軸承作(zuo)為重要(yao)的機(ji)械基(ji)(ji)礎件(jian)，其質量(liang)直接決定著機(ji)械產品(pin)的性能以及可靠(kao)性。國(guo)家工信部規劃司在機(ji)械領域“三基(ji)(ji)”（機(ji)械基(ji)(ji)礎件(jian)、基(ji)(ji)礎制(zhi)造(zao)工藝(yi)和(he)基(ji)(ji)礎材料）產業“十二五”發展規劃中(zhong)明(ming)確，指出(chu)圍繞重大(da)裝備和(he)高端裝備配套需求，重點發展高速、精密(mi)、重載軸承。
軸承(cheng)(cheng)作(zuo)為機械裝(zhuang)置中最(zui)常用也最(zui)重(zhong)要的零部件(jian)之一，其失效將直接(jie)導致(zhi)設備故(gu)障、生產受阻(zu)甚至是人員傷亡。據統計，在旋轉機械的現場故(gu)障中，由(you)于軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)損傷而引起的故(gu)障大約占30％，其中大約90％的故(gu)障來自軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)的裂(lie)紋。因(yin)此提高軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)的裂(lie)紋檢(jian)測能力尤(you)為重(zhong)要。
目前，軸承套圈檢(jian)測(ce)(ce)方法(fa)(fa)主(zhu)要有磁粉檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、機器(qi)視(shi)覺法(fa)(fa)、巴克豪森(sen)法(fa)(fa)、聲(sheng)發(fa)射檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)等。其中，磁粉檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超聲(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)使用較為普遍。
磁(ci)粉(fen)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)檢(jian)(jian)驗(yan)靈敏度高(gao)，缺陷(xian)顯示直觀(guan)，不(bu)受工件(jian)大小和形狀(zhuang)的(de)(de)限(xian)制，但是(shi)操(cao)(cao)作(zuo)復雜，生產率低，且對(dui)環境有(you)一定污染，磁(ci)痕(hen)觀(guan)察需(xu)要人工參與，檢(jian)(jian)測(ce)結果受檢(jian)(jian)測(ce)人員(yuan)主觀(guan)意(yi)識和操(cao)(cao)作(zuo)經(jing)驗(yan)影響，難(nan)以(yi)踐行統一的(de)(de)質量標(biao)準(zhun)；超(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)在國(guo)外(wai)使用較為廣泛，歐洲已(yi)頒布相應檢(jian)(jian)測(ce)標(biao)準(zhun)《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)由于(yu)裂紋取(qu)向及聲(sheng)耦(ou)合對(dui)其影響大，難(nan)以(yi)適應軸(zhou)承套圈形狀(zhuang)，檢(jian)(jian)測(ce)精度不(bu)高(gao)，需(xu)要檢(jian)(jian)測(ce)者(zhe)有(you)豐富經(jing)驗(yan)，所(suo)以(yi)影響了其在國(guo)內市(shi)場(chang)的(de)(de)推廣；渦(wo)流檢(jian)(jian)測(ce)法(fa)可實現非(fei)接觸式(shi)檢(jian)(jian)測(ce)，但是(shi)受工件(jian)形狀(zhuang)影響大，且結果多(duo)以(yi)阻抗分(fen)析圖的(de)(de)形式(shi)展現，不(bu)直觀(guan)，多(duo)用于(yu)軸(zhou)承圓柱滾子的(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)。
為解(jie)決軸承(cheng)生產(chan)中出現的實際問題，下面介紹一種基于漏磁原理的軸承(cheng)套(tao)圈(quan)裂紋檢測(ce)(ce)方法與裝置，可實現軸承(cheng)套(tao)圈(quan)的自動化高(gao)效檢測(ce)(ce)。
一、檢測原理(li)
軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)作為一種精密零部(bu)件，其表面質量較高，生產(chan)(chan)過程中產(chan)(chan)生的裂紋多呈現出開口(kou)窄、長度(du)短、深度(du)淺(qian)的特點，屬于典型的微(wei)小尺寸裂紋檢(jian)測問題。
1. 軸承(cheng)套圈的材料(liao)、結(jie)構、待(dai)檢(jian)測部(bu)位(wei)及缺(que)陷形(xing)式
a. 軸承(cheng)鋼的主要種(zhong)類
1）高碳鉻軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)：年(nian)產量約(yue)占軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)總產量的(de)80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中(zhong)GCr15 高碳鉻軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)由德國于1905年(nian)研制(zhi)成功(gong)，得到了廣泛(fan)應用。
2）滲(shen)碳軸(zhou)承鋼：經滲(shen)碳處理，兼具(ju)表面高硬高耐磨性及(ji)內部(bu)韌(ren)性。在美(mei)國(guo)的(de)產量(liang)約占軸(zhou)承鋼總產量(liang)的(de)30％，在中(zhong)國(guo)僅占3％左(zuo)右。
