軸(zhou)承作為重(zhong)要的機(ji)械(xie)(xie)基礎(chu)(chu)件，其質(zhi)量直接決定著機(ji)械(xie)(xie)產品的性能(neng)以及可靠性。國家工信部規劃司在機(ji)械(xie)(xie)領域“三基”（機(ji)械(xie)(xie)基礎(chu)(chu)件、基礎(chu)(chu)制(zhi)造工藝和(he)基礎(chu)(chu)材料）產業(ye)“十二五”發(fa)展(zhan)規劃中明確，指出圍繞(rao)重(zhong)大(da)裝(zhuang)備和(he)高端(duan)裝(zhuang)備配套需(xu)求，重(zhong)點發(fa)展(zhan)高速、精密(mi)、重(zhong)載軸(zhou)承。
軸承作為(wei)機(ji)械裝置中(zhong)最(zui)常用也最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)(de)零部件之一，其失效將直(zhi)接導致設備故障(zhang)(zhang)、生(sheng)產受阻(zu)甚至是人員傷亡。據統計，在旋轉機(ji)械的(de)(de)現(xian)場故障(zhang)(zhang)中(zhong)，由于軸承套圈損傷而引起的(de)(de)故障(zhang)(zhang)大(da)約占30％，其中(zhong)大(da)約90％的(de)(de)故障(zhang)(zhang)來自(zi)軸承套圈的(de)(de)裂紋。因此提高軸承套圈的(de)(de)裂紋檢測能力尤為(wei)重(zhong)要(yao)。
目前，軸承套圈檢(jian)(jian)(jian)測(ce)方(fang)法主要有磁(ci)粉檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法、超(chao)聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法、渦(wo)流檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法、機器視覺法、巴克(ke)豪(hao)森(sen)法、聲發射檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法等。其中(zhong)，磁(ci)粉檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法、超(chao)聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法、渦(wo)流檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法使用(yong)較為普遍。
磁粉(fen)檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)檢(jian)驗(yan)靈(ling)敏度(du)高，缺(que)陷顯示直(zhi)觀(guan)(guan)，不受工(gong)件大(da)小和(he)形(xing)狀(zhuang)的(de)限制，但(dan)(dan)是操作(zuo)(zuo)復(fu)雜，生產率低，且對環境有一定污染，磁痕(hen)觀(guan)(guan)察需要(yao)人工(gong)參與，檢(jian)測(ce)(ce)結果受檢(jian)測(ce)(ce)人員(yuan)主觀(guan)(guan)意識(shi)和(he)操作(zuo)(zuo)經驗(yan)影(ying)響(xiang)，難以踐行統一的(de)質量標準；超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)在(zai)國外使用較為廣泛(fan)，歐(ou)洲已頒布相(xiang)應檢(jian)測(ce)(ce)標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但(dan)(dan)超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)由(you)于(yu)裂紋(wen)取向及聲(sheng)耦(ou)合對其影(ying)響(xiang)大(da)，難以適應軸(zhou)承套圈形(xing)狀(zhuang)，檢(jian)測(ce)(ce)精度(du)不高，需要(yao)檢(jian)測(ce)(ce)者有豐(feng)富經驗(yan)，所以影(ying)響(xiang)了(le)其在(zai)國內(nei)市(shi)場的(de)推廣；渦流檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)可實(shi)現非接觸式檢(jian)測(ce)(ce)，但(dan)(dan)是受工(gong)件形(xing)狀(zhuang)影(ying)響(xiang)大(da)，且結果多(duo)以阻抗分析圖的(de)形(xing)式展現，不直(zhi)觀(guan)(guan)，多(duo)用于(yu)軸(zhou)承圓柱滾(gun)子的(de)檢(jian)測(ce)(ce)。
為解決軸承生產中(zhong)出(chu)現的實際問題(ti)，下面(mian)介紹一種基于漏(lou)磁原理的軸承套圈(quan)裂紋檢(jian)測方法(fa)與(yu)裝置，可(ke)實現軸承套圈(quan)的自(zi)動(dong)化高效檢(jian)測。
一(yi)、檢(jian)測原理
軸承套圈作為一種精密零部件，其(qi)表面質量較高，生(sheng)產(chan)過程中產(chan)生(sheng)的裂紋多呈(cheng)現出(chu)開口窄、長度(du)短、深度(du)淺的特(te)點(dian)，屬(shu)于典型的微小尺寸裂紋檢測問(wen)題。
1. 軸承(cheng)套圈的材料、結(jie)構、待檢測部位及缺陷形式
a. 軸承鋼的主要種類
