(shi)不易發(fa)現。
3）鍛(duan)(duan)造裂紋(wen)：包括鍛(duan)(duan)造折疊裂紋(wen)（切料(liao)不(bu)齊(qi)、毛刺(ci)、飛邊以及操作不(bu)當等(deng)原因造成）、過燒（鍛(duan)(duan)件(jian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)過高(gao)或(huo)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時間過長造成）、濕裂（停鍛(duan)(duan)溫(wen)(wen)(wen)度(du)較高(gao)，冷卻時局部或(huo)全(quan)部碰(peng)到冷卻水而(er)急(ji)冷）、內(nei)裂（鍛(duan)(duan)造時加(jia)熱速(su)度(du)過快，表面升溫(wen)(wen)(wen)高(gao)而(er)內(nei)部升溫(wen)(wen)(wen)慢引起，一般出現在壁厚較大(da)處）。鍛(duan)(duan)造裂紋(wen)較粗大(da)，形(xing)狀不(bu)規則，存在鍛(duan)(duan)件(jian)表面，磁化時漏磁場較弱，磁痕(hen)顯示不(bu)太(tai)清晰，剩磁法檢測容易(yi)產(chan)生漏檢。
4）淬(cui)火裂紋：因(yin)淬(cui)火時產生的熱應(ying)力及組織(zhi)應(ying)力引起，外(wai)貌極(ji)不規則，多在(zai)外(wai)徑上，嚴重時延(yan)伸到端面(mian)，一般(ban)較深。
5）磨(mo)削(xue)裂(lie)紋：磨(mo)削(xue)時冷卻(que)不良，瞬時高溫引起表面(mian)應(ying)力集中，即會(hui)產生(sheng)磨(mo)削(xue)裂(lie)紋，主要分布(bu)在端面(mian)、擋邊、滾道(dao)、內徑及(ji)打字處，外(wai)徑表面(mian)較少出現(xian)(xian)，呈現(xian)(xian)短、淺、細的(de)特點，與磨(mo)削(xue)方向垂直或成一定角度。
2. 軸承套(tao)圈裂紋漏磁檢測系(xi)統的特點
軸承套圈裂紋漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)系統的(de)優(you)勢(shi)在于(yu)：可實現(xian)上下(xia)料、檢(jian)測(ce)(ce)、分(fen)選、退(tui)磁一體化自(zi)動(dong)(dong)化，極大(da)地提(ti)高了檢(jian)測(ce)(ce)效率(lv)，降(jiang)低了工人的(de)勞動(dong)(dong)強(qiang)度。
然而，在具體的工(gong)程實施(shi)中，存在以下要點及難點：
1）軸承(cheng)套圈尺(chi)寸形(xing)狀規格繁(fan)多，如何(he)實現通用化檢測或者實現一定(ding)范圍內的通用化檢測存(cun)在工程實施難度(du)。
2）隨(sui)著軸(zhou)承套圈(quan)加工工藝(yi)的(de)(de)提升，軸(zhou)承套圈(quan)表面加工質量(liang)越(yue)來越(yue)高(gao)(gao)，生產(chan)過程中(zhong)產(chan)生的(de)(de)裂紋(wen)多呈(cheng)現出開口窄、深度(du)淺(qian)的(de)(de)特點，屬于(yu)典型的(de)(de)微小尺(chi)寸裂紋(wen)檢測問題(ti)，提高(gao)(gao)磁化能(neng)力(li)、提高(gao)(gao)傳(chuan)感器檢測靈敏度(du)及空間(jian)分(fen)辨力(li)、提高(gao)(gao)信號(hao)處理能(neng)力(li)以(yi)在(zai)較強背景(jing)噪聲(sheng)中(zhong)提取(qu)有效信號(hao)是(shi)關鍵。
3）軸(zhou)承套圈尤(you)其是軸(zhou)承內圈的(de)結構(gou)較為復雜，需從結構(gou)及布置方式(shi)著手，減(jian)小提離值(zhi)并最(zui)大限度地(di)覆蓋待檢(jian)測部(bu)位。
4）自動化生產(chan)線多為流水式(shi)，效(xiao)率高、速度快(kuai)，因(yin)此高速檢測工(gong)藝應簡潔(jie)高效(xiao)，且可以順(shun)暢地與生產(chan)線相(xiang)融(rong)合。
3. 軸(zhou)承套(tao)圈漏磁(ci)檢測的(de)勵磁(ci)方法與(yu)裝置(zhi)
軸承(cheng)套圈的磁(ci)化方(fang)式直(zhi)接(jie)和漏磁(ci)場(chang)信號強弱相關，其(qi)選擇(ze)及(ji)設計非(fei)常重要。常見的軸承(cheng)套圈周(zhou)向磁(ci)化方(fang)法有(you)中心(xin)導(dao)體法、直(zhi)接(jie)通電(dian)法和繞電(dian)纜(lan)法，其(qi)優缺點見表7-5。
