軸承(cheng)作為重要的機(ji)械(xie)(xie)基(ji)礎(chu)件(jian)，其質量直接(jie)決定著機(ji)械(xie)(xie)產品的性能以及可靠(kao)性。國家工信部規(gui)劃司在(zai)機(ji)械(xie)(xie)領域“三(san)基(ji)”（機(ji)械(xie)(xie)基(ji)礎(chu)件(jian)、基(ji)礎(chu)制造工藝和基(ji)礎(chu)材(cai)料）產業“十二五”發(fa)展(zhan)規(gui)劃中明確，指出圍繞(rao)重大(da)裝(zhuang)備和高端裝(zhuang)備配套需(xu)求，重點發(fa)展(zhan)高速(su)、精(jing)密、重載軸承(cheng)。
軸(zhou)承作為機械(xie)裝置中最常(chang)用也最重(zhong)要(yao)的(de)(de)零部(bu)件之一，其失效將直接(jie)導致設備故障(zhang)(zhang)、生產(chan)受(shou)阻甚至是人員傷(shang)亡。據統計(ji)，在(zai)旋轉機械(xie)的(de)(de)現場故障(zhang)(zhang)中，由于軸(zhou)承套(tao)圈損傷(shang)而引起(qi)的(de)(de)故障(zhang)(zhang)大約占30％，其中大約90％的(de)(de)故障(zhang)(zhang)來自軸(zhou)承套(tao)圈的(de)(de)裂(lie)紋。因(yin)此提高軸(zhou)承套(tao)圈的(de)(de)裂(lie)紋檢(jian)測能力尤為重(zhong)要(yao)。
目前，軸承套圈檢測(ce)(ce)方(fang)法(fa)主(zhu)要有磁粉檢測(ce)(ce)法(fa)、超(chao)聲(sheng)檢測(ce)(ce)法(fa)、渦流檢測(ce)(ce)法(fa)、機器視覺法(fa)、巴克豪森法(fa)、聲(sheng)發射檢測(ce)(ce)法(fa)等(deng)。其(qi)中(zhong)，磁粉檢測(ce)(ce)法(fa)、超(chao)聲(sheng)檢測(ce)(ce)法(fa)、渦流檢測(ce)(ce)法(fa)使用較為普(pu)遍(bian)。
磁粉檢(jian)(jian)測(ce)法檢(jian)(jian)驗(yan)靈敏度高，缺陷顯示(shi)直觀，不(bu)受(shou)工(gong)(gong)件(jian)大(da)小和(he)形(xing)狀的(de)限制，但(dan)是(shi)操作復(fu)雜，生產率低，且(qie)對(dui)環境有一(yi)定(ding)污染(ran)，磁痕觀察需要(yao)人(ren)工(gong)(gong)參與，檢(jian)(jian)測(ce)結(jie)果(guo)受(shou)檢(jian)(jian)測(ce)人(ren)員主觀意識和(he)操作經驗(yan)影(ying)響(xiang)(xiang)，難(nan)以踐行統(tong)一(yi)的(de)質量(liang)標準；超聲檢(jian)(jian)測(ce)法在國(guo)(guo)外使用(yong)較(jiao)為廣泛，歐洲已(yi)頒布相(xiang)應檢(jian)(jian)測(ce)標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但(dan)超聲檢(jian)(jian)測(ce)法由于(yu)(yu)裂紋取向及聲耦合對(dui)其影(ying)響(xiang)(xiang)大(da)，難(nan)以適應軸承(cheng)套圈形(xing)狀，檢(jian)(jian)測(ce)精度不(bu)高，需要(yao)檢(jian)(jian)測(ce)者有豐富經驗(yan)，所(suo)以影(ying)響(xiang)(xiang)了其在國(guo)(guo)內市場(chang)的(de)推廣；渦(wo)流檢(jian)(jian)測(ce)法可實現非接觸(chu)式(shi)(shi)檢(jian)(jian)測(ce)，但(dan)是(shi)受(shou)工(gong)(gong)件(jian)形(xing)狀影(ying)響(xiang)(xiang)大(da)，且(qie)結(jie)果(guo)多(duo)以阻抗(kang)分析圖(tu)的(de)形(xing)式(shi)(shi)展現，不(bu)直觀，多(duo)用(yong)于(yu)(yu)軸承(cheng)圓柱滾(gun)子(zi)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)。
為(wei)解(jie)決軸承(cheng)生(sheng)產中(zhong)出現(xian)的實際問題，下(xia)面介(jie)紹一種基于漏(lou)磁原理(li)的軸承(cheng)套圈(quan)裂紋檢(jian)測(ce)(ce)方法與裝(zhuang)置(zhi)，可實現(xian)軸承(cheng)套圈(quan)的自動化高效檢(jian)測(ce)(ce)。
一、檢測原理(li)
軸承套圈(quan)作(zuo)為一種精密零部(bu)件，其表面(mian)質量較高，生(sheng)產過程中產生(sheng)的裂紋多(duo)呈現出(chu)開口窄、長(chang)度短、深(shen)度淺的特點，屬于典型的微小尺寸裂紋檢測(ce)問題。
1. 軸承套圈的材料、結構(gou)、待檢測部位及缺(que)陷(xian)形(xing)式(shi)
a. 軸承鋼的主(zhu)要種類
1）高碳鉻軸承鋼：年產量(liang)(liang)約占軸承鋼總產量(liang)(liang)的80％，包(bao)含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系(xi)列，而其中(zhong)GCr15 高碳鉻軸承鋼由德國于(yu)1905年研(yan)制成功(gong)，得到了廣泛應用。
2）滲碳軸承(cheng)鋼(gang)：經滲碳處理，兼具表面(mian)高硬高耐磨性及內部韌性。在美國的產量(liang)約占軸承(cheng)鋼(gang)總產量(liang)的30％，在中(zhong)國僅(jin)占3％左右。
