軸承(cheng)作(zuo)為重(zhong)要的機械(xie)基(ji)礎(chu)件，其(qi)質量直接決定(ding)著機械(xie)產(chan)品的性(xing)能(neng)以及可靠性(xing)。國家工(gong)信部規劃司在(zai)機械(xie)領域“三基(ji)”（機械(xie)基(ji)礎(chu)件、基(ji)礎(chu)制造工(gong)藝和(he)(he)基(ji)礎(chu)材料）產(chan)業(ye)“十二五”發展(zhan)(zhan)規劃中(zhong)明確，指出圍繞重(zhong)大裝(zhuang)備和(he)(he)高端裝(zhuang)備配(pei)套需求(qiu)，重(zhong)點(dian)發展(zhan)(zhan)高速、精密、重(zhong)載(zai)軸承(cheng)。
軸(zhou)承(cheng)(cheng)作為機械裝置中(zhong)最常用也最重要的(de)零部件之一，其(qi)失效將直(zhi)接導(dao)致設(she)備故障(zhang)、生產受(shou)阻甚(shen)至是人員傷亡(wang)。據統計，在旋(xuan)轉機械的(de)現場故障(zhang)中(zhong)，由于(yu)軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)(quan)損(sun)傷而引起的(de)故障(zhang)大約占30％，其(qi)中(zhong)大約90％的(de)故障(zhang)來自軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)(quan)的(de)裂(lie)紋。因此提高(gao)軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)(quan)的(de)裂(lie)紋檢(jian)測能力尤為重要。
目前，軸(zhou)承套圈(quan)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方(fang)法(fa)(fa)(fa)(fa)主要有磁粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)、渦(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)、機器(qi)視覺法(fa)(fa)(fa)(fa)、巴克豪森法(fa)(fa)(fa)(fa)、聲發射檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)等。其(qi)中(zhong)，磁粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)、渦(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)(fa)(fa)使用(yong)較為(wei)普遍。
磁(ci)粉檢(jian)(jian)測(ce)法檢(jian)(jian)驗靈敏度高，缺陷顯示直觀(guan)(guan)，不受(shou)工(gong)件大小和形(xing)狀(zhuang)的限制，但(dan)是操(cao)作復雜，生產率低，且對環境有一定污染，磁(ci)痕(hen)觀(guan)(guan)察需要人工(gong)參與，檢(jian)(jian)測(ce)結(jie)果受(shou)檢(jian)(jian)測(ce)人員主觀(guan)(guan)意識和操(cao)作經(jing)驗影(ying)響，難以踐行統(tong)一的質量標準；超聲檢(jian)(jian)測(ce)法在國(guo)外使用較(jiao)為廣(guang)泛(fan)，歐洲已頒布相應檢(jian)(jian)測(ce)標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但(dan)超聲檢(jian)(jian)測(ce)法由于裂紋取向及聲耦合對其影(ying)響大，難以適應軸承(cheng)套(tao)圈形(xing)狀(zhuang)，檢(jian)(jian)測(ce)精度不高，需要檢(jian)(jian)測(ce)者有豐富經(jing)驗，所以影(ying)響了其在國(guo)內市(shi)場的推廣(guang)；渦流(liu)檢(jian)(jian)測(ce)法可實現(xian)非(fei)接觸式檢(jian)(jian)測(ce)，但(dan)是受(shou)工(gong)件形(xing)狀(zhuang)影(ying)響大，且結(jie)果多以阻抗(kang)分(fen)析(xi)圖的形(xing)式展現(xian)，不直觀(guan)(guan)，多用于軸承(cheng)圓柱滾子(zi)的檢(jian)(jian)測(ce)。
為解決軸承生產中出現的實(shi)際問題，下面介紹一種基于漏磁原理(li)的軸承套圈(quan)裂紋檢(jian)測方法(fa)與裝(zhuang)置(zhi)，可實(shi)現軸承套圈(quan)的自動化高(gao)效(xiao)檢(jian)測。
一(yi)、檢(jian)測(ce)原理
軸承套圈作(zuo)為一種精(jing)密零部件，其表面質量較高，生產過程(cheng)中(zhong)產生的裂紋多(duo)呈現出開(kai)口窄、長(chang)度短、深度淺的特(te)點，屬于典型(xing)的微小(xiao)尺(chi)寸裂紋檢測問題。
1. 軸承套圈的材(cai)料、結構、待檢測(ce)部位及缺陷(xian)形(xing)式
a. 軸承鋼的主要種類(lei)