對比(bi)之后(hou)不難看(kan)出(chu)，上述方(fang)法均(jun)(jun)不適用(yong)于自動化(hua)(hua)(hua)(hua)漏磁(ci)(ci)(ci)檢測(ce)，為(wei)此，采用(yong)如圖(tu)7-63所示的(de)軸(zhou)承周(zhou)向磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)方(fang)法，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)器由U形鐵(tie)心纏繞線(xian)圈制(zhi)成，可(ke)更換(huan)的(de)磁(ci)(ci)(ci)極可(ke)以(yi)滿足不同規格軸(zhou)承套圈的(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)需(xu)求。通(tong)過ANSYS仿真(zhen)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，此種磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)方(fang)式(shi)在(zai)遠離磁(ci)(ci)(ci)極的(de)位置(zhi)可(ke)以(yi)獲得比(bi)較均(jun)(jun)勻的(de)周(zhou)向磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，且該磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)器結構可(ke)以(yi)方(fang)便地與流水生產線(xian)相結合，便于實現自動化(hua)(hua)(hua)(hua)。
選用16種(zhong)軸承(cheng)套(tao)圈中橫截面積(ji)最大的(de)27315EK 02軸承(cheng)內(nei)圈，為保證(zheng)仿真(zhen)順利進(jin)行，此處對仿真(zhen)裂紋進(jin)行了一定的(de)簡化，裂紋尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下端面各1條裂紋，沿軸向內(nei)表面等間距(ju)均勻分布(bu)3條裂紋，外表面1條裂紋。周(zhou)向磁化器仿真(zhen)模型如圖7-64所示(shi)。
仿真結果如圖7-65所(suo)示，通過(guo)對比可知：
1）上(shang)端面和內表(biao)面裂紋(wen)漏磁(ci)場B，分量圖(tu)像基(ji)本吻(wen)合，表(biao)明在(zai)該(gai)磁(ci)化方式(shi)及磁(ci)化強度下，上(shang)端面與內表(biao)面具有較為一致的磁(ci)化效果。
2）沿軸向(xiang)等(deng)間(jian)距分(fen)布的(de)內表(biao)面裂紋1、2、3漏(lou)磁場分(fen)量圖像(xiang)基本吻合，表(biao)明(ming)在(zai)該(gai)磁化強度下，內表(biao)面磁化一致性較好(hao)，與(yu)裂紋離磁極的(de)距離無關。
3）下(xia)端面(mian)裂紋漏磁場(chang)B分(fen)量圖像與(yu)外表面(mian)裂紋漏磁場(chang)B,分(fen)量圖像基(ji)本吻合，但是(shi)相(xiang)比于(yu)(yu)上端面(mian)、內表面(mian)強(qiang)度(du)更小。這是(shi)由(you)于(yu)(yu)下(xia)端面(mian)壁厚較大，而外表面(mian)由(you)于(yu)(yu)位于(yu)(yu)套圈(quan)外圍，距(ju)離磁化場(chang)較遠，且磁場(chang)向空(kong)氣中(zhong)擴散更為(wei)嚴重。
為了(le)補償(chang)壁厚及(ji)套(tao)圈(quan)高度引(yin)起(qi)的磁化效果不(bu)一致(zhi)，需(xu)要進一步加強磁化強度，使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)達到(dao)過飽和(he)(he)磁化狀(zhuang)態(tai)。然(ran)而(er)在(zai)實際檢測(ce)過程中，使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)各個部分均達到(dao)飽和(he)(he)磁化狀(zhuang)態(tai)需(xu)要極多的線圈(quan)匝數或(huo)極大的磁化電流(liu)，對于(yu)非定量軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)檢測(ce)而(er)言，磁化的意義在(zai)于(yu)使(shi)得(de)(de)最苛刻指標(biao)的缺陷仍可得(de)(de)到(dao)較(jiao)理(li)想的信噪比即可，磁化效果不(bu)一致(zhi)引(yin)起(qi)的漏磁場信號不(bu)一致(zhi)可在(zai)軟(ruan)件中予以修正。
如圖(tu)7-66所示，以(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回火）為例，根據電(dian)磁(ci)檢測(ce)原理(li)，將(jiang)工件磁(ci)化(hua)至飽(bao)和(he)或近飽(bao)和(he)狀態時(shi)，有利(li)于(yu)裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)場的(de)(de)形成(cheng)與擴散，取近飽(bao)和(he)區的(de)(de)H＝14800A／m點，此時(shi)對(dui)應(ying)(ying)的(de)(de)磁(ci)感(gan)應(ying)(ying)強度(du)B≈1.125125T。以(yi)16種(zhong)軸承套圈(quan)中橫截面積最(zui)大(533.5n5m㎡)的(de)(de)27315EK 02軸承內圈(quan)為例，大約(yue)為4075安(an)匝(za)。由(you)于(yu)本計算模型沒(mei)有考(kao)慮泄漏到空氣中的(de)(de)磁(ci)通、磁(ci)滯損(sun)耗、渦流損(sun)耗，因此將(jiang)計算出的(de)(de)結(jie)果乘以(yi)安(an)全系(xi)數1.1，磁(ci)化(hua)器εm=NI=4482安(an)匝(za)。線圈(quan)匝(za)數為600，選用φ1.7mm銅線繞制(zhi)而成(cheng)，通入7.5A的(de)(de)電(dian)流即(ji)可(ke)滿足磁(ci)化(hua)要(yao)求(qiu)。