3）中(zhong)碳(tan)軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)：工藝相對簡單，且同樣達到表面(mian)硬化效(xiao)果，近年來發(fa)展較(jiao)快。
4）不銹鋼(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(huo)是相(xiang)同(tong)材質、不同(tong)熱處(chu)理工藝(yi)均會對軸承鋼的(de)(de)磁化特(te)性產生巨大(da)影響，不同(tong)的(de)(de)磁化特(te)性對應不同(tong)的(de)(de)磁化裝置參數(shu)，本書使用最為廣泛的(de)(de)GCr15軸承鋼作為研(yan)究(jiu)對象(xiang)。
b. 軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈的(de)結構及(ji)待檢(jian)測部(bu)位 成品軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)一般(ban)由軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)外套(tao)(tao)圈、軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)內套(tao)(tao)圈、滾子保持架、滾子及(ji)附件(jian)組(zu)成，軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈結構形式較為多(duo)樣，同一套(tao)(tao)裝備難(nan)以(yi)同時滿足所有類(lei)(lei)型(xing)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈的(de)檢(jian)測需求(qiu)，研究其(qi)(qi)中使用(yong)較為廣泛的(de)圓(yuan)錐滾子軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈具有重要意義，相關研究方(fang)法可方(fang)便地變通(tong)之后推廣到其(qi)(qi)他類(lei)(lei)型(xing)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈。
如圖7-62所示，圓(yuan)錐(zhui)滾子(zi)軸承套圈為旋轉(zhuan)對稱零件，外(wai)(wai)圈可看(kan)作由梯形繞中心軸旋轉(zhuan)360°而(er)成，上下端面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外(wai)(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)，內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)；內(nei)圈結構稍顯復(fu)雜，上下端面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外(wai)(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)主體為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)，沿軸向兩端含工(gong)藝槽及(ji)滾子(zi)定(ding)位臺階，內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)。
軸承外圈待檢測面包含內(nei)圓(yuan)錐(zhui)面1、外圓(yuan)柱面2、下端(duan)面3和(he)上(shang)端(duan)面4。軸承內(nei)圈待檢測面包含外圓(yuan)錐(zhui)面1、內(nei)圓(yuan)柱面2、下端(duan)面3、上(shang)端(duan)面4。
c. 軸承套圈的裂紋形式及產生原因
1）材料裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)：材料裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)產生的原因主要是內部(bu)氣泡、嚴(yan)重(zhong)的非金(jin)屬夾雜(za)等(deng)，沿軋制方向呈直線分布，以表(biao)面裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)或折疊的形式呈現，在內部(bu)走向多指(zhi)向圓心(xin)，且折疊裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)走向與表(biao)面近乎平行，漏(lou)磁場微弱(ruo)。
2）發紋(wen)(wen)：材(cai)料表面(mian)或近(jin)表面(mian)毛發狀(zhuang)的細小裂(lie)紋(wen)(wen)，由鋼錠皮(pi)下(xia)氣泡或夾雜引(yin)起。外觀細小，一(yi)般長1～3mm，目檢(jian)時不(bu)易發現(xian)。
3）鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)裂紋：包(bao)括鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)折疊(die)裂紋（切(qie)料(liao)不(bu)(bu)齊、毛刺(ci)、飛邊(bian)以(yi)及操作不(bu)(bu)當等(deng)原因造(zao)(zao)成）、過燒（鍛(duan)(duan)件溫(wen)度過高或(huo)保溫(wen)時(shi)(shi)間過長造(zao)(zao)成）、濕裂（停鍛(duan)(duan)溫(wen)度較(jiao)(jiao)高，冷卻(que)時(shi)(shi)局部或(huo)全部碰到冷卻(que)水而急(ji)冷）、內(nei)(nei)裂（鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)時(shi)(shi)加熱速(su)度過快，表(biao)面(mian)升溫(wen)高而內(nei)(nei)部升溫(wen)慢引起，一般出現在(zai)壁厚(hou)較(jiao)(jiao)大處）。鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)裂紋較(jiao)(jiao)粗大，形狀不(bu)(bu)規則，存在(zai)鍛(duan)(duan)件表(biao)面(mian)，磁(ci)(ci)(ci)化時(shi)(shi)漏磁(ci)(ci)(ci)場較(jiao)(jiao)弱，磁(ci)(ci)(ci)痕顯示不(bu)(bu)太清晰，剩磁(ci)(ci)(ci)法檢(jian)測容易產生(sheng)漏檢(jian)。