1）高碳(tan)鉻軸承(cheng)鋼(gang)(gang)：年產(chan)量(liang)約占軸承(cheng)鋼(gang)(gang)總產(chan)量(liang)的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳(tan)鉻軸承(cheng)鋼(gang)(gang)由德國于1905年研制成(cheng)功，得到了廣泛應用。
2）滲(shen)碳軸承鋼：經滲(shen)碳處理，兼具表面高硬(ying)高耐磨(mo)性及(ji)內部(bu)韌性。在美國(guo)(guo)的(de)產(chan)(chan)量約占軸承鋼總產(chan)(chan)量的(de)30％，在中國(guo)(guo)僅(jin)占3％左右。
3）中(zhong)碳軸承(cheng)鋼(gang)：工藝相對簡單，且同(tong)樣達到表面硬化效果，近年來發展較(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)(tong)材質(zhi)或是相同(tong)(tong)材質(zhi)、不同(tong)(tong)熱處理工藝均會對(dui)(dui)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)的(de)(de)(de)磁化特性(xing)產生巨大影響，不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)磁化特性(xing)對(dui)(dui)應不同(tong)(tong)的(de)(de)(de)磁化裝置參數，本書使用最為廣泛的(de)(de)(de)GCr15軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼(gang)作為研究對(dui)(dui)象。
b. 軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的(de)結(jie)(jie)構及(ji)待(dai)檢(jian)測部位 成品(pin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)一般由軸(zhou)(zhou)承(cheng)外套(tao)(tao)圈(quan)、軸(zhou)(zhou)承(cheng)內套(tao)(tao)圈(quan)、滾子保持架、滾子及(ji)附(fu)件組成，軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)結(jie)(jie)構形式較為(wei)多(duo)樣(yang)，同(tong)一套(tao)(tao)裝備難以(yi)同(tong)時滿足所有類型(xing)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的(de)檢(jian)測需求，研(yan)究(jiu)其中使用較為(wei)廣(guang)泛的(de)圓錐滾子軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)具有重(zhong)要意義(yi)，相關研(yan)究(jiu)方法(fa)可(ke)方便地變通之后推廣(guang)到(dao)其他類型(xing)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)。
如圖(tu)7-62所示(shi)，圓(yuan)錐滾子(zi)軸承套圈為(wei)(wei)(wei)旋轉(zhuan)對稱零(ling)件，外(wai)(wai)圈可看作由梯形繞中心軸旋轉(zhuan)360°而成，上(shang)下(xia)端面(mian)(mian)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外(wai)(wai)表(biao)面(mian)(mian)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)柱面(mian)(mian)，內表(biao)面(mian)(mian)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)；內圈結(jie)構(gou)稍顯復(fu)雜，上(shang)下(xia)端面(mian)(mian)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)環平面(mian)(mian)，外(wai)(wai)表(biao)面(mian)(mian)主體為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)，沿軸向兩端含工藝槽及(ji)滾子(zi)定(ding)位臺階，內表(biao)面(mian)(mian)為(wei)(wei)(wei)圓(yuan)柱面(mian)(mian)。
軸(zhou)承外(wai)(wai)圈(quan)待檢(jian)測面(mian)(mian)包含(han)內圓錐面(mian)(mian)1、外(wai)(wai)圓柱面(mian)(mian)2、下端(duan)(duan)面(mian)(mian)3和(he)上端(duan)(duan)面(mian)(mian)4。軸(zhou)承內圈(quan)待檢(jian)測面(mian)(mian)包含(han)外(wai)(wai)圓錐面(mian)(mian)1、內圓柱面(mian)(mian)2、下端(duan)(duan)面(mian)(mian)3、上端(duan)(duan)面(mian)(mian)4。