3）中碳軸承(cheng)鋼(gang)：工藝相對簡(jian)單(dan)，且同樣達(da)到(dao)表面硬化效果，近(jin)年來發展較(jiao)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。
不同(tong)材(cai)質(zhi)或(huo)是相同(tong)材(cai)質(zhi)、不同(tong)熱處理(li)工(gong)藝均會對軸承鋼的(de)磁化(hua)特(te)性(xing)產生巨大(da)影響，不同(tong)的(de)磁化(hua)特(te)性(xing)對應(ying)不同(tong)的(de)磁化(hua)裝置參數(shu)，本書使(shi)用(yong)最(zui)為廣泛(fan)的(de)GCr15軸承鋼作為研究對象(xiang)。
b. 軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)的(de)結(jie)構(gou)及待檢(jian)測部位 成(cheng)品軸(zhou)承(cheng)一般由軸(zhou)承(cheng)外套(tao)圈(quan)(quan)、軸(zhou)承(cheng)內套(tao)圈(quan)(quan)、滾(gun)子(zi)(zi)保持架、滾(gun)子(zi)(zi)及附(fu)件組成(cheng)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)結(jie)構(gou)形式較為多樣，同一套(tao)裝備難以同時滿(man)足(zu)所(suo)有類型(xing)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)的(de)檢(jian)測需求，研(yan)究(jiu)其(qi)中使用(yong)較為廣(guang)泛的(de)圓錐滾(gun)子(zi)(zi)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)具(ju)有重要(yao)意義，相(xiang)關(guan)研(yan)究(jiu)方(fang)法(fa)可方(fang)便地變通之后推廣(guang)到其(qi)他類型(xing)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)(quan)。
如圖(tu)7-62所示(shi)，圓(yuan)錐(zhui)滾子軸承套(tao)圈為旋轉對稱零(ling)件，外圈可看作由梯形繞中心軸旋轉360°而(er)成(cheng)，上(shang)下端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外表(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)；內(nei)圈結(jie)構稍顯復雜，上(shang)下端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)，外表(biao)面(mian)(mian)(mian)主體為圓(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)，沿軸向兩端(duan)(duan)含(han)工藝槽(cao)及滾子定(ding)位臺階，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)。
軸(zhou)承外(wai)圈待檢測(ce)面包含內(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)錐面1、外(wai)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)面2、下端(duan)(duan)面3和上端(duan)(duan)面4。軸(zhou)承內(nei)(nei)圈待檢測(ce)面包含外(wai)圓(yuan)(yuan)錐面1、內(nei)(nei)圓(yuan)(yuan)柱(zhu)面2、下端(duan)(duan)面3、上端(duan)(duan)面4。
c. 軸承套圈(quan)的裂紋形式及產生原因
1）材(cai)(cai)料裂紋(wen)：材(cai)(cai)料裂紋(wen)產生(sheng)的原(yuan)因主要是內部氣泡(pao)、嚴重(zhong)的非金屬夾(jia)雜等，沿軋制方向呈直(zhi)線分布(bu)，以表面(mian)裂紋(wen)或折疊的形式呈現，在(zai)內部走(zou)向多指向圓心，且折疊裂紋(wen)走(zou)向與表面(mian)近乎平行，漏(lou)磁(ci)場微弱。
2）發(fa)紋：材料表面或(huo)近表面毛(mao)發(fa)狀的細(xi)小裂紋，由鋼錠皮下(xia)氣泡或(huo)夾雜引起。外(wai)觀細(xi)小，一般長1～3mm，目(mu)檢時不易(yi)發(fa)現。
3）鍛(duan)造(zao)裂紋(wen)：包(bao)括(kuo)鍛(duan)造(zao)折(zhe)疊(die)裂紋(wen)（切料不(bu)齊、毛(mao)刺(ci)、飛(fei)邊以及操(cao)作不(bu)當等原因(yin)造(zao)成(cheng)）、過燒（鍛(duan)件溫(wen)(wen)(wen)度過高或(huo)保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)間過長造(zao)成(cheng)）、濕裂（停(ting)鍛(duan)溫(wen)(wen)(wen)度較高，冷(leng)卻時(shi)(shi)局部(bu)或(huo)全部(bu)碰(peng)到(dao)冷(leng)卻水而急(ji)冷(leng)）、內裂（鍛(duan)造(zao)時(shi)(shi)加(jia)熱(re)速(su)度過快，表面升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)高而內部(bu)升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)慢引(yin)起，一(yi)般出現在壁厚較大(da)處）。鍛(duan)造(zao)裂紋(wen)較粗大(da)，形(xing)狀不(bu)規則(ze)，存在鍛(duan)件表面，磁化時(shi)(shi)漏磁場(chang)較弱，磁痕顯示不(bu)太清晰，剩磁法檢測(ce)容(rong)易產(chan)生漏檢。