4）淬火裂(lie)紋：因淬火時產(chan)生的(de)熱應力(li)及(ji)組織應力(li)引起，外貌極不(bu)規(gui)則，多在外徑上，嚴重時延伸到(dao)端面，一般較深(shen)。
5）磨削(xue)裂紋(wen)：磨削(xue)時冷卻不良，瞬時高溫(wen)引起(qi)表(biao)面(mian)(mian)應力集中，即(ji)會產生磨削(xue)裂紋(wen)，主(zhu)要(yao)分布在(zai)端(duan)面(mian)(mian)、擋邊(bian)、滾(gun)道、內徑及打字處，外徑表(biao)面(mian)(mian)較少出現，呈現短、淺、細的特點，與磨削(xue)方向(xiang)垂(chui)直或成一(yi)定(ding)角度。
2. 軸(zhou)承套圈裂紋漏(lou)磁(ci)檢測系統的(de)特點(dian)
軸承套(tao)圈裂紋(wen)漏磁(ci)(ci)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)系統的優勢在于(yu)：可實現(xian)上下(xia)料、檢(jian)(jian)測(ce)(ce)、分選(xuan)、退磁(ci)(ci)一(yi)體化自(zi)動化，極(ji)大地提高了檢(jian)(jian)測(ce)(ce)效率，降低了工人的勞(lao)動強度。
然而，在(zai)具體的工程(cheng)實施中，存在(zai)以下要點及難(nan)點：
1）軸承套(tao)圈尺寸形狀規格繁多，如何實(shi)現通(tong)用化(hua)檢測或(huo)者實(shi)現一定范(fan)圍內的(de)通(tong)用化(hua)檢測存(cun)在(zai)工(gong)程實(shi)施難度。
2）隨(sui)著(zhu)軸承(cheng)套圈(quan)加工(gong)工(gong)藝的提升，軸承(cheng)套圈(quan)表面加工(gong)質量(liang)越(yue)來越(yue)高，生產過(guo)程中(zhong)產生的裂(lie)紋(wen)多(duo)呈現出開(kai)口(kou)窄、深度(du)淺的特點，屬于典型的微小尺寸裂(lie)紋(wen)檢(jian)測問題，提高磁化能力、提高傳感器(qi)檢(jian)測靈敏(min)度(du)及空(kong)間分辨力、提高信(xin)號處理能力以(yi)在較強背景噪聲中(zhong)提取有(you)效信(xin)號是關鍵。
3）軸(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)尤其是軸(zhou)承內圈(quan)(quan)的(de)結構較為(wei)復雜，需從(cong)結構及布置(zhi)方式著手(shou)，減小(xiao)提離值(zhi)并最大限度地覆蓋待檢(jian)測部位。
4）自動化生產線多為流水(shui)式，效(xiao)率高(gao)、速度快，因此高(gao)速檢測工藝應(ying)簡潔(jie)高(gao)效(xiao)，且可以(yi)順(shun)暢(chang)地與生產線相融合(he)。
3. 軸承(cheng)套圈漏磁(ci)檢測的勵磁(ci)方法與裝置
軸承套(tao)圈(quan)的(de)磁化方(fang)(fang)式直接(jie)和漏磁場信號強弱相關，其選擇(ze)及設計(ji)非常重(zhong)要。常見的(de)軸承套(tao)圈(quan)周向(xiang)磁化方(fang)(fang)法(fa)有中心導體法(fa)、直接(jie)通(tong)電法(fa)和繞電纜法(fa)，其優(you)缺點見表7-5。
對比之后不難(nan)看(kan)出(chu)，上述(shu)方(fang)(fang)法均不適用于(yu)自動化(hua)漏磁(ci)(ci)檢測，為此，采用如圖7-63所示的軸承周向(xiang)磁(ci)(ci)化(hua)方(fang)(fang)法，磁(ci)(ci)化(hua)器由U形鐵心纏繞線圈(quan)(quan)制成(cheng)，可(ke)更換(huan)的磁(ci)(ci)極可(ke)以(yi)滿足不同規(gui)格軸承套圈(quan)(quan)的磁(ci)(ci)化(hua)需(xu)求(qiu)。通過ANSYS仿真可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，此種磁(ci)(ci)化(hua)方(fang)(fang)式在遠離磁(ci)(ci)極的位置可(ke)以(yi)獲得比較均勻(yun)的周向(xiang)磁(ci)(ci)場，且該磁(ci)(ci)化(hua)器結構(gou)可(ke)以(yi)方(fang)(fang)便(bian)地與流(liu)水生(sheng)產線相結合，便(bian)于(yu)實現(xian)自動化(hua)。
選用16種軸承套圈中橫(heng)截面(mian)(mian)積最(zui)大(da)的27315EK 02軸承內圈，為保證(zheng)仿真順利進行，此處(chu)對仿真裂紋(wen)進行了一(yi)定的簡化，裂紋(wen)尺(chi)寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下(xia)端面(mian)(mian)各1條裂紋(wen)，沿(yan)軸向(xiang)內表(biao)(biao)面(mian)(mian)等間距均勻分(fen)布(bu)3條裂紋(wen)，外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)1條裂紋(wen)。周向(xiang)磁化器(qi)仿真模型如圖(tu)7-64所示。