c. 軸承套圈的裂紋形(xing)式及產生原因(yin)
1）材料(liao)裂紋：材料(liao)裂紋產(chan)生(sheng)的(de)原因主(zhu)要是內部氣(qi)泡(pao)、嚴重的(de)非金屬夾雜等，沿軋制方(fang)向(xiang)呈(cheng)直(zhi)線分布(bu)，以(yi)表(biao)面裂紋或折(zhe)疊(die)的(de)形(xing)式呈(cheng)現，在內部走向(xiang)多指向(xiang)圓心，且折(zhe)疊(die)裂紋走向(xiang)與表(biao)面近乎(hu)平行，漏磁(ci)場(chang)微弱。
2）發(fa)紋：材料表(biao)面或近(jin)表(biao)面毛發(fa)狀的細小裂(lie)紋，由鋼錠皮下氣泡或夾雜引起。外觀細小，一般長1～3mm，目檢時不易發(fa)現。
3）鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)裂紋：包括鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)折疊(die)裂紋（切料不(bu)齊、毛刺、飛邊以(yi)及操作不(bu)當等(deng)原因造(zao)(zao)成）、過(guo)(guo)燒（鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)溫(wen)(wen)(wen)度過(guo)(guo)高或保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)間過(guo)(guo)長造(zao)(zao)成）、濕裂（停鍛(duan)(duan)溫(wen)(wen)(wen)度較(jiao)高，冷卻時(shi)局部(bu)或全部(bu)碰到冷卻水(shui)而急(ji)冷）、內裂（鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)時(shi)加熱速(su)度過(guo)(guo)快，表面升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)高而內部(bu)升(sheng)溫(wen)(wen)(wen)慢引(yin)起，一般出現在壁厚較(jiao)大處）。鍛(duan)(duan)造(zao)(zao)裂紋較(jiao)粗大，形(xing)狀(zhuang)不(bu)規則，存在鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)表面，磁(ci)化時(shi)漏磁(ci)場較(jiao)弱，磁(ci)痕顯示不(bu)太清(qing)晰，剩磁(ci)法檢(jian)測容易產(chan)生漏檢(jian)。
4）淬(cui)火裂紋(wen)：因淬(cui)火時產生的熱(re)應(ying)力及組織應(ying)力引起，外(wai)貌(mao)極不規則，多在外(wai)徑上，嚴重時延伸到端面，一般較深。
5）磨(mo)削(xue)裂(lie)紋(wen)：磨(mo)削(xue)時冷(leng)卻不良，瞬時高溫引起表面應力集中，即會產生(sheng)磨(mo)削(xue)裂(lie)紋(wen)，主要分布在(zai)端面、擋邊(bian)、滾道、內徑(jing)及打字處，外徑(jing)表面較少出現，呈現短、淺、細的特點，與(yu)磨(mo)削(xue)方(fang)向(xiang)垂直或成一定角度。
2. 軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈裂紋(wen)漏磁檢(jian)測系統的特點(dian)
軸(zhou)承套圈裂(lie)紋漏磁檢測系統的優勢(shi)在于：可實現上下(xia)料、檢測、分(fen)選、退磁一體化自(zi)動化，極大(da)地提高(gao)了檢測效率，降低(di)了工(gong)人的勞動強度。
然而，在具(ju)體(ti)的工程(cheng)實施(shi)中，存在以下要(yao)點及難點：
1）軸承套圈尺寸形狀規格繁(fan)多，如何實現通用化檢(jian)測或者實現一定范圍內的通用化檢(jian)測存在工程(cheng)實施難度。
2）隨(sui)著軸承套圈(quan)加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝的(de)提(ti)(ti)升，軸承套圈(quan)表(biao)面加(jia)工(gong)(gong)質(zhi)量越來越高，生產(chan)過程(cheng)中產(chan)生的(de)裂紋多呈現出(chu)開口(kou)窄、深度(du)淺的(de)特(te)點，屬于典型的(de)微(wei)小尺寸裂紋檢(jian)測問題，提(ti)(ti)高磁(ci)化能力(li)、提(ti)(ti)高傳感器檢(jian)測靈敏度(du)及空間分(fen)辨力(li)、提(ti)(ti)高信號處理(li)能力(li)以在較強背(bei)景(jing)噪聲中提(ti)(ti)取有效信號是(shi)關鍵。
3）軸承套圈尤(you)其(qi)是(shi)軸承內圈的結(jie)構(gou)較(jiao)為復(fu)雜，需從結(jie)構(gou)及(ji)布置方式著手，減小(xiao)提離值并最大限度地覆蓋待檢(jian)測部位。
4）自動化(hua)生產(chan)線多(duo)為流水式，效率高、速(su)度快，因此高速(su)檢測工藝(yi)應簡潔高效，且(qie)可以順暢地(di)與生產(chan)線相融合(he)。
3. 軸承套圈(quan)漏磁(ci)檢測(ce)的勵磁(ci)方法與裝置