1）高碳鉻軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)：年(nian)產量(liang)約占軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)總產量(liang)的80％，包(bao)含(han)GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列(lie)，而其中GCr15 高碳鉻軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)(gang)由德國于1905年(nian)研制(zhi)成功，得到(dao)了廣泛應用(yong)。
2）滲碳軸承(cheng)鋼(gang)：經(jing)滲碳處理，兼具表(biao)面高硬高耐磨性及內(nei)部韌性。在美國(guo)(guo)的產(chan)量(liang)約占(zhan)(zhan)軸承(cheng)鋼(gang)總產(chan)量(liang)的30％，在中國(guo)(guo)僅占(zhan)(zhan)3％左右。
3）中碳軸承鋼：工藝相對簡單，且同樣達到表面硬化效果，近(jin)年來發展(zhan)較快。
4）不(bu)銹鋼(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(xiang)同(tong)材質、不同(tong)熱處理(li)工藝均(jun)會對軸承(cheng)鋼的(de)磁(ci)化(hua)特(te)性產生巨大影響(xiang)，不同(tong)的(de)磁(ci)化(hua)特(te)性對應不同(tong)的(de)磁(ci)化(hua)裝置參(can)數，本(ben)書(shu)使用最為廣泛的(de)GCr15軸承(cheng)鋼作為研(yan)究(jiu)對象(xiang)。
b. 軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的結(jie)(jie)構及(ji)待檢測部位 成品軸承(cheng)(cheng)一般由軸承(cheng)(cheng)外套(tao)圈(quan)、軸承(cheng)(cheng)內套(tao)圈(quan)、滾(gun)子(zi)保持(chi)架、滾(gun)子(zi)及(ji)附件組成，軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)結(jie)(jie)構形式較為(wei)多樣，同一套(tao)裝備難以同時滿(man)足所(suo)有(you)類(lei)型軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的檢測需(xu)求，研(yan)(yan)究其中使用較為(wei)廣(guang)泛的圓錐滾(gun)子(zi)軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)具有(you)重要意(yi)義(yi)，相關研(yan)(yan)究方(fang)(fang)法可方(fang)(fang)便(bian)地變通之后推廣(guang)到其他(ta)類(lei)型軸承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)。
如圖(tu)7-62所示，圓(yuan)錐滾子軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)為旋轉對稱零件，外圈(quan)可看作由梯(ti)形繞中心(xin)軸(zhou)(zhou)旋轉360°而(er)成，上下(xia)端面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)，內表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)；內圈(quan)結構稍顯復雜，上下(xia)端面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)主體(ti)為圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)，沿軸(zhou)(zhou)向兩(liang)端含(han)工藝槽及滾子定位臺階，內表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)。
軸承外(wai)(wai)圈(quan)待檢測面(mian)包含內圓(yuan)錐面(mian)1、外(wai)(wai)圓(yuan)柱面(mian)2、下端(duan)(duan)面(mian)3和上端(duan)(duan)面(mian)4。軸承內圈(quan)待檢測面(mian)包含外(wai)(wai)圓(yuan)錐面(mian)1、內圓(yuan)柱面(mian)2、下端(duan)(duan)面(mian)3、上端(duan)(duan)面(mian)4。
c. 軸承套(tao)圈的裂紋形式及產(chan)生原因
1）材(cai)料裂(lie)(lie)紋(wen)：材(cai)料裂(lie)(lie)紋(wen)產生(sheng)的原因(yin)主要是內(nei)部氣(qi)泡、嚴重(zhong)的非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜等，沿軋(ya)制方向呈直(zhi)線分布，以表(biao)面裂(lie)(lie)紋(wen)或折疊(die)的形式呈現(xian)，在內(nei)部走(zou)向多指(zhi)向圓心，且折疊(die)裂(lie)(lie)紋(wen)走(zou)向與(yu)表(biao)面近乎(hu)平行，漏磁場微弱。
2）發紋：材料表(biao)面或近(jin)表(biao)面毛發狀的(de)細(xi)小裂紋，由鋼錠皮下氣泡或夾雜引(yin)起。外觀細(xi)小，一般(ban)長1～3mm，目檢時(shi)不易(yi)發現。