根據上(shang)述計算結果，設計得到(dao)如圖7-67所示的(de)周向勵磁(ci)(ci)裝置，磁(ci)(ci)極部(bu)分可更換以適應不同規(gui)格的(de)軸(zhou)承套圈(quan)，磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)封(feng)罩用于(yu)保(bao)(bao)護內部(bu)漆包線(xian)，封(feng)罩上(shang)開(kai)百(bai)葉窗(chuang)輔助散(san)熱，加裝軸(zhou)流式風扇散(san)熱以保(bao)(bao)證磁(ci)(ci)化(hua)器(qi)可長期工作。
二、檢測探頭
圖(tu)7-68所示為(wei)(wei)永磁(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)軛探頭，它主要由(you)磁(ci)(ci)(ci)頭、永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)S極(ji)、永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)N極(ji)、橋(qiao)接銜鐵(tie)(tie)及隔片(pian)組成(cheng)，隔片(pian)用于(yu)調節磁(ci)(ci)(ci)極(ji)間距。檢測(ce)時(shi)，“N極(ji)→軸承套圈(quan)→S極(ji)→橋(qiao)接銜鐵(tie)(tie)”形成(cheng)磁(ci)(ci)(ci)回路，如(ru)遇(yu)裂紋，漏磁(ci)(ci)(ci)場將被磁(ci)(ci)(ci)頭捕捉。永磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承套圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)(ci)(ci)極(ji)面。信號放(fang)大電路為(wei)(wei)10×100倍兩級放(fang)大，軟(ruan)件(jian)放(fang)大500倍。
如圖7-69所示，檢測對(dui)象為GCr15軸承套圈，大端面刻(ke)蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人(ren)工刻(ke)槽。軸承套圈表面光滑，無(wu)銹蝕(shi)。
不同(tong)磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)檢測結(jie)果(guo)對(dui)比如圖7-70所示。磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)15mm時，可(ke)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，但信(xin)(xin)噪比不高，這(zhe)(zhe)是由于磁(ci)極(ji)(ji)離磁(ci)心過近(jin)使之飽和(he)的緣(yuan)故；磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)17mm時，可(ke)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，且信(xin)(xin)噪比最佳；磁(ci)極(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)19mm時，不能(neng)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)。永(yong)磁(ci)體尺(chi)寸換為6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對(dui)軸承(cheng)套圈(quan)，為磁(ci)極(ji)(ji)面(mian)時，不能(neng)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，同(tong)理這(zhe)(zhe)也是磁(ci)心飽和(he)的緣(yuan)故。
通過上(shang)述分析不難發現，含磁心(xin)線圈用于(yu)檢測時，需特別注意磁心(xin)飽(bao)和(he)的問題，局部磁化(hua)在一定(ding)程(cheng)度上(shang)降低了磁化(hua)成(cheng)本(ben)和(he)磁化(hua)難度，但(dan)是由于(yu)磁化(hua)器距離傳(chuan)(chuan)感(gan)器較近，對傳(chuan)(chuan)感(gan)器的影響也較大。