仿真(zhen)結果如圖7-65所示(shi)，通過對(dui)比可知：
1）上端(duan)面(mian)和內表面(mian)裂紋(wen)漏磁場(chang)B，分量圖像(xiang)基本吻合，表明在該磁化方式及磁化強(qiang)度下，上端(duan)面(mian)與(yu)內表面(mian)具(ju)有較(jiao)為一致的磁化效果(guo)。
2）沿(yan)軸向等(deng)間距(ju)分布的內表(biao)面裂(lie)紋1、2、3漏磁(ci)場(chang)分量圖像(xiang)基(ji)本吻合，表(biao)明在該(gai)磁(ci)化強(qiang)度下，內表(biao)面磁(ci)化一致性較好，與裂(lie)紋離(li)磁(ci)極的距(ju)離(li)無關。
3）下(xia)(xia)端(duan)面(mian)裂紋(wen)漏(lou)磁場B分(fen)量圖(tu)像與外表(biao)面(mian)裂紋(wen)漏(lou)磁場B,分(fen)量圖(tu)像基(ji)本吻(wen)合，但是相比于(yu)上端(duan)面(mian)、內表(biao)面(mian)強度(du)更(geng)小。這是由(you)于(yu)下(xia)(xia)端(duan)面(mian)壁厚較(jiao)大，而外表(biao)面(mian)由(you)于(yu)位于(yu)套(tao)圈(quan)外圍(wei)，距(ju)離磁化場較(jiao)遠，且磁場向空氣中擴(kuo)散更(geng)為嚴重。
為了補償壁厚及(ji)套(tao)圈(quan)(quan)高(gao)度引起的(de)磁(ci)化(hua)(hua)效果不一(yi)致，需(xu)要(yao)進一(yi)步(bu)加強磁(ci)化(hua)(hua)強度，使(shi)(shi)得(de)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)達(da)到(dao)過飽(bao)和磁(ci)化(hua)(hua)狀態。然(ran)而在實際檢(jian)測(ce)(ce)過程中，使(shi)(shi)得(de)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)各個(ge)部分均達(da)到(dao)飽(bao)和磁(ci)化(hua)(hua)狀態需(xu)要(yao)極多的(de)線圈(quan)(quan)匝數或極大的(de)磁(ci)化(hua)(hua)電(dian)流(liu)，對于非定量軸(zhou)承套(tao)圈(quan)(quan)檢(jian)測(ce)(ce)而言，磁(ci)化(hua)(hua)的(de)意義在于使(shi)(shi)得(de)最苛刻指標的(de)缺陷仍可(ke)得(de)到(dao)較(jiao)理想的(de)信(xin)噪比即可(ke)，磁(ci)化(hua)(hua)效果不一(yi)致引起的(de)漏(lou)磁(ci)場信(xin)號不一(yi)致可(ke)在軟(ruan)件中予(yu)以修正。
如圖(tu)7-66所(suo)示，以(yi)(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回火）為例，根(gen)據電(dian)磁(ci)檢測原理(li)，將工件磁(ci)化(hua)(hua)至飽(bao)和或近(jin)飽(bao)和狀態時，有(you)(you)利于裂紋(wen)漏磁(ci)場的(de)(de)形成與擴(kuo)散(san)，取(qu)近(jin)飽(bao)和區的(de)(de)H＝14800A／m點，此時對應的(de)(de)磁(ci)感應強度B≈1.125125T。以(yi)(yi)16種(zhong)軸(zhou)承套圈(quan)中橫截面積最(zui)大(da)(533.5n5m㎡)的(de)(de)27315EK 02軸(zhou)承內(nei)圈(quan)為例，大(da)約為4075安匝。由于本計算(suan)模型(xing)沒有(you)(you)考慮泄(xie)漏到空氣中的(de)(de)磁(ci)通(tong)、磁(ci)滯(zhi)損(sun)耗、渦流損(sun)耗，因此將計算(suan)出(chu)的(de)(de)結果乘以(yi)(yi)安全系數1.1，磁(ci)化(hua)(hua)器(qi)εm=NI=4482安匝。線圈(quan)匝數為600，選(xuan)用φ1.7mm銅線繞制而(er)成，通(tong)入7.5A的(de)(de)電(dian)流即(ji)可(ke)滿(man)足磁(ci)化(hua)(hua)要求。
根據上(shang)述計(ji)算結果，設計(ji)得到如圖(tu)7-67所示的周向勵磁裝(zhuang)置，磁極部分(fen)可更換以適應不同規格的軸(zhou)承套圈(quan)，磁化器(qi)封罩用于保護內部漆包(bao)線，封罩上(shang)開百葉窗輔助(zhu)散熱，加裝(zhuang)軸(zhou)流式風(feng)扇(shan)散熱以保證磁化器(qi)可長期(qi)工作。
二、檢測探頭
圖(tu)7-68所示為(wei)永磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)軛(e)探頭，它主要(yao)由磁(ci)(ci)頭、永磁(ci)(ci)鐵(tie)S極(ji)(ji)、永磁(ci)(ci)鐵(tie)N極(ji)(ji)、橋接銜(xian)鐵(tie)及隔片(pian)組成，隔片(pian)用于調節磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間距。檢測時，“N極(ji)(ji)→軸承(cheng)套圈(quan)→S極(ji)(ji)→橋接銜(xian)鐵(tie)”形成磁(ci)(ci)回(hui)路(lu)，如遇裂紋，漏磁(ci)(ci)場將(jiang)被(bei)磁(ci)(ci)頭捕捉。永磁(ci)(ci)鐵(tie)尺寸為(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承(cheng)套圈(quan)，為(wei)磁(ci)(ci)極(ji)(ji)面。信號放大(da)電(dian)路(lu)為(wei)10×100倍(bei)兩級放大(da)，軟(ruan)件放大(da)500倍(bei)。