3）鍛造(zao)(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋(wen)：包括(kuo)鍛造(zao)(zao)(zao)折疊(die)裂(lie)(lie)紋(wen)（切料不齊、毛刺(ci)、飛(fei)邊以及操作(zuo)不當等原因造(zao)(zao)(zao)成）、過燒(shao)（鍛件(jian)溫(wen)度過高(gao)或(huo)保溫(wen)時(shi)間(jian)過長造(zao)(zao)(zao)成）、濕裂(lie)(lie)（停鍛溫(wen)度較(jiao)(jiao)高(gao)，冷(leng)卻時(shi)局部或(huo)全部碰到冷(leng)卻水而(er)急冷(leng)）、內裂(lie)(lie)（鍛造(zao)(zao)(zao)時(shi)加(jia)熱速度過快，表面升溫(wen)高(gao)而(er)內部升溫(wen)慢引(yin)起(qi)，一般出現在壁厚(hou)較(jiao)(jiao)大(da)處）。鍛造(zao)(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋(wen)較(jiao)(jiao)粗大(da)，形狀不規則(ze)，存(cun)在鍛件(jian)表面，磁化時(shi)漏磁場較(jiao)(jiao)弱，磁痕顯示不太清(qing)晰，剩磁法(fa)檢(jian)測(ce)容(rong)易產生漏檢(jian)。
4）淬火裂紋(wen)：因淬火時(shi)產生的(de)熱(re)應力及組(zu)織應力引(yin)起，外貌極不規則，多在外徑上，嚴重(zhong)時(shi)延伸到端面(mian)，一般較深(shen)。
5）磨削(xue)裂紋：磨削(xue)時冷卻不良，瞬時高溫引起(qi)表(biao)面應力集中，即會產生磨削(xue)裂紋，主要分布在端面、擋邊(bian)、滾道、內徑及打字處，外(wai)徑表(biao)面較少出現，呈現短、淺、細的特點，與磨削(xue)方向垂直(zhi)或(huo)成(cheng)一定角度。
2. 軸(zhou)承套圈(quan)裂(lie)紋漏磁檢測系(xi)統的(de)特點(dian)
軸承套圈裂紋漏磁(ci)檢(jian)測系統的(de)優勢在(zai)于(yu)：可實現上(shang)下料、檢(jian)測、分(fen)選、退磁(ci)一體化(hua)自動化(hua)，極大地提高了(le)檢(jian)測效率，降低了(le)工人的(de)勞動強度。
然而(er)，在具體的工程實施中，存在以(yi)下要點及難(nan)點：
1）軸承套圈尺寸(cun)形狀(zhuang)規格繁多，如何實(shi)現(xian)通用化(hua)檢測(ce)(ce)或者(zhe)實(shi)現(xian)一定范(fan)圍內的通用化(hua)檢測(ce)(ce)存在(zai)工(gong)程實(shi)施難(nan)度。
2）隨著軸(zhou)承套圈加(jia)工工藝的提(ti)升，軸(zhou)承套圈表面加(jia)工質量越來越高，生(sheng)產過程中產生(sheng)的裂紋(wen)多呈現(xian)出開口窄(zhai)、深度(du)淺的特(te)點，屬于典型(xing)的微小尺寸(cun)裂紋(wen)檢測問題，提(ti)高磁化能(neng)力(li)、提(ti)高傳感器檢測靈敏度(du)及空間分(fen)辨力(li)、提(ti)高信號處理能(neng)力(li)以在較強背(bei)景(jing)噪聲中提(ti)取(qu)有(you)效(xiao)信號是關(guan)鍵(jian)。
3）軸承套圈尤(you)其是軸承內(nei)圈的結(jie)構(gou)較為復雜，需從結(jie)構(gou)及布(bu)置方式著手，減(jian)小提離值并最大限度地(di)覆蓋待檢測部位。
4）自動化生產線多為流水式，效(xiao)率高、速度快，因此高速檢測工藝(yi)應簡潔高效(xiao)，且可以順(shun)暢地與(yu)生產線相(xiang)融合。
3. 軸(zhou)承套圈漏磁(ci)檢(jian)測(ce)的勵磁(ci)方(fang)法與裝置
軸(zhou)承(cheng)套圈的磁(ci)化方式直(zhi)接和漏(lou)磁(ci)場信號(hao)強弱相(xiang)關，其(qi)(qi)選擇及設計非常(chang)重要。常(chang)見(jian)的軸(zhou)承(cheng)套圈周向磁(ci)化方法有(you)中心導體(ti)法、直(zhi)接通電法和繞電纜法，其(qi)(qi)優缺點見(jian)表7-5。
對比之后不(bu)難看出，上述方法均不(bu)適用(yong)于自(zi)動化(hua)(hua)漏磁檢測，為此(ci)(ci)，采(cai)用(yong)如圖7-63所示的軸(zhou)承(cheng)周(zhou)向磁化(hua)(hua)方法，磁化(hua)(hua)器由U形鐵心纏繞線圈(quan)制成，可(ke)(ke)更換的磁極可(ke)(ke)以(yi)滿足不(bu)同規格軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)的磁化(hua)(hua)需求。通過(guo)ANSYS仿真可(ke)(ke)以(yi)看出，此(ci)(ci)種(zhong)磁化(hua)(hua)方式(shi)在遠離(li)磁極的位置可(ke)(ke)以(yi)獲得比較均勻的周(zhou)向磁場，且該磁化(hua)(hua)器結構可(ke)(ke)以(yi)方便(bian)地(di)與(yu)流水(shui)生產線相結合，便(bian)于實現(xian)自(zi)動化(hua)(hua)。
選用16種軸承(cheng)套圈(quan)中(zhong)橫截面(mian)(mian)積最大的(de)27315EK 02軸承(cheng)內(nei)(nei)圈(quan)，為保證(zheng)仿真順利進行(xing)，此處對仿真裂紋(wen)進行(xing)了一定的(de)簡化(hua)，裂紋(wen)尺寸(cun)為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上(shang)、下(xia)端(duan)面(mian)(mian)各1條裂紋(wen)，沿軸向內(nei)(nei)表面(mian)(mian)等間距均(jun)勻分(fen)布(bu)3條裂紋(wen)，外表面(mian)(mian)1條裂紋(wen)。周向磁化(hua)器仿真模(mo)型(xing)如圖7-64所示。
仿真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上端(duan)面(mian)和內表(biao)(biao)面(mian)裂(lie)紋(wen)漏磁場(chang)B，分量圖像基本吻(wen)合，表(biao)(biao)明在該(gai)磁化(hua)方(fang)式及(ji)磁化(hua)強度(du)下，上端(duan)面(mian)與(yu)內表(biao)(biao)面(mian)具有較為一致的(de)磁化(hua)效果(guo)。
