軸承作(zuo)為(wei)重(zhong)要的機(ji)械基(ji)礎(chu)件，其質量直接決定(ding)著機(ji)械產品的性能以及可(ke)靠性。國家工信部(bu)規劃司在機(ji)械領(ling)域“三基(ji)”（機(ji)械基(ji)礎(chu)件、基(ji)礎(chu)制(zhi)造工藝和(he)(he)基(ji)礎(chu)材料）產業“十二五”發展規劃中(zhong)明確(que)，指出圍繞重(zhong)大(da)裝備和(he)(he)高(gao)端裝備配(pei)套需求，重(zhong)點發展高(gao)速、精密、重(zhong)載(zai)軸承。
軸承(cheng)(cheng)作為(wei)機械裝置中(zhong)最常用也(ye)最重(zhong)(zhong)要的零部件之一，其失效(xiao)將直接導致(zhi)設備(bei)故(gu)障、生產受(shou)阻(zu)甚至是(shi)人員傷亡。據(ju)統計，在旋轉機械的現(xian)場故(gu)障中(zhong)，由(you)于軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈損傷而(er)引起的故(gu)障大約占(zhan)30％，其中(zhong)大約90％的故(gu)障來自軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈的裂紋(wen)。因此提高軸承(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈的裂紋(wen)檢(jian)測(ce)能力尤為(wei)重(zhong)(zhong)要。
目前，軸(zhou)承套圈檢(jian)測(ce)(ce)方法(fa)(fa)主要有磁粉檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、機器視覺法(fa)(fa)、巴克豪森法(fa)(fa)、聲發射檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)等。其中，磁粉檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)法(fa)(fa)使用較(jiao)為普遍。
磁(ci)粉檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法檢(jian)(jian)(jian)(jian)驗(yan)(yan)靈敏(min)度(du)高，缺陷顯示直觀(guan)，不(bu)受(shou)工(gong)件大小和形狀(zhuang)(zhuang)的限制，但是操作復雜，生產率低，且對環境有一定污染，磁(ci)痕觀(guan)察(cha)需要人(ren)工(gong)參與，檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)結果(guo)受(shou)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)人(ren)員主觀(guan)意識和操作經驗(yan)(yan)影響(xiang)，難以踐行統一的質量標(biao)準；超(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法在國外使用(yong)較為廣(guang)泛(fan)，歐洲已頒布(bu)相應(ying)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)標(biao)準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法由于裂紋(wen)取向及(ji)聲(sheng)耦合對其影響(xiang)大，難以適應(ying)軸承套圈(quan)形狀(zhuang)(zhuang)，檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)精(jing)度(du)不(bu)高，需要檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)者(zhe)有豐(feng)富經驗(yan)(yan)，所以影響(xiang)了其在國內市場的推廣(guang)；渦流檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法可實(shi)現非接觸式(shi)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)，但是受(shou)工(gong)件形狀(zhuang)(zhuang)影響(xiang)大，且結果(guo)多以阻抗分析圖的形式(shi)展(zhan)現，不(bu)直觀(guan)，多用(yong)于軸承圓柱滾(gun)子的檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)。
為解(jie)決軸承(cheng)生產中出現的實(shi)際問題，下面介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)基于漏磁原(yuan)理的軸承(cheng)套圈(quan)裂紋檢測(ce)方法與裝(zhuang)置，可實(shi)現軸承(cheng)套圈(quan)的自動化高效(xiao)檢測(ce)。
一、檢測原(yuan)理
軸承套圈(quan)作為(wei)一種精密零部(bu)件，其表面質(zhi)量較高，生產(chan)過程中產(chan)生的裂(lie)紋多(duo)呈現出開口窄、長度短、深(shen)度淺的特點，屬于典型的微小(xiao)尺寸裂(lie)紋檢測(ce)問題(ti)。
1. 軸承套圈的材(cai)料、結構、待(dai)檢測部位及缺陷形式
a. 軸(zhou)承鋼的主(zhu)要種類
1）高碳鉻(ge)軸承鋼：年產(chan)量(liang)約占(zhan)軸承鋼總產(chan)量(liang)的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳鉻(ge)軸承鋼由(you)德國于1905年研制(zhi)成(cheng)功(gong)，得(de)到了廣泛(fan)應用。
2）滲(shen)碳(tan)軸承(cheng)鋼：經滲(shen)碳(tan)處理，兼具表面高硬高耐(nai)磨性及(ji)內部韌(ren)性。在美國(guo)的(de)(de)產(chan)量約占軸承(cheng)鋼總產(chan)量的(de)(de)30％，在中國(guo)僅占3％左右(you)。
3）中碳軸承鋼(gang)：工藝相對簡單，且同樣達到表面(mian)硬化效果，近年來發展較快。