如圖7-69所示，檢測對象為GCr15軸承套圈，大端面(mian)刻蝕有(you)寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻槽(cao)。軸承套圈表面(mian)光滑(hua)，無銹蝕。
不同磁(ci)(ci)極間(jian)距(ju)檢測結果對(dui)(dui)比如圖7-70所示。磁(ci)(ci)極間(jian)距(ju)15mm時(shi)，可檢出信(xin)號(hao)(hao)，但信(xin)噪(zao)比不高，這(zhe)是(shi)由于磁(ci)(ci)極離磁(ci)(ci)心(xin)過近使之飽和(he)的緣故(gu)；磁(ci)(ci)極間(jian)距(ju)17mm時(shi)，可檢出信(xin)號(hao)(hao)，且(qie)信(xin)噪(zao)比最佳；磁(ci)(ci)極間(jian)距(ju)19mm時(shi)，不能(neng)檢出信(xin)號(hao)(hao)。永磁(ci)(ci)體(ti)尺寸(cun)換為(wei)6mm×10mm×10mn，其(qi)中6mm×10mm 正(zheng)對(dui)(dui)軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)，為(wei)磁(ci)(ci)極面時(shi)，不能(neng)檢出信(xin)號(hao)(hao)，同理這(zhe)也是(shi)磁(ci)(ci)心(xin)飽和(he)的緣故(gu)。
通(tong)過上述分析(xi)不難(nan)發現，含磁心(xin)線圈用于(yu)檢測時，需特別注意磁心(xin)飽和的問題，局部(bu)磁化(hua)在一定程度(du)上降低了(le)磁化(hua)成本和磁化(hua)難(nan)度(du)，但(dan)是(shi)由于(yu)磁化(hua)器(qi)距離傳感(gan)器(qi)較(jiao)近(jin)，對傳感(gan)器(qi)的影(ying)響也較(jiao)大。
短路磁通損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)磁心前端(duan)氣(qi)隙寬(kuan)度(du)g、深度(du)h有(you)關(guan)；提離(li)損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)提離(li)值相關(guan)，在(zai)實(shi)際工(gong)程中體現在(zai)探頭耐磨層厚度(du)及(ji)探頭機構的設計(ji)；低(di)頻損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)裂(lie)紋漏磁信號空間分(fen)(fen)布相關(guan)，即與(yu)(yu)裂(lie)紋尺(chi)寸(cun)及(ji)磁化狀況(kuang)相關(guan)；氣(qi)隙寬(kuan)度(du)損(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)氣(qi)隙寬(kuan)度(du)g、裂(lie)紋漏磁信號空間分(fen)(fen)布相關(guan)；方(fang)位角(jiao)損(sun)(sun)耗(hao)可歸為(wei)提離(li)損(sun)(sun)耗(hao)；磁滯損(sun)(sun)耗(hao)可忽略(lve)；渦(wo)流損(sun)(sun)耗(hao)可以(yi)從磁心材料、探頭工(gong)藝等方(fang)面著手降低(di)。
因此(ci)，從探頭設計的(de)角度出發，主要關注磁心前端氣隙寬度g、深(shen)度ha。
如(ru)圖7-71所示，磁頭式傳感(gan)器(qi)主要由線圈、兩片(pian)磁心主瓣(ban)、兩片(pian)磁心旁瓣(ban)組成(cheng)，前(qian)端縫隙中墊入不(bu)同厚(hou)度(du)的(de)POM塑料(liao)片(pian)即可得到(dao)不(bu)同的(de)氣(qi)隙寬(kuan)度(du)g，氣(qi)隙深度(du)h。取決于機加(jia)工主瓣(ban)、旁瓣(ban)尺(chi)寸。
如圖7-72所示，為(wei)驗證磁(ci)心前(qian)端氣隙深(shen)度h。對信號的影響，制作了(le)ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭式傳感(gan)器，線(xian)圈匝數為(wei)400。人工傷的尺寸為(wei)（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長(chang)）。試驗過程中(zhong)使用的信號放大板為(wei)10×100倍，軟件放大倍數為(wei)500倍。
所(suo)得(de)原始(shi)信號經5階 Butterworth 濾(lv)波器濾(lv)波后(hou)，試驗(yan)結果如圖7-73所(suo)示，信號峰-峰值(zhi)與前端氣(qi)(qi)隙深(shen)度(du)h。近似(si)成反比，氣(qi)(qi)隙深(shen)度(du)越(yue)(yue)(yue)小(xiao)，越(yue)(yue)(yue)有利于(yu)檢測(ce)，然(ran)而氣(qi)(qi)隙深(shen)度(du)越(yue)(yue)(yue)小(xiao)，探頭越(yue)(yue)(yue)不(bu)耐(nai)磨，因此實際的(de)探頭制(zhi)作中，需要在(zai)兩者之(zhi)間做平衡取舍(she)。
如(ru)圖7-74所(suo)示，為(wei)驗(yan)(yan)證磁(ci)心(xin)前(qian)端氣隙(xi)寬(kuan)度g對信號(hao)的影響，制(zhi)作(zuo)了氣隙(xi)深(shen)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，線圈匝數為(wei)400。人工傷的尺寸為(wei)0.1mm（寬(kuan)）)x0.5mm深(shen)）x10.0mm（長）。試驗(yan)(yan)過程中使用的信號(hao)放大板為(wei)10×100倍(bei)，軟(ruan)件放大倍(bei)數為(wei)500倍(bei)。