2）沿軸向等間距(ju)分布的(de)內表面(mian)裂紋1、2、3漏(lou)磁場分量圖像基(ji)本(ben)吻合(he)，表明在該磁化強度下(xia)，內表面(mian)磁化一致性較好，與裂紋離磁極的(de)距(ju)離無關。
3）下(xia)端面(mian)裂紋漏(lou)磁場(chang)B分(fen)量圖(tu)像與外表(biao)面(mian)裂紋漏(lou)磁場(chang)B,分(fen)量圖(tu)像基本(ben)吻(wen)合，但是相(xiang)比(bi)于上(shang)端面(mian)、內(nei)表(biao)面(mian)強度更小(xiao)。這是由于下(xia)端面(mian)壁厚較大，而外表(biao)面(mian)由于位于套圈外圍，距離磁化場(chang)較遠(yuan)，且磁場(chang)向空氣中擴散更為嚴(yan)重。
為了補償(chang)壁厚及套(tao)(tao)圈高度(du)引(yin)(yin)起的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)效果不(bu)(bu)一(yi)致(zhi)(zhi)，需(xu)要(yao)進一(yi)步(bu)加(jia)強磁(ci)(ci)化(hua)(hua)強度(du)，使(shi)得(de)軸承(cheng)套(tao)(tao)圈達到(dao)(dao)過飽和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)狀態。然而(er)在實(shi)際檢測(ce)過程中，使(shi)得(de)軸承(cheng)套(tao)(tao)圈各個(ge)部分均達到(dao)(dao)飽和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)狀態需(xu)要(yao)極多的(de)(de)(de)線圈匝數或極大的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)電流(liu)，對于非定(ding)量軸承(cheng)套(tao)(tao)圈檢測(ce)而(er)言，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)意義在于使(shi)得(de)最苛(ke)刻指(zhi)標的(de)(de)(de)缺陷仍可(ke)得(de)到(dao)(dao)較理想的(de)(de)(de)信(xin)(xin)噪(zao)比即可(ke)，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)效果不(bu)(bu)一(yi)致(zhi)(zhi)引(yin)(yin)起的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)場信(xin)(xin)號不(bu)(bu)一(yi)致(zhi)(zhi)可(ke)在軟件(jian)中予以修正(zheng)。
如圖7-66所示，以(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回火）為(wei)例，根據電磁(ci)檢測(ce)原(yuan)理，將工件磁(ci)化(hua)至飽(bao)和(he)或近飽(bao)和(he)狀態(tai)時(shi)，有利于(yu)裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)場的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)與擴散，取(qu)近飽(bao)和(he)區(qu)的(de)(de)(de)(de)H＝14800A／m點，此時(shi)對應(ying)的(de)(de)(de)(de)磁(ci)感(gan)應(ying)強(qiang)度B≈1.125125T。以(yi)16種軸(zhou)(zhou)承套圈中橫(heng)截面(mian)積最大(533.5n5m㎡)的(de)(de)(de)(de)27315EK 02軸(zhou)(zhou)承內圈為(wei)例，大約為(wei)4075安匝。由于(yu)本計算模型沒有考(kao)慮泄漏到(dao)空氣中的(de)(de)(de)(de)磁(ci)通(tong)、磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗、渦流損(sun)耗，因此將計算出(chu)的(de)(de)(de)(de)結(jie)果乘(cheng)以(yi)安全系數(shu)1.1，磁(ci)化(hua)器(qi)εm=NI=4482安匝。線(xian)圈匝數(shu)為(wei)600，選用φ1.7mm銅線(xian)繞制而成(cheng)，通(tong)入7.5A的(de)(de)(de)(de)電流即(ji)可滿(man)足磁(ci)化(hua)要(yao)求。
根據上述計算結果，設計得到如圖7-67所(suo)示的周向勵(li)磁(ci)裝置，磁(ci)極(ji)部分(fen)可(ke)更換(huan)以(yi)適應不同規格的軸承(cheng)套圈，磁(ci)化器封罩用(yong)于保護內部漆(qi)包(bao)線(xian)，封罩上開百葉窗輔助散(san)熱，加(jia)裝軸流式風扇散(san)熱以(yi)保證磁(ci)化器可(ke)長期工作。
二、檢測探頭
圖7-68所示為(wei)永磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)軛(e)探頭，它(ta)主要由磁(ci)(ci)頭、永磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)S極(ji)、永磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)N極(ji)、橋接(jie)銜鐵(tie)(tie)及隔片組成(cheng)，隔片用于(yu)調(diao)節磁(ci)(ci)極(ji)間距。檢測時，“N極(ji)→軸(zhou)承(cheng)套圈→S極(ji)→橋接(jie)銜鐵(tie)(tie)”形成(cheng)磁(ci)(ci)回路(lu)，如遇裂紋，漏磁(ci)(ci)場(chang)將(jiang)被(bei)磁(ci)(ci)頭捕捉(zhuo)。永磁(ci)(ci)鐵(tie)(tie)尺寸為(wei)4mm×10mm×10mm正對軸(zhou)承(cheng)套圈，為(wei)磁(ci)(ci)極(ji)面(mian)。信(xin)號放(fang)大電(dian)路(lu)為(wei)10×100倍兩級放(fang)大，軟件(jian)放(fang)大500倍。