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)(tong)材質(zhi)或是相同(tong)(tong)材質(zhi)、不(bu)同(tong)(tong)熱處理工藝均會(hui)對軸(zhou)(zhou)承鋼的(de)(de)(de)磁化(hua)(hua)特性產生巨大影響，不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)磁化(hua)(hua)特性對應(ying)不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)磁化(hua)(hua)裝(zhuang)置參數(shu)，本書使用最(zui)為廣泛的(de)(de)(de)GCr15軸(zhou)(zhou)承鋼作為研(yan)究對象。
b. 軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的結構及(ji)待檢測部位 成(cheng)品軸(zhou)承(cheng)一般由軸(zhou)承(cheng)外套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、軸(zhou)承(cheng)內套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、滾(gun)子保持架(jia)、滾(gun)子及(ji)附件組成(cheng)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)結構形式較為多樣，同(tong)一套(tao)(tao)裝備(bei)難(nan)以同(tong)時滿足所(suo)有(you)類型(xing)軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的檢測需求，研(yan)究其中使用較為廣泛(fan)的圓錐(zhui)滾(gun)子軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)具(ju)有(you)重要意義，相(xiang)關(guan)研(yan)究方(fang)法可方(fang)便地變通之后(hou)推廣到其他類型(xing)軸(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)。
如圖7-62所示，圓(yuan)(yuan)(yuan)錐滾(gun)(gun)子軸承套圈(quan)(quan)為旋(xuan)轉對稱零件，外(wai)圈(quan)(quan)可看作由梯形繞中心軸旋(xuan)轉360°而(er)成，上下端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)(yuan)(yuan)環(huan)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，外(wai)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，內表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)(yuan)(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)；內圈(quan)(quan)結構稍顯復雜，上下端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)(yuan)(yuan)環(huan)平面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，外(wai)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)主(zhu)體為圓(yuan)(yuan)(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，沿軸向兩(liang)端(duan)含工藝槽及滾(gun)(gun)子定位臺(tai)階(jie)，內表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。
軸(zhou)(zhou)承(cheng)外圈待檢(jian)測面(mian)(mian)(mian)包含內圓錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)1、外圓柱面(mian)(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)(mian)3和上(shang)端面(mian)(mian)(mian)4。軸(zhou)(zhou)承(cheng)內圈待檢(jian)測面(mian)(mian)(mian)包含外圓錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)1、內圓柱面(mian)(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)(mian)3、上(shang)端面(mian)(mian)(mian)4。
c. 軸(zhou)承套圈的裂(lie)紋形式及產生(sheng)原因(yin)
1）材料裂紋(wen)：材料裂紋(wen)產生(sheng)的原(yuan)因主要是(shi)內(nei)部(bu)氣泡、嚴重的非(fei)金屬夾(jia)雜等(deng)，沿軋(ya)制(zhi)方向呈直線(xian)分布，以表面裂紋(wen)或(huo)折疊的形式(shi)呈現，在內(nei)部(bu)走向多指向圓心，且折疊裂紋(wen)走向與表面近乎平行(xing)，漏磁(ci)場微弱。
2）發紋：材料(liao)表面或近(jin)表面毛發狀的細(xi)小(xiao)裂紋，由鋼錠(ding)皮(pi)下(xia)氣(qi)泡或夾雜引起。外觀細(xi)小(xiao)，一(yi)般長1～3mm，目檢時(shi)不易(yi)發現。