試(shi)驗結果如圖7-75所示，氣隙(xi)寬(kuan)度(du)mm時(shi)(shi)，信號(hao)峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值Vpp最大；在(zai)氣隙(xi)寬(kuan)度(du)m時(shi)(shi)出現(xian)(xian)了“檢(jian)測勢(shi)井”，當氣隙(xi)寬(kuan)度(du)m時(shi)(shi)，信號(hao)峰(feng)(feng)-峰(feng)(feng)值V在(zai)一定范圍內呈現(xian)(xian)出增長趨(qu)勢(shi)。這是由于(yu)在(zai)該試(shi)驗條件下(xia)(xia)，m時(shi)(shi)氣隙(xi)寬(kuan)度(du)損耗最大，因此(ci)無法有效檢(jian)出信號(hao)。該結果表明(ming)，應用(yong)磁頭式傳感(gan)器進行檢(jian)測時(shi)(shi)，在(zai)裂紋(wen)漏磁信號(hao)空間(jian)分布未(wei)知的(de)情況下(xia)(xia)，應該盡量(liang)減小前端氣隙(xi)寬(kuan)度(du)g，以防止它與裂紋(wen)漏磁場空間(jian)分布出現(xian)(xian)耦合，形成“檢(jian)測勢(shi)井”。
如(ru)圖7-76所示，縱向傷(shang)陣(zhen)列傳感器主要由(you)線圈、疊層磁心、隔離片、屏(ping)蔽罩組成，探(tan)頭單(dan)元排成兩列并(bing)沿排布(bu)方向兩兩錯(cuo)開一段距離，以消除單(dan)列探(tan)頭之間的探(tan)測盲區。
三、檢測裝備
整套裝備(bei)主要分為檢測(ce)裝置(zhi)、信號采(cai)集(ji)和(he)處(chu)(chu)理系(xi)統、PLC控制(zhi)系(xi)統、外圍供電供氣(qi)系(xi)統、物料傳送以(yi)及上下料裝置(zhi)五(wu)部分。本節(jie)的重點在(zai)于(yu)檢測(ce)裝置(zhi)、信號采(cai)集(ji)和(he)處(chu)(chu)理系(xi)統以(yi)及高速檢測(ce)工藝。
1. 總體方(fang)案
按照(zhao)功能(neng)劃(hua)分(fen)，軸承(cheng)套(tao)圈裂紋漏磁(ci)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)裝備可(ke)以分(fen)為(wei)(wei)預置、縱(zong)向(xiang)傷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)、剔除、退磁(ci)四個主(zhu)要工(gong)(gong)位。預置工(gong)(gong)位為(wei)(wei)冗(rong)余過渡(du)工(gong)(gong)位，當前(qian)可(ke)作為(wei)(wei)軸承(cheng)套(tao)圈檢(jian)(jian)(jian)測(ce)流(liu)程的(de)過渡(du)工(gong)(gong)位，將來可(ke)為(wei)(wei)周向(xiang)傷檢(jian)(jian)(jian)測(ce)裝置提供安裝平(ping)臺。裝備主(zhu)體-縱(zong)向(xiang)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)主(zhu)機主(zhu)要包括五(wu)個部分(fen)：軸承(cheng)套(tao)圈驅動(dong)裝置、磁(ci)化(hua)裝置、陣列探頭組(zu)件、信號調理(li)采集處理(li)系統以及自動(dong)化(hua)控制系統。
軸承套(tao)圈驅動裝置設計要(yao)點(dian)：以圓錐滾子軸承套(tao)圈為研(yan)究對(dui)象，其形狀規整，為圓環形零件(jian)，適(shi)合旋(xuan)轉檢測；表面(mian)光潔，不(bu)需事先(xian)清潔處理(li)；為便于(yu)實現(xian)工業自動化，不(bu)同尺寸規格軸承套(tao)圈的檢測工位及上下料工位最(zui)好(hao)一致。綜合上述分析(xi)，采用軸承套(tao)圈原地旋(xuan)轉、探頭(tou)貼合檢測的方式。
根據軸承套(tao)圈漏(lou)(lou)磁檢測的特點，擬訂(ding)軸承套(tao)圈高速自(zi)動化漏(lou)(lou)磁檢測工(gong)藝流程，如圖7-77所示。
軸承套圈裂(lie)紋漏磁檢測裝備總體(ti)方案如圖(tu)7-78所示(shi)。
2. 檢測系統
檢(jian)測系統主要包括(kuo)縱(zong)向傷檢(jian)測裝(zhuang)置(zhi)、剔除裝(zhuang)置(zhi)和(he)退磁裝(zhuang)置(zhi)三部分(fen)。
如圖7-79所示，縱向(xiang)傷檢(jian)(jian)測裝置可劃分(fen)為工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)、規格(ge)調整、磁化、壓(ya)緊(jin)、檢(jian)(jian)測和(he)剔除六大主(zhu)體裝置。工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)模塊(kuai)的主(zhu)要部(bu)件(jian)為驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)動(dong)機、驅(qu)(qu)動(dong)輪L、驅(qu)(qu)動(dong)輪R、萬向(xiang)滾珠托(tuo)架等(deng)。驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)動(dong)機與齒輪直連，經由齒輪組(zu)變速、變轉矩之后傳(chuan)遞給兩個驅(qu)(qu)動(dong)輪，在壓(ya)緊(jin)模塊(kuai)的配合下，摩擦帶(dai)動(dong)軸承(cheng)套(tao)圈原地(di)旋(xuan)轉。