如圖(tu)7-69所示，檢測對象為GCr15軸承套圈，大端面(mian)刻(ke)蝕有寬0.1mm、深(shen)0.1mm、長10.0mm的人工刻(ke)槽(cao)。軸承套圈表面(mian)光(guang)滑，無銹蝕。
不同磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)間距檢(jian)測結果對比如圖(tu)7-70所示。磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)間距15mm時(shi)，可(ke)檢(jian)出信號(hao)，但信噪(zao)比不高，這是由于磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)離(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)心(xin)過近使之飽和的緣(yuan)故(gu)(gu)；磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)間距17mm時(shi)，可(ke)檢(jian)出信號(hao)，且信噪(zao)比最佳；磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)間距19mm時(shi)，不能檢(jian)出信號(hao)。永磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體尺寸(cun)換為(wei)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正(zheng)對軸承(cheng)套圈，為(wei)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)面(mian)時(shi)，不能檢(jian)出信號(hao)，同理這也是磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)心(xin)飽和的緣(yuan)故(gu)(gu)。
通過上(shang)(shang)述(shu)分析不難(nan)發現，含磁(ci)心線圈用于檢測時，需(xu)特別注意磁(ci)心飽和(he)的問(wen)題，局部磁(ci)化在一定程度上(shang)(shang)降低了磁(ci)化成本和(he)磁(ci)化難(nan)度，但是由于磁(ci)化器距離傳感器較近，對(dui)傳感器的影(ying)響也(ye)較大。
短路(lu)磁通損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與(yu)(yu)磁心(xin)前端(duan)氣(qi)(qi)隙寬度g、深(shen)度h有(you)關(guan)；提(ti)離(li)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與(yu)(yu)提(ti)離(li)值相(xiang)關(guan)，在(zai)(zai)實際工程中(zhong)體現(xian)在(zai)(zai)探頭(tou)耐磨層厚(hou)度及(ji)探頭(tou)機構的設計；低頻損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與(yu)(yu)裂(lie)(lie)紋(wen)漏(lou)磁信號空(kong)間分(fen)(fen)布相(xiang)關(guan)，即與(yu)(yu)裂(lie)(lie)紋(wen)尺(chi)寸及(ji)磁化狀況相(xiang)關(guan)；氣(qi)(qi)隙寬度損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與(yu)(yu)氣(qi)(qi)隙寬度g、裂(lie)(lie)紋(wen)漏(lou)磁信號空(kong)間分(fen)(fen)布相(xiang)關(guan)；方位角損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可歸為提(ti)離(li)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)；磁滯(zhi)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可忽略；渦流損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可以從磁心(xin)材料(liao)、探頭(tou)工藝等方面(mian)著手降低。
因此，從(cong)探頭設計的角度出發，主要關注(zhu)磁心(xin)前端氣(qi)隙寬(kuan)度g、深(shen)度ha。
如圖7-71所(suo)示，磁(ci)頭式(shi)傳感器主要由線(xian)圈、兩片(pian)(pian)磁(ci)心(xin)主瓣(ban)(ban)、兩片(pian)(pian)磁(ci)心(xin)旁瓣(ban)(ban)組成，前端縫隙(xi)中(zhong)墊入不(bu)同厚度的POM塑料(liao)片(pian)(pian)即(ji)可得到不(bu)同的氣(qi)隙(xi)寬度g，氣(qi)隙(xi)深度h。取決于機加(jia)工主瓣(ban)(ban)、旁瓣(ban)(ban)尺寸。
如(ru)圖7-72所示，為(wei)驗證磁心前端氣隙深(shen)度h。對信號的影響(xiang)，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器，線圈匝數為(wei)400。人(ren)工傷(shang)的尺寸為(wei)（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試(shi)驗過程中使用的信號放(fang)大(da)板(ban)為(wei)10×100倍，軟件放(fang)大(da)倍數為(wei)500倍。