4）淬(cui)(cui)火裂紋(wen)：因(yin)淬(cui)(cui)火時(shi)產生的(de)熱(re)應力及組織應力引起(qi)，外貌極不(bu)規則，多在外徑上，嚴(yan)重時(shi)延伸到端面，一般較深。
5）磨削(xue)裂(lie)紋(wen)：磨削(xue)時冷卻不(bu)良，瞬時高溫(wen)引起表面應力集中(zhong)，即會產生磨削(xue)裂(lie)紋(wen)，主要分(fen)布在端面、擋邊、滾道、內徑(jing)(jing)及打字(zi)處，外徑(jing)(jing)表面較(jiao)少出現(xian)，呈(cheng)現(xian)短、淺、細的(de)特點，與磨削(xue)方向垂(chui)直(zhi)或成一定角度。
2. 軸(zhou)承套圈(quan)裂紋漏磁檢測系統的特點(dian)
軸承套圈裂(lie)紋(wen)漏磁檢測(ce)系(xi)統(tong)的(de)優勢在于：可實現(xian)上下(xia)料、檢測(ce)、分選(xuan)、退磁一體化(hua)自動化(hua)，極大(da)地提高了檢測(ce)效率，降低了工(gong)人(ren)的(de)勞動強度(du)。
然而，在(zai)具體的(de)工程實施(shi)中(zhong)，存在(zai)以下要點及難點：
1）軸承套圈尺(chi)寸形(xing)狀規(gui)格繁多，如何實(shi)現通用化檢測(ce)或者實(shi)現一(yi)定范(fan)圍內的通用化檢測(ce)存在工程實(shi)施難度。
2）隨著軸(zhou)承套(tao)圈(quan)加工工藝的(de)(de)提升，軸(zhou)承套(tao)圈(quan)表面加工質量越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)(gao)，生(sheng)產(chan)(chan)過程中產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)裂紋(wen)多(duo)呈現出開(kai)口窄(zhai)、深度淺的(de)(de)特(te)點(dian)，屬于(yu)典型的(de)(de)微(wei)小尺寸裂紋(wen)檢(jian)測問題(ti)，提高(gao)(gao)磁化(hua)能(neng)力、提高(gao)(gao)傳感器檢(jian)測靈敏度及空間分辨力、提高(gao)(gao)信號處(chu)理能(neng)力以在較強(qiang)背景噪聲(sheng)中提取有效(xiao)信號是關鍵。
3）軸(zhou)承套圈尤其(qi)是軸(zhou)承內圈的(de)結構(gou)較(jiao)為復雜，需從結構(gou)及(ji)布置方(fang)式著手，減小提離值并最大限度地覆蓋待檢測部位。
4）自動化生產線多為流水式，效(xiao)率(lv)高(gao)(gao)、速度快，因(yin)此高(gao)(gao)速檢測工(gong)藝應簡潔(jie)高(gao)(gao)效(xiao)，且(qie)可以順暢地(di)與生產線相融合。
3. 軸承套圈漏磁(ci)檢測(ce)的勵(li)磁(ci)方法與裝置
軸承套圈的(de)磁(ci)化方(fang)式直接和漏磁(ci)場(chang)信號強(qiang)弱(ruo)相關，其選擇及設(she)計(ji)非常重要(yao)。常見的(de)軸承套圈周(zhou)向磁(ci)化方(fang)法(fa)有中心導體法(fa)、直接通電(dian)法(fa)和繞電(dian)纜(lan)法(fa)，其優(you)缺點見表7-5。
對比之(zhi)后不難看(kan)出(chu)，上述方法(fa)均(jun)不適用于自(zi)動化漏磁(ci)檢測，為(wei)此，采(cai)用如圖7-63所示(shi)的軸(zhou)(zhou)承周(zhou)向磁(ci)化方法(fa)，磁(ci)化器由U形鐵心纏繞線圈制成，可(ke)更換的磁(ci)極可(ke)以滿足不同(tong)規格軸(zhou)(zhou)承套圈的磁(ci)化需求。通(tong)過ANSYS仿真可(ke)以看(kan)出(chu)，此種磁(ci)化方式(shi)在遠離(li)磁(ci)極的位置可(ke)以獲(huo)得比較均(jun)勻的周(zhou)向磁(ci)場，且(qie)該磁(ci)化器結(jie)構(gou)可(ke)以方便地與流(liu)水生產(chan)線相結(jie)合，便于實現自(zi)動化。
選用16種軸(zhou)承(cheng)套圈中(zhong)橫截面(mian)(mian)積(ji)最(zui)大的27315EK 02軸(zhou)承(cheng)內圈，為保證仿真(zhen)順利進(jin)(jin)行(xing)，此處(chu)對仿真(zhen)裂紋進(jin)(jin)行(xing)了一定的簡化，裂紋尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上(shang)、下端(duan)面(mian)(mian)各1條裂紋，沿軸(zhou)向內表面(mian)(mian)等間(jian)距均勻分(fen)布3條裂紋，外表面(mian)(mian)1條裂紋。周向磁化器仿真(zhen)模型如圖7-64所示(shi)。
仿真結果如(ru)圖7-65所示，通(tong)過對比可知：
1）上端面和(he)內(nei)表(biao)面裂紋(wen)漏磁場B，分量圖像基(ji)本吻合，表(biao)明在該磁化(hua)方式及磁化(hua)強度下，上端面與內(nei)表(biao)面具有較為(wei)一致的磁化(hua)效果。
2）沿(yan)軸向等(deng)間距分布的內表(biao)面裂紋(wen)1、2、3漏磁場分量圖像(xiang)基(ji)本吻合，表(biao)明(ming)在該磁化強度下，內表(biao)面磁化一致性較好，與裂紋(wen)離磁極的距離無關。