3）鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)裂(lie)紋(wen)：包括(kuo)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)折疊裂(lie)紋(wen)（切料不齊、毛刺、飛邊以及(ji)操(cao)作不當等原因造(zao)(zao)成）、過燒（鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件溫度過高(gao)或保溫時(shi)間過長造(zao)(zao)成）、濕(shi)裂(lie)（停(ting)鍛(duan)(duan)(duan)(duan)溫度較高(gao)，冷卻時(shi)局(ju)部(bu)或全部(bu)碰到冷卻水而急(ji)冷）、內裂(lie)（鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)時(shi)加(jia)熱速度過快，表(biao)面升溫高(gao)而內部(bu)升溫慢引起，一般出現在壁厚較大處）。鍛(duan)(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)裂(lie)紋(wen)較粗大，形狀不規則(ze)，存(cun)在鍛(duan)(duan)(duan)(duan)件表(biao)面，磁化時(shi)漏磁場較弱，磁痕顯(xian)示不太清(qing)晰，剩磁法(fa)檢(jian)測容易產生(sheng)漏檢(jian)。
4）淬火裂紋：因淬火時(shi)產(chan)生的熱應(ying)力及組(zu)織應(ying)力引起(qi)，外(wai)貌極不規則，多(duo)在外(wai)徑上，嚴重時(shi)延伸到端(duan)面，一(yi)般較(jiao)深。
5）磨削(xue)裂(lie)紋(wen)：磨削(xue)時(shi)冷卻不良，瞬時(shi)高(gao)溫(wen)引起表面應(ying)力集中，即會(hui)產(chan)生(sheng)磨削(xue)裂(lie)紋(wen)，主要分布(bu)在(zai)端面、擋邊、滾道(dao)、內徑及(ji)打(da)字處，外徑表面較少出現，呈現短、淺、細的特(te)點，與磨削(xue)方向(xiang)垂直或成一定(ding)角度(du)。
2. 軸承套圈裂紋漏磁檢測系統的(de)特(te)點
軸承(cheng)套圈裂(lie)紋漏(lou)磁檢測系統的(de)優勢在于：可實現(xian)上下料、檢測、分選、退(tui)磁一體(ti)化自動化，極大地提高(gao)了(le)檢測效(xiao)率，降低了(le)工人的(de)勞動強(qiang)度。
然而，在(zai)具體的工(gong)程實(shi)施中，存在(zai)以下要(yao)點(dian)(dian)及(ji)難點(dian)(dian)：
1）軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)尺寸(cun)形狀規(gui)格繁多，如何實現通(tong)用化(hua)檢測(ce)或者(zhe)實現一定范圍內的(de)通(tong)用化(hua)檢測(ce)存在工(gong)程實施難度。
2）隨著軸承套圈加工(gong)工(gong)藝的(de)提(ti)升，軸承套圈表面加工(gong)質量越來越高(gao)，生產過程(cheng)中產生的(de)裂(lie)紋多(duo)呈現出開口窄、深度(du)淺的(de)特(te)點(dian)，屬于典(dian)型的(de)微小尺(chi)寸裂(lie)紋檢測(ce)問題，提(ti)高(gao)磁化能力(li)(li)、提(ti)高(gao)傳感器檢測(ce)靈敏度(du)及空間分辨力(li)(li)、提(ti)高(gao)信(xin)號處理能力(li)(li)以在較(jiao)強背景噪聲中提(ti)取有(you)效信(xin)號是關鍵。
3）軸承套圈尤其是(shi)軸承內圈的(de)結構較為(wei)復雜(za)，需從結構及布(bu)置方式著手，減小提離值(zhi)并(bing)最大限度地覆蓋(gai)待檢測部(bu)位(wei)。
4）自動化生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)多為流水式，效(xiao)率(lv)高(gao)、速度快，因此高(gao)速檢測工藝(yi)應簡潔(jie)高(gao)效(xiao)，且可以順暢(chang)地與生(sheng)(sheng)產(chan)線(xian)相融合。
3. 軸承(cheng)套圈漏磁檢測的勵磁方法與裝(zhuang)置
軸承(cheng)套圈(quan)的磁化(hua)方(fang)式直(zhi)接和漏磁場信號強弱相關，其(qi)選擇及設計非常重要(yao)。常見的軸承(cheng)套圈(quan)周向磁化(hua)方(fang)法(fa)(fa)有中心(xin)導體法(fa)(fa)、直(zhi)接通電(dian)法(fa)(fa)和繞電(dian)纜法(fa)(fa)，其(qi)優缺點見表(biao)7-5。
對比(bi)(bi)之后不(bu)難(nan)看出(chu)，上述方法均不(bu)適用于自(zi)動(dong)化(hua)(hua)(hua)(hua)漏磁(ci)(ci)檢測，為此，采用如圖7-63所示的(de)軸承(cheng)周向(xiang)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)方法，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)器由(you)U形(xing)鐵心(xin)纏繞(rao)線(xian)圈制(zhi)成，可(ke)更(geng)換的(de)磁(ci)(ci)極(ji)可(ke)以(yi)(yi)滿足不(bu)同規(gui)格軸承(cheng)套圈的(de)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)需求。通(tong)過ANSYS仿真可(ke)以(yi)(yi)看出(chu)，此種磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)方式在遠離磁(ci)(ci)極(ji)的(de)位置可(ke)以(yi)(yi)獲得比(bi)(bi)較均勻的(de)周向(xiang)磁(ci)(ci)場，且該磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)(hua)器結(jie)(jie)構可(ke)以(yi)(yi)方便地與流水(shui)生產線(xian)相結(jie)(jie)合，便于實現自(zi)動(dong)化(hua)(hua)(hua)(hua)。
選用16種軸承套圈(quan)中(zhong)橫(heng)截(jie)面積最大的(de)27315EK 02軸承內(nei)圈(quan)，為(wei)保證(zheng)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)順利進行(xing)，此(ci)處對(dui)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)裂(lie)紋(wen)進行(xing)了一(yi)定的(de)簡化(hua)，裂(lie)紋(wen)尺(chi)寸為(wei)0.5mm（寬）x0．mm（深(shen)）x3.0mm（長(chang)），x0.2mm上(shang)、下端面各1條裂(lie)紋(wen)，沿軸向內(nei)表面等(deng)間距均勻分布3條裂(lie)紋(wen)，外表面1條裂(lie)紋(wen)。周向磁(ci)化(hua)器(qi)仿(fang)真(zhen)(zhen)(zhen)模型如圖7-64所(suo)示。