所得原(yuan)始信號(hao)經5階 Butterworth 濾(lv)波(bo)器(qi)濾(lv)波(bo)后，試驗結(jie)果如(ru)圖7-73所示，信號(hao)峰-峰值與前端氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度h。近似成反比(bi)，氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度越(yue)(yue)小(xiao)，越(yue)(yue)有利(li)于檢測，然而氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度越(yue)(yue)小(xiao)，探(tan)頭越(yue)(yue)不耐磨(mo)，因此實際的探(tan)頭制作(zuo)中(zhong)，需要在兩(liang)者(zhe)之間做平衡取舍。
如圖7-74所示，為驗證磁(ci)心前端氣(qi)隙寬度g對信(xin)號的影(ying)響，制作了(le)氣(qi)隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁(ci)頭式傳感器，線圈匝數(shu)為400。人工傷(shang)的尺寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗過(guo)程中(zhong)使用(yong)的信(xin)號放大板為10×100倍，軟件放大倍數(shu)為500倍。
試(shi)驗結(jie)果如圖(tu)7-75所示，氣(qi)隙寬度(du)(du)mm時(shi)，信號(hao)峰(feng)-峰(feng)值Vpp最(zui)大；在(zai)氣(qi)隙寬度(du)(du)m時(shi)出(chu)現了“檢(jian)(jian)測(ce)勢井(jing)”，當(dang)氣(qi)隙寬度(du)(du)m時(shi)，信號(hao)峰(feng)-峰(feng)值V在(zai)一定范圍內呈現出(chu)增(zeng)長趨(qu)勢。這是由于在(zai)該試(shi)驗條件下，m時(shi)氣(qi)隙寬度(du)(du)損耗最(zui)大，因此無(wu)法有效檢(jian)(jian)出(chu)信號(hao)。該結(jie)果表明(ming)，應(ying)用磁頭式傳感器進行檢(jian)(jian)測(ce)時(shi)，在(zai)裂紋漏(lou)磁信號(hao)空間(jian)分布(bu)未知的情況下，應(ying)該盡量(liang)減小前端氣(qi)隙寬度(du)(du)g，以防止它與裂紋漏(lou)磁場空間(jian)分布(bu)出(chu)現耦合，形(xing)成“檢(jian)(jian)測(ce)勢井(jing)”。
如圖7-76所示，縱向傷(shang)陣列(lie)傳(chuan)感器主要由線圈、疊層(ceng)磁心、隔離片(pian)、屏蔽罩(zhao)組成，探頭單元排成兩(liang)列(lie)并(bing)沿排布(bu)方向兩(liang)兩(liang)錯開(kai)一段距(ju)離，以消(xiao)除單列(lie)探頭之(zhi)間的探測盲區。
三、檢測(ce)裝備
整套裝備主要分(fen)為檢(jian)測裝置、信(xin)號采(cai)集(ji)和處理(li)(li)系統(tong)(tong)、PLC控制(zhi)系統(tong)(tong)、外(wai)圍供電供氣系統(tong)(tong)、物料傳(chuan)送以(yi)及上下料裝置五部(bu)分(fen)。本(ben)節的重點在(zai)于檢(jian)測裝置、信(xin)號采(cai)集(ji)和處理(li)(li)系統(tong)(tong)以(yi)及高速檢(jian)測工藝(yi)。
1. 總體方案(an)
按(an)照(zhao)功能劃分，軸承(cheng)套圈(quan)裂紋漏(lou)磁檢測(ce)(ce)裝備可(ke)以分為預置(zhi)、縱向(xiang)傷檢測(ce)(ce)、剔除、退磁四個主要工(gong)(gong)位。預置(zhi)工(gong)(gong)位為冗余過渡工(gong)(gong)位，當前可(ke)作為軸承(cheng)套圈(quan)檢測(ce)(ce)流程(cheng)的過渡工(gong)(gong)位，將來(lai)可(ke)為周向(xiang)傷檢測(ce)(ce)裝置(zhi)提供安裝平(ping)臺。裝備主體(ti)-縱向(xiang)檢測(ce)(ce)主機主要包括五個部分：軸承(cheng)套圈(quan)驅(qu)動裝置(zhi)、磁化裝置(zhi)、陣列探(tan)頭組件、信號調理采集處理系統以及自動化控制系統。
軸承(cheng)套圈驅動(dong)裝(zhuang)置設計要(yao)點：以圓(yuan)錐滾子軸承(cheng)套圈為研究對象，其形狀規(gui)整，為圓(yuan)環形零件，適合(he)旋轉(zhuan)檢(jian)測(ce)；表(biao)面光潔(jie)，不需(xu)事先清潔(jie)處理；為便于實現工業自動(dong)化，不同(tong)尺(chi)寸規(gui)格軸承(cheng)套圈的檢(jian)測(ce)工位(wei)及上(shang)下料工位(wei)最好一致(zhi)。綜合(he)上(shang)述分(fen)析，采用(yong)軸承(cheng)套圈原地旋轉(zhuan)、探頭貼合(he)檢(jian)測(ce)的方(fang)式。
根據軸承套圈漏磁檢(jian)測的(de)特點，擬訂軸承套圈高速自動化漏磁檢(jian)測工藝流(liu)程，如圖7-77所(suo)示。
軸(zhou)承套圈裂紋漏磁檢測裝備總體(ti)方案(an)如圖7-78所(suo)示。
2. 檢測系統(tong)
檢測(ce)系統主要包括縱向(xiang)傷檢測(ce)裝置、剔除裝置和退磁裝置三(san)部(bu)分。