規(gui)格調(diao)(diao)整(zheng)裝置主要由(you)手(shou)輪、減速(su)機、梯形絲杠(gang)、梯形螺母(mu)及(ji)壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座等構(gou)成。如圖7-80所示(shi)，由(you)于上(shang)下料機械(xie)手(shou)與檢測(ce)裝置之(zhi)間的(de)距(ju)離相(xiang)對固定，為保證所有規(gui)格軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)上(shang)下料工(gong)位(wei)位(wei)置相(xiang)同，更換軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)時，需要調(diao)(diao)整(zheng)設(she)備狀態。減速(su)機起變速(su)、變向的(de)作用(yong)，30°梯形絲杠(gang)螺母(mu)機構(gou)既可傳(chuan)動，也可自鎖(suo)，壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座上(shang)開腰形通孔，可以調(diao)(diao)整(zheng)壓(ya)緊軸(zhou)(zhou)承(cheng)與上(shang)下料工(gong)位(wei)之(zhi)間的(de)距(ju)離，適(shi)應軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)規(gui)格的(de)變化。
磁化裝置主要由(you)磁化線(xian)圈、磁極(ji)、磁化器固定架和(he)工(gong)業風扇等組成。磁極(ji)可更(geng)換規格，以配(pei)合(he)軸承套(tao)圈規格的變化。工(gong)業現場常(chang)常(chang)要求設(she)備具(ju)有連續工(gong)作能(neng)力，因(yin)此(ci)磁化線(xian)圈的散(san)熱(re)問題需(xu)要重視(shi)，此(ci)處采(cai)用(yong)軸流(liu)式工(gong)業風扇散(san)熱(re)。
如圖7-81所示，壓(ya)(ya)緊(jin)裝置(zhi)(zhi)主要由(you)壓(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸(gang)、壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承安裝座、萬向(xiang)滾(gun)珠托架(jia)和可擺(bai)動(dong)式壓(ya)(ya)緊(jin)總成構成。壓(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸(gang)在(zai)檢(jian)測過(guo)程中提供持續的(de)壓(ya)(ya)緊(jin)力，萬向(xiang)滾(gun)珠托舉軸(zhou)承套圈(quan)，減小其在(zai)原地旋轉過(guo)程中的(de)摩擦(ca)力，雙驅動(dong)輪加雙壓(ya)(ya)緊(jin)輪的(de)設計雖(sui)然更(geng)加可靠，但是存在(zai)過(guo)定位的(de)問題，因此壓(ya)(ya)緊(jin)模(mo)塊設計為(wei)可擺(bai)動(dong)式。下端(duan)面探頭陣列置(zhi)(zhi)于(yu)壓(ya)(ya)緊(jin)輪之間，規格調(diao)整(zheng)時跟(gen)隨軸(zhou)承一起移(yi)動(dong)，可覆蓋所有系列軸(zhou)承套圈(quan)下端(duan)面。
如(ru)圖7-82所示，檢(jian)測(ce)裝置主要由(you)(you)外表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、下(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)及(ji)其動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)機構(gou)組成。其中(zhong)，外表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)由(you)(you)氣(qi)(qi)缸(gang)帶動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現(xian)貼(tie)合(he)及(ji)分離工件(jian)，連(lian)接陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)與氣(qi)(qi)缸(gang)的(de)(de)(de)零件(jian)可(ke)(ke)(ke)拆(chai)卸(xie)，方(fang)(fang)便工件(jian)規格變(bian)化(hua)時更換(huan)相應的(de)(de)(de)外表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)(yu)(yu)擺臂(bei)一端(duan)(duan)(duan)(duan)，擺臂(bei)由(you)(you)迷你(ni)氣(qi)(qi)缸(gang)帶動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現(xian)貼(tie)合(he)及(ji)分離動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)；上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接于(yu)(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)導桿一端(duan)(duan)(duan)(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)導桿內(