仿(fang)真結果如圖7-65所示，通過對比(bi)可知：
1）上端面和內(nei)表面裂紋漏磁場B，分(fen)量圖像基本吻合，表明在該(gai)磁化方式及磁化強(qiang)度下，上端面與內(nei)表面具有較為一致的(de)磁化效果。
2）沿(yan)軸向等間距分(fen)布的內(nei)表(biao)面(mian)裂(lie)紋1、2、3漏(lou)磁場分(fen)量圖像(xiang)基本(ben)吻合，表(biao)明在該磁化(hua)強度(du)下，內(nei)表(biao)面(mian)磁化(hua)一致性較好，與(yu)裂(lie)紋離磁極的距離無關。
3）下端(duan)面(mian)裂(lie)(lie)紋漏磁(ci)場(chang)(chang)B分(fen)量圖像與外表(biao)面(mian)裂(lie)(lie)紋漏磁(ci)場(chang)(chang)B,分(fen)量圖像基本吻(wen)合，但(dan)是(shi)相(xiang)比于(yu)上(shang)端(duan)面(mian)、內表(biao)面(mian)強度更小。這是(shi)由(you)于(yu)下端(duan)面(mian)壁(bi)厚較大，而(er)外表(biao)面(mian)由(you)于(yu)位于(yu)套圈外圍，距離磁(ci)化場(chang)(chang)較遠，且磁(ci)場(chang)(chang)向空(kong)氣(qi)中擴散更為嚴(yan)重。
為了(le)補(bu)償壁厚及(ji)套(tao)圈(quan)高度引起的磁(ci)(ci)化(hua)效(xiao)果不一(yi)(yi)致(zhi)，需要進(jin)一(yi)(yi)步加強(qiang)磁(ci)(ci)化(hua)強(qiang)度，使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)達(da)到(dao)過飽和磁(ci)(ci)化(hua)狀(zhuang)態。然而在(zai)實際檢測過程(cheng)中(zhong)，使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)各個部分(fen)均達(da)到(dao)飽和磁(ci)(ci)化(hua)狀(zhuang)態需要極多(duo)的線圈(quan)匝數或極大的磁(ci)(ci)化(hua)電流(liu)，對于非定量(liang)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)檢測而言，磁(ci)(ci)化(hua)的意義在(zai)于使(shi)得(de)(de)最苛刻指(zhi)標的缺陷仍可得(de)(de)到(dao)較理想的信(xin)噪比(bi)即(ji)可，磁(ci)(ci)化(hua)效(xiao)果不一(yi)(yi)致(zhi)引起的漏磁(ci)(ci)場信(xin)號(hao)不一(yi)(yi)致(zhi)可在(zai)軟件中(zhong)予以(yi)修正。
如圖7-66所示，以(yi)GCr15（840℃油(you)淬，190℃回火）為(wei)(wei)例，根據電(dian)磁(ci)(ci)檢測原理，將(jiang)工件磁(ci)(ci)化至飽和或近(jin)(jin)飽和狀態時(shi)(shi)，有利(li)于(yu)(yu)裂紋漏磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)形(xing)成與擴散(san)，取近(jin)(jin)飽和區的(de)(de)H＝14800A／m點，此時(shi)(shi)對應(ying)的(de)(de)磁(ci)(ci)感應(ying)強度B≈1.125125T。以(yi)16種軸承套圈(quan)中(zhong)橫截面積最大(533.5n5m㎡)的(de)(de)27315EK 02軸承內圈(quan)為(wei)(wei)例，大約為(wei)(wei)4075安匝。由(you)于(yu)(yu)本計(ji)(ji)算(suan)模型沒有考(kao)慮泄(xie)漏到空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)磁(ci)(ci)通(tong)、磁(ci)(ci)滯損耗(hao)、渦流損耗(hao)，因此將(jiang)計(ji)(ji)算(suan)出的(de)(de)結果乘以(yi)安全(quan)系數1.1，磁(ci)(ci)化器εm=NI=4482安匝。線圈(quan)匝數為(wei)(wei)600，選用(yong)φ1.7mm銅線繞制而成，通(tong)入(ru)7.5A的(de)(de)電(dian)流即可滿足(zu)磁(ci)(ci)化要求(qiu)。
根(gen)據上述計算結果(guo)，設計得(de)到如圖7-67所(suo)示的(de)周向(xiang)勵(li)磁(ci)裝置，磁(ci)極(ji)部分可更換以適應不同規格的(de)軸(zhou)承套(tao)圈，磁(ci)化器封罩用于保護(hu)內(nei)部漆包線，封罩上開(kai)百葉窗輔助散(san)熱，加(jia)裝軸(zhou)流式(shi)風扇散(san)熱以保證(zheng)磁(ci)化器可長期(qi)工作。
二、檢(jian)測(ce)探頭(tou)
圖7-68所(suo)示為(wei)(wei)永磁(ci)磁(ci)軛探頭，它主(zhu)要(yao)由磁(ci)頭、永磁(ci)鐵(tie)S極(ji)(ji)、永磁(ci)鐵(tie)N極(ji)(ji)、橋接(jie)銜(xian)鐵(tie)及隔片組成，隔片用于調節磁(ci)極(ji)(ji)間距(ju)。檢(jian)測時，“N極(ji)(ji)→軸(zhou)承套圈(quan)→S極(ji)(ji)→橋接(jie)銜(xian)鐵(tie)”形成磁(ci)回路，如遇裂紋，漏(lou)磁(ci)場(chang)將被磁(ci)頭捕捉。永磁(ci)鐵(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正(zheng)對軸(zhou)承套圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)極(ji)(ji)面。信號(hao)放大(da)(da)電路為(wei)(wei)10×100倍兩級放大(da)(da)，軟件放大(da)(da)500倍。