軸承套圈的磁化方式直接(jie)(jie)和(he)漏磁場信號強弱相關，其選擇及設計非常重要。常見的軸承套圈周向(xiang)磁化方法有中心導體(ti)法、直接(jie)(jie)通電(dian)法和(he)繞電(dian)纜(lan)法，其優缺點見表7-5。
對比之后(hou)不難看(kan)出，上述方法(fa)均不適用(yong)于(yu)(yu)自動(dong)化漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)檢測，為此，采用(yong)如圖7-63所(suo)示的(de)軸承周向磁(ci)(ci)(ci)化方法(fa)，磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)(qi)由U形(xing)鐵心纏繞線(xian)圈制成(cheng)，可更換的(de)磁(ci)(ci)(ci)極(ji)可以(yi)滿(man)足(zu)不同規(gui)格(ge)軸承套圈的(de)磁(ci)(ci)(ci)化需(xu)求。通過ANSYS仿(fang)真(zhen)可以(yi)看(kan)出，此種(zhong)磁(ci)(ci)(ci)化方式(shi)在(zai)遠(yuan)離(li)磁(ci)(ci)(ci)極(ji)的(de)位置可以(yi)獲得比較(jiao)均勻的(de)周向磁(ci)(ci)(ci)場，且該磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)(qi)結構可以(yi)方便(bian)地與流水生產線(xian)相結合，便(bian)于(yu)(yu)實現(xian)自動(dong)化。
選(xuan)用16種軸(zhou)承套圈中橫截(jie)面(mian)積最大的27315EK 02軸(zhou)承內圈，為保證(zheng)仿(fang)真(zhen)順利進(jin)(jin)行(xing)，此處對仿(fang)真(zhen)裂(lie)紋(wen)進(jin)(jin)行(xing)了一(yi)定的簡化(hua)，裂(lie)紋(wen)尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下端面(mian)各(ge)1條(tiao)裂(lie)紋(wen)，沿軸(zhou)向內表(biao)面(mian)等間距(ju)均(jun)勻分布(bu)3條(tiao)裂(lie)紋(wen)，外表(biao)面(mian)1條(tiao)裂(lie)紋(wen)。周向磁(ci)化(hua)器仿(fang)真(zhen)模型如(ru)圖7-64所(suo)示。
仿真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上端面和(he)內表面裂紋(wen)漏磁(ci)(ci)場B，分量圖像基本吻合，表明在該磁(ci)(ci)化(hua)方式及(ji)磁(ci)(ci)化(hua)強(qiang)度下，上端面與內表面具有較(jiao)為一(yi)致的磁(ci)(ci)化(hua)效(xiao)果(guo)。
2）沿軸向(xiang)等(deng)間距(ju)(ju)分(fen)布的(de)內表面(mian)裂(lie)紋1、2、3漏磁場分(fen)量(liang)圖像(xiang)基本吻合，表明(ming)在該磁化強(qiang)度下，內表面(mian)磁化一致性(xing)較(jiao)好，與(yu)裂(lie)紋離磁極的(de)距(ju)(ju)離無關(guan)。
3）下端面裂(lie)紋(wen)(wen)漏(lou)磁(ci)場B分量(liang)圖像(xiang)與外表(biao)(biao)面裂(lie)紋(wen)(wen)漏(lou)磁(ci)場B,分量(liang)圖像(xiang)基本吻(wen)合，但是相比于(yu)上端面、內表(biao)(biao)面強度更小。這是由(you)(you)于(yu)下端面壁(bi)厚較大，而外表(biao)(biao)面由(you)(you)于(yu)位于(yu)套圈外圍，距離磁(ci)化場較遠，且(qie)磁(ci)場向空(kong)氣中擴(kuo)散更為嚴重。
為了(le)補償壁厚及套圈(quan)高度(du)引起的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效(xiao)果不一致(zhi)，需要進一步(bu)加強磁(ci)(ci)(ci)化(hua)強度(du)，使(shi)得軸承套圈(quan)達(da)到過(guo)飽(bao)和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態(tai)。然而(er)在(zai)實際檢(jian)測過(guo)程(cheng)中，使(shi)得軸承套圈(quan)各個(ge)部分均達(da)到飽(bao)和磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態(tai)需要極(ji)多的(de)(de)線圈(quan)匝(za)數或極(ji)大(da)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)電(dian)流(liu)，對于非定量軸承套圈(quan)檢(jian)測而(er)言(yan)，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)的(de)(de)意(yi)義在(zai)于使(shi)得最苛(ke)刻(ke)指標(biao)的(de)(de)缺陷仍可(ke)得到較理想的(de)(de)信噪比即可(ke)，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效(xiao)果不一致(zhi)引起的(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)場信號不一致(zhi)可(ke)在(zai)軟件(jian)中予以修正。