短路磁(ci)(ci)通(tong)損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)磁(ci)(ci)心前(qian)端(duan)氣隙(xi)寬度g、深度h有關(guan)；提(ti)離(li)損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)提(ti)離(li)值相關(guan)，在實際工程中(zhong)體現在探(tan)頭(tou)耐(nai)磨層厚度及探(tan)頭(tou)機構的設計；低頻損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)裂(lie)(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信號空間(jian)分布相關(guan)，即與(yu)裂(lie)(lie)紋(wen)尺(chi)寸及磁(ci)(ci)化狀況相關(guan)；氣隙(xi)寬度損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)氣隙(xi)寬度g、裂(lie)(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信號空間(jian)分布相關(guan)；方(fang)位角損(sun)(sun)耗(hao)可歸為提(ti)離(li)損(sun)(sun)耗(hao)；磁(ci)(ci)滯(zhi)損(sun)(sun)耗(hao)可忽略；渦流損(sun)(sun)耗(hao)可以從磁(ci)(ci)心材料、探(tan)頭(tou)工藝(yi)等方(fang)面著手(shou)降低。
因此，從探頭設計的(de)角(jiao)度(du)出發，主要關注磁心前端氣隙寬度(du)g、深度(du)ha。
如(ru)圖7-71所示，磁(ci)頭式(shi)傳(chuan)感(gan)器主(zhu)要由線圈、兩(liang)片(pian)磁(ci)心(xin)主(zhu)瓣(ban)、兩(liang)片(pian)磁(ci)心(xin)旁瓣(ban)組成，前(qian)端(duan)縫隙中(zhong)墊(dian)入不同厚度的POM塑(su)料片(pian)即可得(de)到不同的氣隙寬度g，氣隙深度h。取決于機加工(gong)主(zhu)瓣(ban)、旁瓣(ban)尺寸(cun)。
如(ru)圖7-72所示，為(wei)(wei)驗(yan)證磁(ci)心前端氣(qi)隙深(shen)度h。對信號(hao)的(de)影(ying)響，制作(zuo)了(le)ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭式(shi)傳感器，線圈匝數為(wei)(wei)400。人工傷的(de)尺寸為(wei)(wei)（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)使(shi)用的(de)信號(hao)放大(da)板為(wei)(wei)10×100倍(bei)(bei)，軟件放大(da)倍(bei)(bei)數為(wei)(wei)500倍(bei)(bei)。
所(suo)得原始信號經5階(jie) Butterworth 濾(lv)波(bo)器濾(lv)波(bo)后(hou)，試驗結果如圖7-73所(suo)示，信號峰-峰值與前端(duan)氣(qi)隙(xi)深度(du)(du)h。近似成反比，氣(qi)隙(xi)深度(du)(du)越(yue)小，越(yue)有(you)利于檢(jian)測，然而氣(qi)隙(xi)深度(du)(du)越(yue)小，探頭越(yue)不耐(nai)磨，因此實際(ji)的探頭制作中，需要在兩者之間做平衡取舍。
如圖7-74所示(shi)，為(wei)驗(yan)(yan)證磁心前端氣(qi)隙寬度(du)g對信(xin)(xin)號的(de)影(ying)響，制(zhi)作了氣(qi)隙深度(du)ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭式傳(chuan)感器，線圈匝數為(wei)400。人工傷的(de)尺寸為(wei)0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗(yan)(yan)過程中使(shi)用的(de)信(xin)(xin)號放大板為(wei)10×100倍，軟件放大倍數為(wei)500倍。
試(shi)驗結(jie)果(guo)如圖7-75所示，氣隙(xi)(xi)寬(kuan)度mm時(shi)，信(xin)號峰-峰值Vpp最(zui)大(da)；在(zai)(zai)氣隙(xi)(xi)寬(kuan)度m時(shi)出(chu)(chu)現(xian)(xian)了“檢(jian)測(ce)勢井(jing)”，當氣隙(xi)(xi)寬(kuan)度m時(shi)，信(xin)號峰-峰值V在(zai)(zai)一(yi)定(ding)范圍內呈(cheng)現(xian)(xian)出(chu)(chu)增長趨勢。這(zhe)是由(you)于(yu)在(zai)(zai)該(gai)試(shi)驗條(tiao)件下，m時(shi)氣隙(xi)(xi)寬(kuan)度損(sun)耗最(zui)大(da)，因此無法有效檢(jian)出(chu)(chu)信(xin)號。該(gai)結(jie)果(guo)表明，應用磁(ci)(ci)(ci)頭式傳感器進行檢(jian)測(ce)時(shi)，在(zai)(zai)裂紋漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)信(xin)號空間(jian)分布未知(zhi)的(de)情(qing)況下，應該(gai)盡量減小前(qian)端氣隙(xi)(xi)寬(kuan)度g，以(yi)防(fang)止它與裂紋漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)場(chang)空間(jian)分布出(chu)(chu)現(xian)(xian)耦(ou)合，形成“檢(jian)測(ce)勢井(jing)”。