如圖7-69所(suo)示，檢測對象為GCr15軸(zhou)承套圈(quan)，大端面(mian)刻蝕有寬0.1mm、深0.1mm、長(chang)10.0mm的人工刻槽(cao)。軸(zhou)承套圈(quan)表(biao)面(mian)光滑，無(wu)銹(xiu)蝕。
不(bu)同磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間(jian)距檢(jian)測結果對比(bi)如圖7-70所(suo)示。磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間(jian)距15mm時，可檢(jian)出信(xin)號(hao)，但信(xin)噪(zao)比(bi)不(bu)高，這是由(you)于磁(ci)(ci)極(ji)(ji)離磁(ci)(ci)心過近使之飽(bao)和(he)的(de)(de)緣(yuan)故(gu)；磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間(jian)距17mm時，可檢(jian)出信(xin)號(hao)，且信(xin)噪(zao)比(bi)最佳(jia)；磁(ci)(ci)極(ji)(ji)間(jian)距19mm時，不(bu)能檢(jian)出信(xin)號(hao)。永磁(ci)(ci)體尺(chi)寸(cun)換(huan)為6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對軸承套圈，為磁(ci)(ci)極(ji)(ji)面時，不(bu)能檢(jian)出信(xin)號(hao)，同理(li)這也(ye)是磁(ci)(ci)心飽(bao)和(he)的(de)(de)緣(yuan)故(gu)。
通過上述(shu)分析不難(nan)(nan)發現，含磁(ci)心線圈用(yong)于檢(jian)測時(shi)，需特別注(zhu)意磁(ci)心飽和的問題，局(ju)部(bu)磁(ci)化在一定程度上降低了磁(ci)化成本(ben)和磁(ci)化難(nan)(nan)度，但是(shi)由(you)于磁(ci)化器距離(li)傳感器較(jiao)近，對傳感器的影(ying)響也(ye)較(jiao)大。
短路磁(ci)(ci)(ci)通損耗與(yu)(yu)(yu)磁(ci)(ci)(ci)心(xin)(xin)前端氣隙寬度(du)g、深度(du)h有(you)關(guan)；提(ti)離損耗與(yu)(yu)(yu)提(ti)離值相關(guan)，在(zai)實際(ji)工(gong)程(cheng)中體(ti)現在(zai)探頭(tou)耐磨層厚度(du)及(ji)探頭(tou)機構的(de)設計；低頻損耗與(yu)(yu)(yu)裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)(ci)信號(hao)(hao)空(kong)間分布相關(guan)，即與(yu)(yu)(yu)裂(lie)紋尺寸及(ji)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀(zhuang)況相關(guan)；氣隙寬度(du)損耗與(yu)(yu)(yu)氣隙寬度(du)g、裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)(ci)信號(hao)(hao)空(kong)間分布相關(guan)；方位(wei)角(jiao)損耗可歸為提(ti)離損耗；磁(ci)(ci)(ci)滯損耗可忽略；渦流損耗可以(yi)從磁(ci)(ci)(ci)心(xin)(xin)材料(liao)、探頭(tou)工(gong)藝等方面著(zhu)手降低。
因此，從探(tan)頭設(she)計的角度(du)出發，主要(yao)關注磁(ci)心前端(duan)氣隙(xi)寬度(du)g、深度(du)ha。
如圖7-71所示，磁頭式(shi)傳感器(qi)主要由線(xian)圈(quan)、兩片(pian)磁心主瓣、兩片(pian)磁心旁瓣組成(cheng)，前端縫隙(xi)(xi)中墊入(ru)不(bu)同厚度(du)(du)的POM塑料(liao)片(pian)即可得到不(bu)同的氣隙(xi)(xi)寬度(du)(du)g，氣隙(xi)(xi)深(shen)度(du)(du)h。取決(jue)于機加工主瓣、旁瓣尺(chi)寸。
如圖7-72所示，為驗(yan)證磁心(xin)前端(duan)氣隙深度h。對信(xin)號的影響，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器(qi)，線圈匝數(shu)為400。人(ren)工傷的尺寸為（寬(kuan)）×0.5mm(深）×10.0mm（長）。試驗(yan)過程中使用(yong)的信(xin)號放大板為10×100倍(bei)，軟件(jian)放大倍(bei)數(shu)為500倍(bei)。
所得原始信(xin)號經5階(jie) Butterworth 濾波器濾波后，試(shi)驗結果如圖7-73所示，信(xin)號峰(feng)-峰(feng)值與前端(duan)氣(qi)隙深度(du)h。近似成(cheng)反比(bi)，氣(qi)隙深度(du)越小，越有利(li)于(yu)檢測，然而(er)氣(qi)隙深度(du)越小，探頭越不耐磨，因(yin)此實際的探頭制作中，需(xu)要在兩(liang)者之間做平衡取舍。
如圖7-74所示，為驗證磁心前端氣隙寬度(du)g對信號(hao)的(de)影響，制作(zuo)了氣隙深(shen)度(du)ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種(zhong)磁頭式傳感器，線圈匝數(shu)為400。人工傷的(de)尺(chi)寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深(shen)）x10.0mm（長）。試驗過程中使用的(de)信號(hao)放大(da)板為10×100倍，軟(ruan)件放大(da)倍數(shu)為500倍。
試(shi)驗結(jie)(jie)果如圖7-75所(suo)示，氣(qi)(qi)隙寬度(du)mm時(shi)(shi)，信(xin)(xin)(xin)號峰-峰值Vpp最大；在(zai)氣(qi)(qi)隙寬度(du)m時(shi)(shi)出(chu)現了(le)“檢測勢井(jing)”，當氣(qi)(qi)隙寬度(du)m時(shi)(shi)，信(xin)(xin)(xin)號峰-峰值V在(zai)一定范圍內呈現出(chu)增長趨勢。這是由(you)于在(zai)該試(shi)驗條件下(xia)，m時(shi)(shi)氣(qi)(qi)隙寬度(du)損耗最大，因(yin)此無法有(you)效(xiao)檢出(chu)信(xin)(xin)(xin)號。該結(jie)(jie)果表明，應用磁頭式傳感器進(jin)行檢測時(shi)(shi)，在(zai)裂(lie)紋(wen)漏(lou)磁信(xin)(xin)(xin)號空間分布未知的情況下(xia)，應該盡量減小前端氣(qi)(qi)隙寬度(du)g，以防(fang)止它與裂(lie)紋(wen)漏(lou)磁場空間分布出(chu)現耦合，形成“檢測勢井(jing)”。