如(ru)圖7-79所示(shi)，縱(zong)向傷檢(jian)測裝置可(ke)劃分(fen)為(wei)工件驅(qu)動(dong)(dong)、規格調(diao)整、磁化、壓緊、檢(jian)測和剔(ti)除六大主體(ti)裝置。工件驅(qu)動(dong)(dong)模塊的主要部件為(wei)驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)、驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)L、驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)R、萬向滾珠托架等。驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)機(ji)與齒(chi)輪(lun)直連，經由齒(chi)輪(lun)組變速、變轉矩(ju)之后傳(chuan)遞給兩個驅(qu)動(dong)(dong)輪(lun)，在壓緊模塊的配(pei)合下(xia)，摩擦帶動(dong)(dong)軸承套(tao)圈原地旋(xuan)轉。
規(gui)格調(diao)整(zheng)裝(zhuang)置主要(yao)(yao)由(you)手輪、減速(su)機(ji)、梯形絲(si)杠、梯形螺母及壓緊軸承(cheng)安裝(zhuang)座等構成。如(ru)圖(tu)7-80所示，由(you)于(yu)上(shang)(shang)下料機(ji)械手與(yu)檢測裝(zhuang)置之間(jian)的距離相(xiang)(xiang)對(dui)固定(ding)，為保(bao)證所有規(gui)格軸承(cheng)套(tao)圈上(shang)(shang)下料工(gong)位(wei)(wei)位(wei)(wei)置相(xiang)(xiang)同，更換軸承(cheng)套(tao)圈時，需要(yao)(yao)調(diao)整(zheng)設備狀態。減速(su)機(ji)起變速(su)、變向的作用，30°梯形絲(si)杠螺母機(ji)構既可(ke)傳動，也可(ke)自鎖，壓緊軸承(cheng)安裝(zhuang)座上(shang)(shang)開腰形通孔，可(ke)以調(diao)整(zheng)壓緊軸承(cheng)與(yu)上(shang)(shang)下料工(gong)位(wei)(wei)之間(jian)的距離，適應軸承(cheng)套(tao)圈規(gui)格的變化。
磁(ci)(ci)(ci)化(hua)裝置(zhi)主要(yao)由(you)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈、磁(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)、磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器固定(ding)架和工業風扇等組(zu)成。磁(ci)(ci)(ci)極(ji)(ji)可更換規(gui)格，以配(pei)合軸(zhou)承套圈規(gui)格的(de)變化(hua)。工業現(xian)場(chang)常常要(yao)求設備(bei)具有連續工作能力，因(yin)此(ci)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線圈的(de)散熱問題需要(yao)重視，此(ci)處采用軸(zhou)流(liu)式工業風扇散熱。
如圖7-81所(suo)示，壓(ya)(ya)緊(jin)裝置主要由壓(ya)(ya)緊(jin)氣缸(gang)、壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座(zuo)、萬向滾(gun)珠(zhu)托架和(he)可擺動(dong)式(shi)壓(ya)(ya)緊(jin)總成構成。壓(ya)(ya)緊(jin)氣缸(gang)在(zai)檢測(ce)過(guo)程中提供持續的(de)壓(ya)(ya)緊(jin)力，萬向滾(gun)珠(zhu)托舉軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)，減小其(qi)在(zai)原地旋轉過(guo)程中的(de)摩擦力，雙驅動(dong)輪(lun)加雙壓(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)的(de)設(she)計雖然更加可靠，但是存(cun)在(zai)過(guo)定位的(de)問題(ti)，因此(ci)壓(ya)(ya)緊(jin)模塊設(she)計為可擺動(dong)式(shi)。下端面探頭(tou)陣列置于壓(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)之間，規格(ge)調整時(shi)跟隨軸(zhou)(zhou)承(cheng)一起移動(dong)，可覆蓋所(suo)有系(xi)列軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)下端面。
如圖(tu)7-82所(suo)示，檢測(ce)(ce)裝置主要由外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、下端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)及其動(dong)(dong)作(zuo)機構組成(cheng)。