如圖7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回火）為(wei)例，根據電磁(ci)(ci)(ci)檢測原(yuan)理(li)，將(jiang)工件磁(ci)(ci)(ci)化(hua)至飽(bao)和(he)或近(jin)飽(bao)和(he)狀(zhuang)態時(shi)，有利于裂紋漏磁(ci)(ci)(ci)場的(de)形成(cheng)與擴散，取(qu)近(jin)飽(bao)和(he)區的(de)H＝14800A／m點，此時(shi)對(dui)應的(de)磁(ci)(ci)(ci)感應強度(du)B≈1.125125T。以16種軸承(cheng)套(tao)圈(quan)中橫截面積(ji)最大(da)(533.5n5m㎡)的(de)27315EK 02軸承(cheng)內圈(quan)為(wei)例，大(da)約為(wei)4075安匝(za)(za)。由(you)于本計(ji)算模型沒有考慮(lv)泄漏到空氣中的(de)磁(ci)(ci)(ci)通(tong)(tong)、磁(ci)(ci)(ci)滯損(sun)耗(hao)、渦流損(sun)耗(hao)，因此將(jiang)計(ji)算出的(de)結果(guo)乘以安全系數(shu)1.1，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器εm=NI=4482安匝(za)(za)。線(xian)圈(quan)匝(za)(za)數(shu)為(wei)600，選用φ1.7mm銅線(xian)繞制而成(cheng)，通(tong)(tong)入7.5A的(de)電流即(ji)可滿足(zu)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)要(yao)求。
根據上述計算結果，設計得到(dao)如圖7-67所示的周向勵磁裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)，磁極部分(fen)可(ke)(ke)更換以適應不(bu)同規格(ge)的軸(zhou)承(cheng)套圈，磁化(hua)器(qi)封罩用(yong)于(yu)保護內部漆包線，封罩上開百(bai)葉(xie)窗輔助散熱(re)，加裝(zhuang)(zhuang)軸(zhou)流式風(feng)扇散熱(re)以保證磁化(hua)器(qi)可(ke)(ke)長期工(gong)作。
二、檢測探頭(tou)
圖7-68所示為永磁磁軛探(tan)頭，它(ta)主要(yao)由磁頭、永磁鐵(tie)S極(ji)(ji)、永磁鐵(tie)N極(ji)(ji)、橋接(jie)銜鐵(tie)及隔片組成，隔片用于調節磁極(ji)(ji)間距(ju)。檢測時，“N極(ji)(ji)→軸(zhou)承套圈(quan)→S極(ji)(ji)→橋接(jie)銜鐵(tie)”形(xing)成磁回路(lu)，如遇裂紋(wen)，漏磁場將被磁頭捕(bu)捉。永磁鐵(tie)尺寸為4mm×10mm×10mm正對軸(zhou)承套圈(quan)，為磁極(ji)(ji)面。信號放大(da)電(dian)路(lu)為10×100倍兩級放大(da)，軟件(jian)放大(da)500倍。
如(ru)圖7-69所示，檢測對象為GCr15軸承套圈(quan)，大端面刻蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長(chang)10.0mm的人(ren)工(gong)刻槽。軸承套圈(quan)表(biao)面光滑，無銹(xiu)蝕(shi)。
不同(tong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)間距檢(jian)測(ce)結果對(dui)比(bi)(bi)如圖(tu)7-70所示。磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)間距15mm時，可(ke)檢(jian)出(chu)信(xin)號，但信(xin)噪(zao)比(bi)(bi)不高，這是(shi)由于磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)離磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)心過近使之飽(bao)和的緣故(gu)；磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)間距17mm時，可(ke)檢(jian)出(chu)信(xin)號，且信(xin)噪(zao)比(bi)(bi)最佳；磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)間距19mm時，不能(neng)檢(jian)出(chu)信(xin)號。永磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)尺寸換為6mm×10mm×10mn，其(qi)中6mm×10mm 正對(dui)軸承套圈，為磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)極(ji)面時，不能(neng)檢(jian)出(chu)信(xin)號，同(tong)理這也是(shi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)心飽(bao)和的緣故(gu)。