如(ru)圖(tu)7-76所(suo)示，縱向傷(shang)陣列傳感器主要由(you)線圈、疊層磁心、隔離(li)(li)片(pian)、屏(ping)蔽罩組(zu)成，探頭(tou)單元(yuan)排成兩(liang)列并(bing)沿(yan)排布(bu)方向兩(liang)兩(liang)錯開一(yi)段距離(li)(li)，以消(xiao)除單列探頭(tou)之間(jian)的(de)探測盲區(qu)。
三、檢(jian)測裝備
整套裝備(bei)主要(yao)分為檢(jian)測裝置、信號(hao)(hao)采(cai)集和處理系(xi)(xi)統(tong)、PLC控制系(xi)(xi)統(tong)、外圍供電供氣系(xi)(xi)統(tong)、物料傳送(song)以(yi)及上下料裝置五部分。本節(jie)的(de)重點在于檢(jian)測裝置、信號(hao)(hao)采(cai)集和處理系(xi)(xi)統(tong)以(yi)及高速檢(jian)測工藝。
1. 總體(ti)方(fang)案(an)
按(an)照功能劃分，軸承套圈裂紋(wen)漏(lou)磁檢(jian)測裝(zhuang)(zhuang)備(bei)可(ke)(ke)以(yi)分為預(yu)置(zhi)、縱向(xiang)傷(shang)檢(jian)測、剔除、退磁四個(ge)主(zhu)要工(gong)(gong)位。預(yu)置(zhi)工(gong)(gong)位為冗(rong)余過渡工(gong)(gong)位，當(dang)前可(ke)(ke)作為軸承套圈檢(jian)測流程的過渡工(gong)(gong)位，將來可(ke)(ke)為周(zhou)向(xiang)傷(shang)檢(jian)測裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)提供安裝(zhuang)(zhuang)平臺。裝(zhuang)(zhuang)備(bei)主(zhu)體-縱向(xiang)檢(jian)測主(zhu)機主(zhu)要包(bao)括(kuo)五(wu)個(ge)部分：軸承套圈驅動裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、磁化(hua)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、陣列(lie)探頭組件(jian)、信號(hao)調理采(cai)集處理系統以(yi)及自動化(hua)控制系統。
軸(zhou)承套圈(quan)(quan)驅(qu)動裝(zhuang)置設計(ji)要(yao)點：以圓(yuan)錐(zhui)滾子軸(zhou)承套圈(quan)(quan)為(wei)研究對象，其形狀規(gui)(gui)整，為(wei)圓(yuan)環形零(ling)件，適(shi)合旋轉(zhuan)檢(jian)測；表面光潔，不需事(shi)先清潔處理(li)；為(wei)便于實現工(gong)業自動化，不同尺寸規(gui)(gui)格軸(zhou)承套圈(quan)(quan)的檢(jian)測工(gong)位及上下料工(gong)位最好一致(zhi)。綜合上述分析，采用軸(zhou)承套圈(quan)(quan)原地旋轉(zhuan)、探頭貼合檢(jian)測的方式。
根據軸(zhou)承套(tao)圈漏磁檢(jian)測的特點，擬訂(ding)軸(zhou)承套(tao)圈高速自動化漏磁檢(jian)測工藝(yi)流程，如圖7-77所示。
軸承套(tao)圈(quan)裂(lie)紋漏磁檢測裝備總體方案如(ru)圖(tu)7-78所示。
2. 檢測系統
檢(jian)測系統主要包括縱向傷檢(jian)測裝(zhuang)置(zhi)、剔(ti)除裝(zhuang)置(zhi)和退磁裝(zhuang)置(zhi)三部分。
如圖(tu)7-79所示(shi)，縱(zong)向(xiang)傷檢測裝(zhuang)置可劃分(fen)為(wei)工(gong)件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)、規格調整、磁化、壓(ya)(ya)緊(jin)、檢測和(he)剔除(chu)六大(da)主體裝(zhuang)置。工(gong)件(jian)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)模塊(kuai)的主要部(bu)件(jian)為(wei)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)機、驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun)L、驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun)R、萬向(xiang)滾珠托(tuo)架等。驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)電(dian)動(dong)(dong)(dong)(dong)機與齒(chi)輪(lun)直連，經由齒(chi)輪(lun)組變(bian)速、變(bian)轉(zhuan)矩(ju)之后傳遞給(gei)兩(liang)個驅(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun)，在壓(ya)(ya)緊(jin)模塊(kuai)的配合下，摩(mo)擦帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)軸承套圈原(yuan)地旋(xuan)轉(zhuan)。