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)(ke)(ke)以適應不(bu)同軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)高度的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)并(bing)提供(gong)持續的(de)(de)(de)壓緊(jin)(jin)(jin)力；內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)與上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)固定(ding)在(zai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)上(shang)方(fang)(fang)的(de)(de)(de)鋁(lv)(lv)型(xing)材上(shang)，并(bing)且可(ke)(ke)(ke)沿鋁(lv)(lv)型(xing)材調整位(wei)置；鋁(lv)(lv)型(xing)材由(you)(you)氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺帶動(dong)(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)(ke)上(shang)下(xia)移動(dong)(dong)(dong)(dong)。檢(jian)測(ce)前，固定(ding)于(yu)(yu)(yu)鋁(lv)(lv)型(xing)材上(shang)的(de)(de)(de)內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)(yu)高位(wei)，軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)上(shang)料(liao)到位(wei)后，氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)，內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)(yu)低(di)位(wei)，其中(zhong)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)(jin)(jin)上(shang)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。隨(sui)后，迷你(ni)氣(qi)(qi)缸(gang)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)，經由(you)(you)擺臂(bei)帶動(dong)(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)(jin)(jin)內(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。下(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)固定(ding)于(yu)(yu)(yu)兩(liang)壓緊(jin)(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)之間(jian)，可(ke)(ke)(ke)隨(sui)壓緊(jin)(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安(an)裝座一起調整，長(chang)度方(fang)(fang)向足以覆蓋該系列(lie)(lie)(lie)所有軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)下(xia)端(duan)(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)置彈(dan)簧，可(ke)(ke)(ke)實現(xian)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)壓緊(jin)(jin)(jin)，內(nei)(nei)置緊(jin)(jin)(jin)定(ding)螺釘(ding)，用于(yu)(yu)(yu)調節彈(dan)簧壓緊(jin)(jin)(jin)力。
如(ru)圖(tu)7-83所示，剔除裝(zhuang)置主要由剔除氣缸、氣缸導桿(gan)、分(fen)料板和廢(fei)品(pin)收(shou)集槽(cao)組成。縱向缺陷(xian)檢測裝(zhuang)置檢測完畢后，向PLC控(kong)制系(xi)統反饋相(xiang)應(ying)信息。若(ruo)軸承(cheng)套(tao)圈檢測為(wei)合格，則剔除氣缸不動作(zuo)，機(ji)械手抓(zhua)取工件在分(fen)料板上方停留一段時間之后運往下一工位（退磁工位）；若(ruo)軸承(cheng)套(tao)圈檢測為(wei)不合格，則剔除氣缸動作(zuo)，帶動分(fen)料板上升，機(ji)械手抓(zhua)取工件將其(qi)丟人(ren)到(dao)廢(fei)品(pin)收(shou)集槽(cao)中。
3. 高速自動化(hua)檢(jian)測工藝
如圖7-84所示，系統采(cai)用流(liu)水線式工藝(yi)流(liu)程，預置工位、縱(zong)向傷檢測(ce)工位、剔除工位、退磁工位依(yi)次排開，機械手組件將四個工位有機聯系起來。
四、現場(chang)應用
上述檢測(ce)系統在現(xian)場應用如圖7-85所示。
測(ce)試樣品(pin)及測(ce)試結(jie)果(guo)如圖7-86與(yu)圖7-87所(suo)示。測(ce)試結(jie)果(guo)表明，軸承套圈裂(lie)紋漏(lou)磁檢(jian)(jian)測(ce)裝(zhuang)置具有良好的(de)檢(jian)(jian)測(ce)靈(ling)敏度與(yu)可靠(kao)性，檢(jian)(jian)測(ce)效率高。