通過上述分(fen)析不難發現，含磁(ci)心(xin)線(xian)圈(quan)用于檢測時(shi)，需特別(bie)注意磁(ci)心(xin)飽和的(de)問題(ti)，局部(bu)磁(ci)化在一定(ding)程(cheng)度(du)上降(jiang)低了磁(ci)化成本和磁(ci)化難度(du)，但是(shi)由(you)于磁(ci)化器距(ju)離傳感器較近，對傳感器的(de)影響也較大。
短路磁(ci)通損耗(hao)(hao)與磁(ci)心前端氣隙寬(kuan)度(du)g、深度(du)h有(you)關(guan)(guan)；提(ti)離(li)損耗(hao)(hao)與提(ti)離(li)值相關(guan)(guan)，在(zai)實際工程中體現在(zai)探頭耐磨(mo)層(ceng)厚度(du)及探頭機構的設計；低頻損耗(hao)(hao)與裂(lie)紋漏磁(ci)信(xin)號空間分(fen)(fen)布相關(guan)(guan)，即與裂(lie)紋尺寸及磁(ci)化狀(zhuang)況相關(guan)(guan)；氣隙寬(kuan)度(du)損耗(hao)(hao)與氣隙寬(kuan)度(du)g、裂(lie)紋漏磁(ci)信(xin)號空間分(fen)(fen)布相關(guan)(guan)；方位角損耗(hao)(hao)可(ke)(ke)歸為(wei)提(ti)離(li)損耗(hao)(hao)；磁(ci)滯損耗(hao)(hao)可(ke)(ke)忽略(lve)；渦流(liu)損耗(hao)(hao)可(ke)(ke)以從(cong)磁(ci)心材料、探頭工藝等方面著手降低。
因此(ci)，從探(tan)頭設計(ji)的(de)角度(du)出發，主要關(guan)注磁心前(qian)端氣隙寬(kuan)度(du)g、深度(du)ha。
如(ru)圖(tu)7-71所示，磁頭式傳感器(qi)主要(yao)由線圈、兩(liang)片(pian)磁心主瓣(ban)(ban)、兩(liang)片(pian)磁心旁(pang)(pang)瓣(ban)(ban)組成，前端縫隙(xi)中墊(dian)入不同厚度的(de)POM塑料片(pian)即可得到不同的(de)氣(qi)隙(xi)寬度g，氣(qi)隙(xi)深度h。取決于(yu)機加工主瓣(ban)(ban)、旁(pang)(pang)瓣(ban)(ban)尺寸。
如圖(tu)7-72所示，為驗(yan)證磁(ci)心前端氣隙深度h。對信(xin)號的影響，制(zhi)作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭式傳感器，線(xian)圈(quan)匝數(shu)為400。人工傷(shang)的尺寸為（寬）×0.5mm(深）×10.0mm（長(chang)）。試驗(yan)過(guo)程中(zhong)使用(yong)的信(xin)號放(fang)大(da)板為10×100倍，軟件放(fang)大(da)倍數(shu)為500倍。
所(suo)得(de)原始信(xin)號經5階 Butterworth 濾波(bo)器濾波(bo)后，試驗結果(guo)如圖7-73所(suo)示(shi)，信(xin)號峰(feng)-峰(feng)值與前端氣隙(xi)深度h。近似成反(fan)比，氣隙(xi)深度越(yue)小(xiao)，越(yue)有利于檢測，然(ran)而氣隙(xi)深度越(yue)小(xiao)，探(tan)頭越(yue)不耐磨，因此實(shi)際的探(tan)頭制作中，需要在兩者(zhe)之間做(zuo)平衡取(qu)舍。
如(ru)圖7-74所示，為(wei)驗證磁心(xin)前端氣隙寬(kuan)度(du)g對信號的(de)(de)影響(xiang)，制(zhi)作了(le)氣隙深(shen)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(shu)為(wei)400。人工傷的(de)(de)尺寸為(wei)0.1mm（寬(kuan)）)x0.5mm深(shen)）x10.0mm（長）。試驗過(guo)程中使用的(de)(de)信號放大板(ban)為(wei)10×100倍，軟(ruan)件放大倍數(shu)為(wei)500倍。
試驗結果(guo)如圖7-75所示(shi)，氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)(kuan)度mm時(shi)(shi)，信號峰-峰值(zhi)Vpp最大(da)；在(zai)氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)(kuan)度m時(shi)(shi)出現(xian)了“檢(jian)(jian)測(ce)勢(shi)井”，當氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)(kuan)度m時(shi)(shi)，信號峰-峰值(zhi)V在(zai)一定范圍內呈現(xian)出增(zeng)長趨勢(shi)。這是由于在(zai)該試驗條件下(xia)(xia)，m時(shi)(shi)氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)(kuan)度損(sun)耗最大(da)，因此(ci)無法有效檢(jian)(jian)出信號。該結果(guo)表明，應(ying)(ying)用磁(ci)頭式傳感器進行檢(jian)(jian)測(ce)時(shi)(shi)，在(zai)裂紋漏磁(ci)信號空間(jian)分(fen)布未知的情況下(xia)(xia)，應(ying)(ying)該盡量(liang)減小(xiao)前(qian)端氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)(kuan)度g，以防止(zhi)它與(yu)裂紋漏磁(ci)場空間(jian)分(fen)布出現(xian)耦(ou)合，形成“檢(jian)(jian)測(ce)勢(shi)井”。