規(gui)格調(diao)整裝(zhuang)(zhuang)置主要(yao)由手輪、減速機(ji)(ji)、梯(ti)(ti)形絲(si)杠(gang)、梯(ti)(ti)形螺母及壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)座(zuo)等構成。如圖7-80所示(shi)，由于上下料(liao)機(ji)(ji)械手與檢測裝(zhuang)(zhuang)置之間的距(ju)離相對固定，為保證所有規(gui)格軸(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈上下料(liao)工位位置相同(tong)，更(geng)換軸(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈時(shi)，需要(yao)調(diao)整設備狀(zhuang)態。減速機(ji)(ji)起(qi)變(bian)速、變(bian)向的作用(yong)，30°梯(ti)(ti)形絲(si)杠(gang)螺母機(ji)(ji)構既(ji)可(ke)傳動，也(ye)可(ke)自鎖，壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)座(zuo)上開腰形通孔，可(ke)以調(diao)整壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)與上下料(liao)工位之間的距(ju)離，適應軸(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈規(gui)格的變(bian)化。
磁(ci)(ci)(ci)化(hua)裝置主(zhu)要由磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)、磁(ci)(ci)(ci)極、磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器固定(ding)架(jia)和工業(ye)(ye)風扇等組(zu)成。磁(ci)(ci)(ci)極可更換規(gui)格(ge)，以配合軸承套圈(quan)規(gui)格(ge)的變(bian)化(hua)。工業(ye)(ye)現場常常要求設(she)備具有連(lian)續工作能力(li)，因(yin)此(ci)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)線(xian)圈(quan)的散熱問題需要重視，此(ci)處采用軸流式(shi)工業(ye)(ye)風扇散熱。
如圖7-81所示(shi)，壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)主要由壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)氣缸(gang)、壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)座、萬向(xiang)滾珠(zhu)托架(jia)和(he)可(ke)擺(bai)動(dong)(dong)式壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)總成(cheng)構成(cheng)。壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)氣缸(gang)在(zai)檢測(ce)過(guo)程(cheng)中提供(gong)持續(xu)的壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)力，萬向(xiang)滾珠(zhu)托舉軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)，減小(xiao)其(qi)在(zai)原地旋轉(zhuan)過(guo)程(cheng)中的摩擦力，雙驅動(dong)(dong)輪(lun)加(jia)雙壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)輪(lun)的設計雖然更加(jia)可(ke)靠，但是存在(zai)過(guo)定位(wei)的問題，因(yin)此壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)模塊設計為可(ke)擺(bai)動(dong)(dong)式。下端(duan)面探(tan)頭(tou)陣列置(zhi)于壓(ya)(ya)緊(jin)(jin)(jin)(jin)輪(lun)之間，規(gui)格調(diao)整時跟隨軸(zhou)承(cheng)一(yi)起移(yi)動(dong)(dong)，可(ke)覆蓋所有系列軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)下端(duan)面。
如圖7-82所示，檢(jian)(jian)測裝置主要由(you)(you)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)、內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)、上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)、下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)及(ji)其動(dong)(dong)(dong)作機構(gou)組成。其中，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)由(you)(you)氣(qi)缸帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，實(shi)現貼(tie)合及(ji)分離(li)工件(jian)，連接(jie)(jie)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)與氣(qi)缸的(de)(de)零件(jian)可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)拆(chai)卸(xie)，方(fang)(fang)便工件(jian)規格變化(hua)時更換相應(ying)的(de)(de)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)；內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于擺(bai)臂(bei)一端(duan)(duan)(duan)，擺(bai)臂(bei)由(you)(you)迷(mi)你氣(qi)缸帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，實(shi)現貼(tie)合及(ji)分離(li)動(dong)(dong)(dong)作；上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)導(dao)(dao)桿一端(duan