3）下(xia)端面裂(lie)紋漏磁場(chang)B分(fen)量(liang)(liang)圖(tu)像與外(wai)表(biao)(biao)面裂(lie)紋漏磁場(chang)B,分(fen)量(liang)(liang)圖(tu)像基本吻合，但是相(xiang)比于(yu)上端面、內表(biao)(biao)面強(qiang)度更(geng)(geng)小。這是由于(yu)下(xia)端面壁厚較(jiao)大，而(er)外(wai)表(biao)(biao)面由于(yu)位(wei)于(yu)套圈外(wai)圍，距離磁化場(chang)較(jiao)遠，且磁場(chang)向空氣(qi)中擴散更(geng)(geng)為(wei)嚴重(zhong)。
為了補償壁厚及套圈(quan)(quan)高度引起的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不一(yi)(yi)致，需要進一(yi)(yi)步加強磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)強度，使(shi)得軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)達(da)到(dao)(dao)過(guo)飽(bao)和磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態。然而在(zai)實(shi)際檢(jian)測(ce)過(guo)程中，使(shi)得軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)各個部分均達(da)到(dao)(dao)飽(bao)和磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態需要極多(duo)的線圈(quan)(quan)匝數或極大的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)電(dian)流，對于非定(ding)量(liang)軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)檢(jian)測(ce)而言，磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)的意義(yi)在(zai)于使(shi)得最苛刻指標(biao)的缺陷仍可(ke)得到(dao)(dao)較理(li)想(xiang)的信噪比即可(ke)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不一(yi)(yi)致引起的漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場信號(hao)不一(yi)(yi)致可(ke)在(zai)軟(ruan)件中予以修正。
如圖7-66所示，以(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回(hui)火）為例，根據電磁檢測原理(li)，將工件磁化至飽和或(huo)近飽和狀(zhuang)態時，有利(li)于(yu)(yu)裂紋(wen)漏磁場的(de)(de)(de)形成與擴散，取近飽和區的(de)(de)(de)H＝14800A／m點，此時對應的(de)(de)(de)磁感(gan)應強(qiang)度(du)B≈1.125125T。以(yi)16種軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)中(zhong)橫截面積(ji)最大(533.5n5m㎡)的(de)(de)(de)27315EK 02軸(zhou)(zhou)承(cheng)內圈(quan)為例，大約為4075安(an)匝(za)。由于(yu)(yu)本計算模型沒(mei)有考慮(lv)泄漏到空氣中(zhong)的(de)(de)(de)磁通(tong)(tong)、磁滯損耗、渦流(liu)損耗，因此將計算出(chu)的(de)(de)(de)結果乘以(yi)安(an)全系數1.1，磁化器εm=NI=4482安(an)匝(za)。線圈(quan)匝(za)數為600，選用φ1.7mm銅線繞(rao)制而成，通(tong)(tong)入7.5A的(de)(de)(de)電流(liu)即(ji)可滿足(zu)磁化要求。
根據上(shang)述計算結果，設計得到如圖7-67所示的周向勵磁(ci)(ci)裝(zhuang)(zhuang)置，磁(ci)(ci)極部分可更(geng)換以適應(ying)不同規格的軸承套(tao)圈，磁(ci)(ci)化器封罩(zhao)用于保護內(nei)部漆包(bao)線，封罩(zhao)上(shang)開百葉窗輔(fu)助散熱(re)，加裝(zhuang)(zhuang)軸流(liu)式(shi)風(feng)扇散熱(re)以保證磁(ci)(ci)化器可長期工作。
二、檢測(ce)探頭
圖7-68所示為(wei)(wei)永磁(ci)磁(ci)軛探頭(tou)(tou)，它(ta)主要(yao)由磁(ci)頭(tou)(tou)、永磁(ci)鐵(tie)(tie)S極、永磁(ci)鐵(tie)(tie)N極、橋(qiao)接銜鐵(tie)(tie)及隔片組(zu)成，隔片用于調節(jie)磁(ci)極間距。檢測(ce)時，“N極→軸承套圈→S極→橋(qiao)接銜鐵(tie)(tie)”形(xing)成磁(ci)回路(lu)(lu)，如遇(yu)裂紋，漏(lou)磁(ci)場將被磁(ci)頭(tou)(tou)捕捉。永磁(ci)鐵(tie)(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承套圈，為(wei)(wei)磁(ci)極面。信號放(fang)大電(dian)路(lu)(lu)為(wei)(wei)10×100倍(bei)兩級(ji)放(fang)大，軟件放(fang)大500倍(bei)。
如(ru)圖(tu)7-69所示，檢(jian)測對象為(wei)GCr15軸(zhou)承套(tao)圈，大(da)端面刻(ke)蝕有(you)寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻(ke)槽。軸(zhou)承套(tao)圈表面光滑，無銹蝕。