如圖(tu)7-76所示，縱向(xiang)傷陣(zhen)列傳感器主要由(you)線圈(quan)、疊(die)層磁心、隔離(li)片、屏蔽罩組成，探頭(tou)單(dan)元(yuan)排成兩(liang)列并沿(yan)排布方向(xiang)兩(liang)兩(liang)錯開一段距離(li)，以消除單(dan)列探頭(tou)之間的探測盲區。
三、檢測裝備(bei)
整(zheng)套裝(zhuang)備主(zhu)要(yao)分(fen)為檢測裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理系統、PLC控(kong)制系統、外(wai)圍供電供氣系統、物(wu)料傳送以及上下料裝(zhuang)置(zhi)五部分(fen)。本(ben)節的重點在于(yu)檢測裝(zhuang)置(zhi)、信號(hao)采集和處理系統以及高速檢測工藝。
1. 總體(ti)方(fang)案
按照功能(neng)劃分(fen)，軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)裂紋漏磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)(zhuang)備(bei)可以分(fen)為(wei)預(yu)置、縱向傷(shang)(shang)檢(jian)測(ce)(ce)、剔(ti)除、退磁(ci)(ci)(ci)四個主(zhu)(zhu)要(yao)工(gong)位(wei)。預(yu)置工(gong)位(wei)為(wei)冗余過渡工(gong)位(wei)，當(dang)前可作為(wei)軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)檢(jian)測(ce)(ce)流(liu)程的過渡工(gong)位(wei)，將來可為(wei)周向傷(shang)(shang)檢(jian)測(ce)(ce)裝(zhuang)(zhuang)置提供安裝(zhuang)(zhuang)平臺(tai)。裝(zhuang)(zhuang)備(bei)主(zhu)(zhu)體-縱向檢(jian)測(ce)(ce)主(zhu)(zhu)機主(zhu)(zhu)要(yao)包括五個部分(fen)：軸承(cheng)(cheng)套圈(quan)驅動(dong)裝(zhuang)(zhuang)置、磁(ci)(ci)(ci)化裝(zhuang)(zhuang)置、陣列探頭組件、信號調理采集處(chu)理系統(tong)以及自(zi)動(dong)化控制系統(tong)。
軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)驅動裝置設計要點：以(yi)圓錐(zhui)滾子軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)為(wei)研究對(dui)象(xiang)，其形狀規整，為(wei)圓環形零件，適(shi)合(he)旋(xuan)(xuan)轉檢(jian)(jian)測；表面光潔，不需事(shi)先清(qing)潔處理；為(wei)便(bian)于實(shi)現(xian)工業(ye)自動化，不同尺寸規格(ge)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)的檢(jian)(jian)測工位及上下料工位最好一(yi)致。綜合(he)上述分析，采用(yong)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)原地旋(xuan)(xuan)轉、探頭貼合(he)檢(jian)(jian)測的方式。
根(gen)據軸承(cheng)套圈漏磁檢(jian)測的特點，擬(ni)訂軸承(cheng)套圈高速自動化漏磁檢(jian)測工藝(yi)流程，如圖(tu)7-77所示。
軸(zhou)承套圈(quan)裂紋漏磁檢測(ce)裝備總體方(fang)案如圖(tu)7-78所示。
2. 檢(jian)測系統(tong)
檢(jian)(jian)測系統(tong)主要包括縱向(xiang)傷檢(jian)(jian)測裝(zhuang)置(zhi)、剔除裝(zhuang)置(zhi)和退(tui)磁(ci)裝(zhuang)置(zhi)三部分。