其中，外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)由氣(qi)缸帶動(dong)(dong)，實現貼合及分離工件，連接(jie)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)氣(qi)缸的(de)(de)零件可(ke)拆卸，方(fang)便工件規格變化時更換(huan)相應的(de)(de)外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)擺臂一(yi)端(duan)(duan)(duan)，擺臂由迷(mi)你氣(qi)缸帶動(dong)(dong)，實現貼合及分離動(dong)(dong)作(zuo)；上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)導(dao)桿(gan)一(yi)端(duan)(duan)(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)導(dao)桿(gan)內(nei)(nei)置彈簧，可(ke)以(yi)(yi)適應不同(tong)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)高度的(de)(de)變化并提供持續的(de)(de)壓(ya)緊(jin)(jin)(jin)力；內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定(ding)(ding)在軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)方(fang)的(de)(de)鋁型材(cai)上(shang)(shang)(shang)(shang)，并且可(ke)沿鋁型材(cai)調(diao)(diao)整(zheng)位置；鋁型材(cai)由氣(qi)動(dong)(dong)滑(hua)臺帶動(dong)(dong)，可(ke)上(shang)(shang)(shang)(shang)下移(yi)動(dong)(dong)。檢測(ce)(ce)前，固定(ding)(ding)于(yu)(yu)鋁型材(cai)上(shang)(shang)(shang)(shang)的(de)(de)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)高位，軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)料到位后，氣(qi)動(dong)(dong)滑(hua)臺動(dong)(dong)作(zuo)，內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)低位，其中上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)(jin)(jin)上(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。隨后，迷(mi)你氣(qi)缸動(dong)(dong)作(zuo)，經由擺臂帶動(dong)(dong)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼緊(jin)(jin)(jin)內(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。下端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定(ding)(ding)于(yu)(yu)兩壓(ya)緊(jin)(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)之間，可(ke)隨壓(ya)緊(jin)(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座一(yi)起調(diao)(diao)整(zheng)，長度方(fang)向足(zu)以(yi)(yi)覆(fu)蓋(gai)該(gai)系列(lie)(lie)(lie)(lie)所(suo)有軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)下端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)置彈簧，可(ke)實現浮(fu)動(dong)(dong)壓(ya)緊(jin)(jin)(jin)，內(nei)(nei)置緊(jin)(jin)(jin)定(ding)(ding)螺釘，用于(yu)(yu)調(diao)(diao)節彈簧壓(ya)緊(jin)(jin)(jin)力。
如圖7-83所示，剔(ti)(ti)除裝(zhuang)置主要由剔(ti)(ti)除氣缸(gang)(gang)(gang)、氣缸(gang)(gang)(gang)導桿(gan)、分料板和廢品收(shou)集槽組成。縱向缺陷檢(jian)(jian)測(ce)裝(zhuang)置檢(jian)(jian)測(ce)完畢后，向PLC控制系統反饋(kui)相應(ying)信息(xi)。若(ruo)軸承(cheng)套圈(quan)(quan)檢(jian)(jian)測(ce)為合格，則剔(ti)(ti)除氣缸(gang)(gang)(gang)不(bu)動作(zuo)，機械手(shou)抓取(qu)工件在分料板上方停留一段時間之(zhi)后運往下一工位（退磁工位）；若(ruo)軸承(cheng)套圈(quan)(quan)檢(jian)(jian)測(ce)為不(bu)合格，則剔(ti)(ti)除氣缸(gang)(gang)(gang)動作(zuo)，帶動分料板上升(sheng)，機械手(shou)抓取(qu)工件將(jiang)其丟人到廢品收(shou)集槽中。
3. 高速自(zi)動化檢測工藝
如圖7-84所示，系統(tong)采用流水線(xian)式(shi)工(gong)(gong)(gong)藝流程，預置工(gong)(gong)(gong)位(wei)(wei)、縱向傷檢測工(gong)(gong)(gong)位(wei)(wei)、剔(ti)除工(gong)(gong)(gong)位(wei)(wei)、退(tui)磁(ci)工(gong)(gong)(gong)位(wei)(wei)依次排開(kai)，機械手組件將四個工(gong)(gong)(gong)位(wei)(wei)有機聯系起來。
四、現場應(ying)用
上(shang)述(shu)檢(jian)測(ce)系統在現場(chang)應用如圖7-85所示。
測(ce)(ce)試(shi)(shi)樣品及測(ce)(ce)試(shi)(shi)結果如圖7-86與圖7-87所示。測(ce)(ce)試(shi)(shi)結果表明，軸(zhou)承套圈裂紋漏磁檢(jian)測(ce)(ce)裝置(zhi)具(ju)有良好的檢(jian)測(ce)(ce)靈敏度與可靠性，檢(jian)測(ce)(ce)效率高(gao)。