不同磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)檢測結果對比如圖7-70所示。磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)15mm時(shi)，可(ke)檢出信(xin)號(hao)，但信(xin)噪比不高，這是由(you)于磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)離磁(ci)(ci)心(xin)過近使之飽(bao)和的緣(yuan)(yuan)故(gu)；磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)17mm時(shi)，可(ke)檢出信(xin)號(hao)，且信(xin)噪比最佳；磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)間(jian)(jian)距(ju)(ju)19mm時(shi)，不能檢出信(xin)號(hao)。永磁(ci)(ci)體尺(chi)寸換為(wei)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對軸承套圈，為(wei)磁(ci)(ci)極(ji)(ji)(ji)面時(shi)，不能檢出信(xin)號(hao)，同理這也是磁(ci)(ci)心(xin)飽(bao)和的緣(yuan)(yuan)故(gu)。
通過上述(shu)分析不難發現，含磁(ci)心(xin)線(xian)圈用(yong)于檢測時，需特別注意磁(ci)心(xin)飽和的(de)問題，局部磁(ci)化(hua)在一定(ding)程度上降低了磁(ci)化(hua)成(cheng)本和磁(ci)化(hua)難度，但是由于磁(ci)化(hua)器(qi)距離(li)傳(chuan)感器(qi)較近(jin)，對傳(chuan)感器(qi)的(de)影(ying)響也較大。
短(duan)路磁(ci)通損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)與(yu)磁(ci)心(xin)前端(duan)氣隙寬度(du)(du)g、深度(du)(du)h有(you)關；提(ti)離損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)與(yu)提(ti)離值相(xiang)關，在實際工(gong)程中體(ti)現在探頭(tou)耐磨(mo)層厚度(du)(du)及探頭(tou)機構的設(she)計；低頻損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)與(yu)裂紋漏磁(ci)信(xin)號空間分(fen)布相(xiang)關，即與(yu)裂紋尺寸及磁(ci)化(hua)狀況相(xiang)關；氣隙寬度(du)(du)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)與(yu)氣隙寬度(du)(du)g、裂紋漏磁(ci)信(xin)號空間分(fen)布相(xiang)關；方(fang)位角(jiao)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)可歸為提(ti)離損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)；磁(ci)滯損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)可忽略；渦流(liu)損(sun)耗(hao)(hao)(hao)(hao)可以從磁(ci)心(xin)材料、探頭(tou)工(gong)藝等(deng)方(fang)面著手降低。
因此(ci)，從探(tan)頭設計的角度出發，主要關注磁(ci)心前端氣(qi)隙(xi)寬(kuan)度g、深度ha。
如(ru)圖7-71所(suo)示，磁頭式傳感器主(zhu)(zhu)要由線圈、兩(liang)片(pian)磁心主(zhu)(zhu)瓣、兩(liang)片(pian)磁心旁(pang)瓣組成，前端縫隙中墊入不同(tong)厚(hou)度(du)的(de)(de)POM塑(su)料片(pian)即可得(de)到不同(tong)的(de)(de)氣隙寬度(du)g，氣隙深度(du)h。取(qu)決于機(ji)加工主(zhu)(zhu)瓣、旁(pang)瓣尺寸。
如圖7-72所示，為(wei)(wei)(wei)驗證磁(ci)心前(qian)端氣隙深度h。對信號的影響，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭式傳(chuan)感器，線(xian)圈匝數(shu)為(wei)(wei)(wei)400。人(ren)工(gong)傷的尺寸(cun)為(wei)(wei)(wei)（寬(kuan)）×0.5mm(深）×10.0mm（長）。試驗過程中使用的信號放大(da)板為(wei)(wei)(wei)10×100倍，軟件放大(da)倍數(shu)為(wei)(wei)(wei)500倍。
所得原始信(xin)號經5階 Butterworth 濾波器濾波后，試驗結果(guo)如圖7-73所示，信(xin)號峰-峰值與前(qian)端(duan)氣隙深度h。近似(si)成(cheng)反比，氣隙深度越小，越有利(li)于檢測，然而氣隙深度越小，探頭越不耐磨，因此實際(ji)的探頭制作中(zhong)，需要在兩者之間做平(ping)衡取舍。
如(ru)圖7-74所(suo)示，為(wei)(wei)驗(yan)證磁心前端氣隙(xi)寬度g對(dui)信號的(de)影響(xiang)，制作了氣隙(xi)深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭式傳感器，線圈匝數為(wei)(wei)400。人(ren)工(gong)傷的(de)尺寸為(wei)(wei)0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗(yan)過程中使用的(de)信號放大板(ban)為(wei)(wei)10×100倍(bei)，軟件(jian)放大倍(bei)數為(wei)(wei)500倍(bei)。