如圖7-76所示，縱向(xiang)(xiang)傷陣列(lie)傳感(gan)器主要由線(xian)圈、疊層(ceng)磁心、隔離(li)(li)片、屏蔽罩組成，探(tan)頭(tou)單元排(pai)成兩列(lie)并沿(yan)排(pai)布方向(xiang)(xiang)兩兩錯開一段(duan)距(ju)離(li)(li)，以消(xiao)除單列(lie)探(tan)頭(tou)之間的探(tan)測盲(mang)區。
三、檢(jian)測裝備(bei)
整套裝(zhuang)備(bei)主要分為檢測裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理(li)系(xi)統(tong)(tong)、PLC控制系(xi)統(tong)(tong)、外圍(wei)供(gong)電供(gong)氣系(xi)統(tong)(tong)、物料(liao)傳送以(yi)(yi)及(ji)上(shang)下(xia)料(liao)裝(zhuang)置(zhi)五(wu)部分。本(ben)節的(de)重點(dian)在于檢測裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理(li)系(xi)統(tong)(tong)以(yi)(yi)及(ji)高速檢測工藝。
1. 總體方案
按(an)照功(gong)能劃分，軸承套(tao)圈(quan)裂紋漏磁(ci)檢(jian)測裝備可(ke)以分為(wei)預(yu)置(zhi)(zhi)、縱向(xiang)(xiang)傷(shang)檢(jian)測、剔除、退(tui)磁(ci)四個(ge)主(zhu)(zhu)要工(gong)(gong)位(wei)。預(yu)置(zhi)(zhi)工(gong)(gong)位(wei)為(wei)冗余過渡工(gong)(gong)位(wei)，當前可(ke)作(zuo)為(wei)軸承套(tao)圈(quan)檢(jian)測流程(cheng)的過渡工(gong)(gong)位(wei)，將來可(ke)為(wei)周(zhou)向(xiang)(xiang)傷(shang)檢(jian)測裝置(zhi)(zhi)提供安裝平臺(tai)。裝備主(zhu)(zhu)體-縱向(xiang)(xiang)檢(jian)測主(zhu)(zhu)機主(zhu)(zhu)要包括五個(ge)部分：軸承套(tao)圈(quan)驅動(dong)裝置(zhi)(zhi)、磁(ci)化(hua)(hua)裝置(zhi)(zhi)、陣列探頭組件、信號調(diao)理采集處理系(xi)統以及(ji)自動(dong)化(hua)(hua)控制系(xi)統。
軸(zhou)承套(tao)圈(quan)驅動(dong)(dong)裝置設(she)計要點：以(yi)圓(yuan)錐滾子軸(zhou)承套(tao)圈(quan)為(wei)研究(jiu)對(dui)象(xiang)，其(qi)形狀規整，為(wei)圓(yuan)環(huan)形零(ling)件，適合旋轉(zhuan)檢測(ce)；表面光潔，不需(xu)事先清潔處理(li)；為(wei)便于實現工業自動(dong)(dong)化，不同尺寸規格軸(zhou)承套(tao)圈(quan)的(de)檢測(ce)工位(wei)及上下料工位(wei)最好一(yi)致。綜(zong)合上述分析，采用(yong)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)原地旋轉(zhuan)、探頭貼合檢測(ce)的(de)方式(shi)。
根(gen)據軸承套圈(quan)漏(lou)磁(ci)檢測的特點，擬訂軸承套圈(quan)高速自動化漏(lou)磁(ci)檢測工藝流程，如圖7-77所示(shi)。
軸承套(tao)圈裂紋漏磁檢測裝備總體(ti)方案如圖7-78所示。
2. 檢測系統
檢測(ce)系統主要包括(kuo)縱向傷檢測(ce)裝置(zhi)、剔除裝置(zhi)和(he)退磁裝置(zhi)三(san)部分。
如圖7-79所(suo)示，縱向(xiang)傷檢測裝置可劃(hua)分(fen)為(wei)工件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)、規(gui)格(ge)調(diao)整(zheng)、磁化、壓(ya)緊、檢測和剔除(chu)六大主體裝置。工件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)模(mo)塊(kuai)的主要部件(jian)為(wei)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)、驅(qu)動(dong)(dong)(dong)輪L、驅(qu)動(dong)(dong)(dong)輪R、萬向(xiang)滾珠托(tuo)架等。驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)(dong)機(ji)與齒輪直(zhi)連(lian)，經由(you)齒輪組變速(su)、變轉矩(ju)之后傳遞(di)給兩個驅(qu)動(dong)(dong)(dong)輪，在(zai)壓(ya)緊模(mo)塊(kuai)的配合下，摩(mo)擦帶動(dong)(dong)(dong)軸承套圈原地旋轉。