)(duan)(duan)，浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)導(dao)(dao)桿內(nei)置彈簧(huang)，可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)以(yi)適應(ying)不同軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈高度的(de)(de)變化(hua)并提供持續(xu)的(de)(de)壓(ya)(ya)緊(jin)力(li)；內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)與上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)固(gu)定(ding)在(zai)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈上(shang)方(fang)(fang)的(de)(de)鋁型(xing)材(cai)上(shang)，并且可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)沿鋁型(xing)材(cai)調(diao)整(zheng)位(wei)(wei)置；鋁型(xing)材(cai)由(you)(you)氣(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)上(shang)下(xia)移動(dong)(dong)(dong)。檢(jian)(jian)測前，固(gu)定(ding)于鋁型(xing)材(cai)上(shang)的(de)(de)內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)處于高位(wei)(wei)，軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈上(shang)料到(dao)位(wei)(wei)后，氣(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺動(dong)(dong)(dong)作，內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)及(ji)上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)處于低位(wei)(wei)，其中上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)上(shang)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)。隨后，迷(mi)你氣(qi)缸動(dong)(dong)(dong)作，經(jing)由(you)(you)擺(bai)臂(bei)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)內(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)。下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)固(gu)定(ding)于兩壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)之(zhi)間(jian)，可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)隨壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝座一起調(diao)整(zheng)，長度方(fang)(fang)向(xiang)足以(yi)覆蓋該系列(lie)(lie)所有軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)頭(tou)(tou)內(nei)置彈簧(huang)，可(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)實(shi)現浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)緊(jin)，內(nei)置緊(jin)定(ding)螺釘，用于調(diao)節彈簧(huang)壓(ya)(ya)緊(jin)力(li)。
如圖(tu)7-83所示，剔(ti)除裝(zhuang)置(zhi)主要(yao)由剔(ti)除氣(qi)缸、氣(qi)缸導桿、分料(liao)板(ban)和廢品(pin)收集(ji)槽組成。縱向(xiang)缺陷檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置(zhi)檢(jian)測(ce)完(wan)畢后(hou)，向(xiang)PLC控制系統反饋相應信息。若(ruo)軸承套圈(quan)檢(jian)測(ce)為(wei)(wei)合格，則剔(ti)除氣(qi)缸不(bu)(bu)動(dong)作，機械手抓(zhua)取工(gong)(gong)件在分料(liao)板(ban)上(shang)方停留一(yi)段時間之后(hou)運往下(xia)一(yi)工(gong)(gong)位（退磁(ci)工(gong)(gong)位）；若(ruo)軸承套圈(quan)檢(jian)測(ce)為(wei)(wei)不(bu)(bu)合格，則剔(ti)除氣(qi)缸動(dong)作，帶(dai)動(dong)分料(liao)板(ban)上(shang)升，機械手抓(zhua)取工(gong)(gong)件將其丟人到廢品(pin)收集(ji)槽中。
3. 高速自動化(hua)檢(jian)測工(gong)藝
如圖7-84所示，系統采用流水線式工(gong)藝流程(cheng)，預置工(gong)位、縱向傷檢測(ce)工(gong)位、剔除工(gong)位、退磁工(gong)位依次排開，機械手(shou)組(zu)件將四個工(gong)位有機聯系起來。
四、現場應用
上述檢測(ce)系(xi)統在現(xian)場應(ying)用如圖7-85所示(shi)。
測(ce)試(shi)樣品及測(ce)試(shi)結果如圖7-86與圖7-87所(suo)示。測(ce)試(shi)結果表(biao)明，軸承(cheng)套(tao)圈裂(lie)紋漏磁檢(jian)(jian)測(ce)裝(zhuang)置具有良好的(de)檢(jian)(jian)測(ce)靈敏度與可靠性，檢(jian)(jian)測(ce)效率(lv)高。