試(shi)驗(yan)結果如圖7-75所示，氣(qi)隙寬(kuan)度mm時，信號(hao)峰-峰值Vpp最大；在氣(qi)隙寬(kuan)度m時出(chu)現了“檢(jian)(jian)測勢井”，當氣(qi)隙寬(kuan)度m時，信號(hao)峰-峰值V在一定(ding)范圍(wei)內呈現出(chu)增長趨勢。這是由于在該試(shi)驗(yan)條件(jian)下(xia)，m時氣(qi)隙寬(kuan)度損(sun)耗最大，因此無法有效檢(jian)(jian)出(chu)信號(hao)。該結果表(biao)明，應(ying)用(yong)磁(ci)(ci)頭式(shi)傳感(gan)器進(jin)行檢(jian)(jian)測時，在裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)信號(hao)空間(jian)分布未知的情(qing)況下(xia)，應(ying)該盡量減小(xiao)前端氣(qi)隙寬(kuan)度g，以防止它與裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)場空間(jian)分布出(chu)現耦合，形成(cheng)“檢(jian)(jian)測勢井”。
如圖7-76所示，縱(zong)向傷陣列(lie)傳感器主要由線圈、疊(die)層磁心、隔離(li)片、屏蔽罩組(zu)成(cheng)，探(tan)(tan)頭單元排成(cheng)兩列(lie)并(bing)沿排布方向兩兩錯開一段距離(li)，以(yi)消除(chu)單列(lie)探(tan)(tan)頭之間的探(tan)(tan)測盲(mang)區。
三、檢測裝備
整套裝備主要分為檢(jian)測裝置(zhi)、信(xin)號采集和處(chu)理系(xi)(xi)統、PLC控制系(xi)(xi)統、外圍供電供氣(qi)系(xi)(xi)統、物料傳(chuan)送以及(ji)上下料裝置(zhi)五部分。本(ben)節的重點在于檢(jian)測裝置(zhi)、信(xin)號采集和處(chu)理系(xi)(xi)統以及(ji)高速檢(jian)測工(gong)藝。
1. 總(zong)體方(fang)案
按照功能劃分，軸承(cheng)套圈(quan)(quan)裂紋漏磁(ci)檢(jian)(jian)測裝(zhuang)(zhuang)備(bei)可以分為(wei)(wei)預(yu)置、縱向(xiang)傷(shang)檢(jian)(jian)測、剔除、退磁(ci)四個主(zhu)(zhu)要(yao)工位。預(yu)置工位為(wei)(wei)冗余過渡工位，當前可作為(wei)(wei)軸承(cheng)套圈(quan)(quan)檢(jian)(jian)測流程的過渡工位，將(jiang)來可為(wei)(wei)周(zhou)向(xiang)傷(shang)檢(jian)(jian)測裝(zhuang)(zhuang)置提供安裝(zhuang)(zhuang)平臺。裝(zhuang)(zhuang)備(bei)主(zhu)(zhu)體-縱向(xiang)檢(jian)(jian)測主(zhu)(zhu)機主(zhu)(zhu)要(yao)包括(kuo)五(wu)個部分：軸承(cheng)套圈(quan)(quan)驅動裝(zhuang)(zhuang)置、磁(ci)化裝(zhuang)(zhuang)置、陣列探頭組件(jian)、信號(hao)調理采集處理系統(tong)以及(ji)自動化控(kong)制系統(tong)。
軸承套圈(quan)(quan)驅動裝置設計(ji)要(yao)點：以圓錐滾子軸承套圈(quan)(quan)為(wei)研究對象(xiang)，其形狀規整，為(wei)圓環形零件，適(shi)合(he)旋(xuan)轉檢(jian)測；表面(mian)光潔，不需事(shi)先(xian)清潔處(chu)理；為(wei)便于(yu)實現工(gong)業自動化，不同尺寸(cun)規格軸承套圈(quan)(quan)的(de)(de)檢(jian)測工(gong)位及上下料工(gong)位最好一致。綜合(he)上述(shu)分析，采用軸承套圈(quan)(quan)原地(di)旋(xuan)轉、探頭貼合(he)檢(jian)測的(de)(de)方式。
根(gen)據(ju)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)的特點，擬訂軸(zhou)承套(tao)圈(quan)高速自(zi)動化(hua)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)工(gong)藝流(liu)程(cheng)，如圖7-77所示。
軸(zhou)承套圈裂紋漏磁(ci)檢測裝(zhuang)備總體方(fang)案如圖7-78所示。
2. 檢測(ce)系統(tong)
檢(jian)測系統(tong)主要包(bao)括縱向傷檢(jian)測裝(zhuang)置、剔(ti)除裝(zhuang)置和退磁裝(zhuang)置三部分。
如圖7-79所示，縱(zong)向(xiang)(xiang)傷檢(jian)(jian)測裝(zhuang)置可(ke)劃(hua)分為(wei)工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)、規格調(diao)整、磁化(hua)、壓緊(jin)、檢(jian)(jian)測和剔除六大主體裝(zhuang)置。工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)模塊的主要(yao)部件(jian)為(wei)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)輪(lun)(lun)L、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)輪(lun)(lun)R、萬向(xiang)(xiang)滾珠托(tuo)架(jia)等。驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)電(dian)(dian)動(dong)(dong)機(ji)與齒輪(lun)(lun)直連，經由齒輪(lun)(lun)組(zu)變速、變轉矩之后傳遞(di)給兩(liang)個驅(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)輪(lun)(lun)，在壓緊(jin)模塊的配合下，摩擦帶動(dong)(dong)軸承套(tao)圈原地旋轉。