規(gui)格調整裝置主(zhu)要由手輪、減速機(ji)、梯(ti)形(xing)(xing)絲杠、梯(ti)形(xing)(xing)螺(luo)母(mu)(mu)及壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承安裝座等構(gou)(gou)成。如圖(tu)7-80所示，由于上(shang)(shang)下(xia)料(liao)機(ji)械手與(yu)(yu)檢測裝置之(zhi)間(jian)(jian)的距(ju)離相(xiang)對固定，為保證所有(you)規(gui)格軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)上(shang)(shang)下(xia)料(liao)工位(wei)位(wei)置相(xiang)同，更(geng)換軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)時，需要調整設備狀(zhuang)態。減速機(ji)起變(bian)速、變(bian)向的作用(yong)，30°梯(ti)形(xing)(xing)絲杠螺(luo)母(mu)(mu)機(ji)構(gou)(gou)既可(ke)傳(chuan)動，也可(ke)自鎖，壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承安裝座上(shang)(shang)開(kai)腰形(xing)(xing)通孔，可(ke)以調整壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承與(yu)(yu)上(shang)(shang)下(xia)料(liao)工位(wei)之(zhi)間(jian)(jian)的距(ju)離，適應軸(zhou)(zhou)承套圈(quan)規(gui)格的變(bian)化。
磁(ci)化(hua)(hua)裝置主要由磁(ci)化(hua)(hua)線圈(quan)、磁(ci)極、磁(ci)化(hua)(hua)器(qi)固定架和工(gong)(gong)(gong)業(ye)風(feng)扇等組成。磁(ci)極可(ke)更換(huan)規格，以配(pei)合軸承套圈(quan)規格的變化(hua)(hua)。工(gong)(gong)(gong)業(ye)現場常常要求設備具有(you)連續工(gong)(gong)(gong)作能力(li)，因(yin)此(ci)磁(ci)化(hua)(hua)線圈(quan)的散熱問題需要重(zhong)視，此(ci)處采用(yong)軸流式工(gong)(gong)(gong)業(ye)風(feng)扇散熱。
如(ru)圖7-81所示，壓緊(jin)(jin)裝(zhuang)置(zhi)主要由(you)壓緊(jin)(jin)氣缸、壓緊(jin)(jin)軸承安裝(zhuang)座、萬(wan)向滾珠(zhu)托架(jia)和可(ke)擺動式壓緊(jin)(jin)總成(cheng)構(gou)成(cheng)。壓緊(jin)(jin)氣缸在(zai)(zai)檢測過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)提(ti)供持續的壓緊(jin)(jin)力，萬(wan)向滾珠(zhu)托舉軸承套圈，減小其(qi)在(zai)(zai)原地旋轉過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的摩(mo)擦力，雙(shuang)驅動輪加(jia)雙(shuang)壓緊(jin)(jin)輪的設計(ji)雖然(ran)更加(jia)可(ke)靠，但是存在(zai)(zai)過定位(wei)的問題，因此壓緊(jin)(jin)模塊設計(ji)為可(ke)擺動式。下(xia)(xia)端面探頭(tou)陣列(lie)置(zhi)于(yu)壓緊(jin)(jin)輪之(zhi)間，規格調整時跟隨軸承一(yi)起移動，可(ke)覆蓋所有系列(lie)軸承套圈下(xia)(xia)端面。
如圖7-82所(suo)示，檢測裝置(zhi)主(zhu)要(yao)由(you)(you)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、下端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)及(ji)其動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)機構組成(cheng)。其中，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)由(you)(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)缸帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，實(shi)(shi)現(xian)(xian)貼合(he)及(ji)分離(li)(li)工件(jian)，連接(jie)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與氣(qi)(qi)(qi)(qi)缸的(de)零件(jian)可(ke)拆卸，方便工件(jian)規格變化時更換相應的(de)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接(jie)于(yu)(yu)擺(bai)臂一端(duan)，擺(bai)臂由(you)(you)迷你氣(qi)(qi)(qi)(qi)缸帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，實(shi)(shi)現(xian)(xian)貼合(he)及(ji)分離(li)(li)動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)；上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接(jie)于(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿(gan)一端(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿(gan)內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)(dan)簧(huang)，可(ke)以(yi)(yi)適應不(bu)同軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)高度的(de)變化并(bing)提供持續的(de)壓(ya)緊力；內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固(gu)定在軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)上方的(de)鋁型材上，并(bing)且可(ke)沿鋁型材調(diao)整(zheng)(zheng)位(wei)置(zhi)；鋁型材由(you)(you)氣(qi)(qi)(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑臺帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，可(ke)上下移動(dong)(dong)(dong)。檢測前，固(gu)定于(yu)(yu)鋁型材上的(de)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)高位(wei)，軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)上料到位(wei)后(hou)，氣(qi)(qi)(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑臺動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)低(di)位(wei)，其中上端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼緊上端(duan)面(mian)(mian)(mian)。隨后(hou)，迷你氣(qi)(qi)(qi)(qi)缸動(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，經由(you)(you)擺(bai)臂帶(dai)動(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼緊內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。下端(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固(gu)定于(yu)(yu)兩壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)之間，可(ke)隨壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座一起調(diao)整(zheng)(zheng)，長度方向足以(yi)(yi)覆蓋該系列(lie)(lie)(lie)所(suo)有軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)下端(duan)面(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)(dan)簧(huang)，可(ke)實(shi)(shi)現(xian)(xian)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)壓(ya)緊，內(nei)(nei)(nei)置(zhi)緊定螺釘，用(yong)于(yu)(yu)調(diao)節彈(dan)(dan)簧(huang)壓(ya)緊力。
如圖7-83所示，剔除裝(zhuang)置(zhi)主要由剔除氣(qi)(qi)缸、氣(qi)(qi)缸導桿、分料板(ban)和廢品收集槽組(zu)成。縱向缺陷檢測裝(zhuang)置(zhi)檢測完(wan)畢后，向PLC控制(zhi)系統(tong)反饋相應信息。若(ruo)軸(zhou)承套圈(quan)檢測為(wei)合格(ge)，則(ze)(ze)剔除氣(qi)(qi)缸不動作，機械手抓取(qu)工件在分料板(ban)上方停留(liu)一段時間之后運往(wang)下一工位（退磁工位）；若(ruo)軸(zhou)承套圈(quan)檢測為(wei)不合格(ge)，則(ze)(ze)剔除氣(qi)(qi)缸動作，帶動分料板(ban)上升，機械手抓取(qu)工件將其丟人到廢品收集槽中。
3. 高速(su)自動化檢測(ce)工藝
如圖7-84所示，系統(tong)采用流水線式工藝流程，預置工位(wei)、縱向傷(shang)檢測(ce)工位(wei)、剔(ti)除工位(wei)、退磁(ci)工位(wei)依次(ci)排開，機械手組件(jian)將四個工位(wei)有機聯系起(qi)來。
四(si)、現場應用
上述檢測系統(tong)在現場應用如圖7-85所示。
測(ce)(ce)試(shi)樣品(pin)及(ji)測(ce)(ce)試(shi)結(jie)果(guo)(guo)如圖(tu)7-86與圖(tu)7-87所示。測(ce)(ce)試(shi)結(jie)果(guo)(guo)表(biao)明，軸(zhou)承(cheng)套圈裂紋漏磁檢(jian)(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)置具有(you)良好的檢(jian)(jian)測(ce)(ce)靈敏度與可(ke)靠性，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)效率高。