規格調(diao)整(zheng)裝置(zhi)主(zhu)要(yao)由手(shou)輪(lun)、減(jian)速機(ji)、梯形絲杠、梯形螺母及壓緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座等構成。如(ru)圖7-80所(suo)(suo)示，由于上下料(liao)機(ji)械手(shou)與檢測裝置(zhi)之(zhi)間(jian)的距離相對固定，為(wei)保證所(suo)(suo)有(you)規格軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)上下料(liao)工位(wei)位(wei)置(zhi)相同，更(geng)換軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)時，需要(yao)調(diao)整(zheng)設備狀態。減(jian)速機(ji)起變(bian)(bian)速、變(bian)(bian)向的作用，30°梯形絲杠螺母機(ji)構既可(ke)(ke)傳動，也可(ke)(ke)自鎖(suo)，壓緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座上開腰形通孔，可(ke)(ke)以調(diao)整(zheng)壓緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)與上下料(liao)工位(wei)之(zhi)間(jian)的距離，適應(ying)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)規格的變(bian)(bian)化。
磁化(hua)裝(zhuang)置主要由磁化(hua)線(xian)圈(quan)、磁極(ji)、磁化(hua)器固定架和工業(ye)(ye)(ye)風(feng)扇(shan)等組成。磁極(ji)可更(geng)換規格，以配合(he)軸承套圈(quan)規格的變化(hua)。工業(ye)(ye)(ye)現(xian)場常(chang)常(chang)要求設備具有(you)連續工作能力，因(yin)此磁化(hua)線(xian)圈(quan)的散熱(re)(re)問題需要重視，此處采用軸流式(shi)工業(ye)(ye)(ye)風(feng)扇(shan)散熱(re)(re)。
如圖7-81所示，壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)裝置主要由壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸、壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)軸承安裝座、萬向滾珠(zhu)托架(jia)和(he)可(ke)擺(bai)動(dong)(dong)式(shi)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)總(zong)成(cheng)構成(cheng)。壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸在檢測(ce)過程(cheng)中(zhong)提供持續的(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)力，萬向滾珠(zhu)托舉軸承套圈，減小其在原地(di)旋轉(zhuan)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)摩擦(ca)力，雙驅動(dong)(dong)輪(lun)加雙壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)的(de)(de)設計(ji)雖然更(geng)加可(ke)靠，但是存在過定位的(de)(de)問題，因(yin)此壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)模塊設計(ji)為可(ke)擺(bai)動(dong)(dong)式(shi)。下端面探頭(tou)陣(zhen)列(lie)置于壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)之間，規格調整時(shi)跟隨軸承一(yi)起移動(dong)(dong)，可(ke)覆(fu)蓋所有(you)系列(lie)軸承套圈下端面。
如(ru)圖7-82所示，檢測裝置(zhi)主(zhu)要由(you)(you)外表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)、下端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)及(ji)其(qi)動(dong)(dong)作機構組成(cheng)。其(qi)中，外表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)由(you)(you)氣缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)，實(shi)(shi)現貼(tie)(tie)合及(ji)分離工件，連接(jie)(jie)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與氣缸(gang)的零件可拆卸，方便工件規格變化(hua)時(shi)更換(huan)相應的外表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于(yu)(yu)擺臂(bei)(bei)(bei)一(yi)端(duan)(duan)，擺臂(bei)(bei)(bei)由(you)(you)迷你(ni)氣缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)，實(shi)(shi)現貼(tie)(tie)合及(ji)分離動(dong)(dong)作；上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)導(dao)桿(gan)一(yi)端(duan)(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)導(dao)桿(gan)內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)簧(huang)(huang)，可以適應不同軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)高(gao)度的變化(hua)并提供持續的壓(ya)緊(jin)力(li)；內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)與上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定在(zai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)方的鋁型材上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)，并且可沿(yan)鋁型材調(diao)整(zheng)位置(zhi)；鋁型材由(you)(you)氣動(dong)(dong)滑臺(tai)帶(dai)動(dong)(dong)，可上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)下移(yi)動(dong)(dong)。檢測前，固定于(yu)(yu)鋁型材上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)的內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)及(ji)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)高(gao)位，軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)料到(dao)位后，氣動(dong)(dong)滑臺(tai)動(dong)(dong)作，內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)及(ji)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)處于(yu)(yu)低位，其(qi)中上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)(tie)緊(jin)上(shang)(shang)(shang)(shang)(shang)端(duan)(duan)面(mian)。隨后，迷你(ni)氣缸(gang)動(dong)(dong)作，經由(you)(you)擺臂(bei)(bei)(bei)帶(dai)動(dong)(dong)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)(tie)緊(jin)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)(biao)面(mian)。下端(duan)(duan)面(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)固定于(yu)(yu)兩壓(ya)緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)之間(jian)，可隨壓(ya)緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座一(yi)起調(diao)整(zheng)，長(chang)度方向足以覆(fu)蓋該系列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)所有軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)下端(duan)(duan)面(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)簧(huang)(huang)，可實(shi)(shi)現浮(fu)動(dong)(dong)壓(ya)緊(jin)，內(nei)(nei)(nei)置(zhi)緊(jin)定螺釘，用于(yu)(yu)調(diao)節彈(dan)簧(huang)(huang)壓(ya)緊(jin)力(li)。
如圖7-83所(suo)示，剔(ti)(ti)除(chu)裝(zhuang)(zhuang)置主(zhu)要(yao)由剔(ti)(ti)除(chu)氣缸(gang)、氣缸(gang)導桿、分(fen)料板(ban)和(he)廢品(pin)收集槽組成。縱向缺陷檢(jian)測裝(zhuang)(zhuang)置檢(jian)測完畢后，向PLC控制系統反饋相應信息(xi)。若軸承套圈檢(jian)測為(wei)合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣缸(gang)不(bu)動(dong)作，機械手(shou)抓取(qu)工(gong)件(jian)在分(fen)料板(ban)上方停留一段時間(jian)之后運往(wang)下一工(gong)位（退磁工(gong)位）；若軸承套圈檢(jian)測為(wei)不(bu)合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣缸(gang)動(dong)作，帶動(dong)分(fen)料板(ban)上升，機械手(shou)抓取(qu)工(gong)件(jian)將其丟人到廢品(pin)收集槽中。
3. 高(gao)速自動化檢測工藝(yi)
如圖(tu)7-84所示，系統采(cai)用(yong)流(liu)水(shui)線式工(gong)藝流(liu)程，預置工(gong)位、縱向傷檢測工(gong)位、剔(ti)除工(gong)位、退磁工(gong)位依次排開，機械手組件將(jiang)四個工(gong)位有機聯系起來。
四、現場(chang)應用
上述檢測系統在現場(chang)應用如圖7-85所(suo)示。
測(ce)試樣品及測(ce)試結果(guo)如圖7-86與圖7-87所示。測(ce)試結果(guo)表明，軸承套圈裂紋漏(lou)磁檢測(ce)裝置(zhi)具有良好的檢測(ce)靈(ling)敏度與可靠性，檢測(ce)效率(lv)高。