如(ru)圖7-79所示，縱向傷(shang)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置可劃(hua)分(fen)為工件(jian)驅動(dong)(dong)(dong)、規(gui)格調整、磁化、壓緊(jin)、檢(jian)測(ce)和剔除(chu)六大(da)主體裝(zhuang)(zhuang)置。工件(jian)驅動(dong)(dong)(dong)模(mo)塊(kuai)的主要部件(jian)為驅動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)、驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)L、驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)R、萬(wan)向滾(gun)珠托架(jia)等。驅動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)與齒輪(lun)(lun)直(zhi)連，經由齒輪(lun)(lun)組變速(su)、變轉(zhuan)矩之(zhi)后(hou)傳遞給(gei)兩個驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)(lun)，在壓緊(jin)模(mo)塊(kuai)的配合下，摩擦帶動(dong)(dong)(dong)軸承套圈原(yuan)地旋轉(zhuan)。
規(gui)(gui)格(ge)調(diao)整(zheng)裝(zhuang)置主要(yao)由手(shou)輪、減速(su)機(ji)、梯(ti)形(xing)(xing)絲杠、梯(ti)形(xing)(xing)螺(luo)母(mu)(mu)及壓緊(jin)軸承(cheng)(cheng)安裝(zhuang)座(zuo)等構(gou)成。如圖(tu)7-80所示(shi)，由于(yu)上(shang)下料機(ji)械手(shou)與檢測裝(zhuang)置之間的(de)距離相(xiang)對固定，為保證所有規(gui)(gui)格(ge)軸承(cheng)(cheng)套圈上(shang)下料工位(wei)(wei)位(wei)(wei)置相(xiang)同，更換軸承(cheng)(cheng)套圈時(shi)，需要(yao)調(diao)整(zheng)設(she)備狀(zhuang)態。減速(su)機(ji)起變(bian)速(su)、變(bian)向的(de)作(zuo)用，30°梯(ti)形(xing)(xing)絲杠螺(luo)母(mu)(mu)機(ji)構(gou)既可(ke)傳動(dong)，也可(ke)自鎖，壓緊(jin)軸承(cheng)(cheng)安裝(zhuang)座(zuo)上(shang)開腰形(xing)(xing)通孔，可(ke)以(yi)調(diao)整(zheng)壓緊(jin)軸承(cheng)(cheng)與上(shang)下料工位(wei)(wei)之間的(de)距離，適應軸承(cheng)(cheng)套圈規(gui)(gui)格(ge)的(de)變(bian)化。
磁化(hua)裝置主要(yao)由磁化(hua)線圈(quan)、磁極、磁化(hua)器固定(ding)架和(he)工業(ye)(ye)風扇(shan)等組成。磁極可更換規格，以(yi)配合軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)規格的(de)變化(hua)。工業(ye)(ye)現場常(chang)常(chang)要(yao)求設(she)備具有連續(xu)工作能力，因此(ci)磁化(hua)線圈(quan)的(de)散熱(re)(re)問題需要(yao)重視，此(ci)處采用軸(zhou)流式工業(ye)(ye)風扇(shan)散熱(re)(re)。
如圖(tu)7-81所(suo)示，壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)裝置(zhi)主要由壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)氣缸、壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)軸承安裝座、萬(wan)向滾(gun)珠(zhu)托架和可(ke)(ke)(ke)擺動(dong)(dong)式壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)總成(cheng)構成(cheng)。壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)氣缸在(zai)(zai)檢測過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)提(ti)供(gong)持續的(de)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)力，萬(wan)向滾(gun)珠(zhu)托舉軸承套(tao)圈，減小其在(zai)(zai)原地旋(xuan)轉過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)摩擦力，雙驅動(dong)(dong)輪加雙壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)輪的(de)設(she)計(ji)雖然更加可(ke)(ke)(ke)靠，但是存(cun)在(zai)(zai)過定位(wei)的(de)問題，因此壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)模塊設(she)計(ji)為可(ke)(ke)(ke)擺動(dong)(dong)式。下端面(mian)探(tan)頭陣列(lie)置(zhi)于壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)輪之間(jian)，規(gui)格調整時跟(gen)隨軸承一起移動(dong)(dong)，可(ke)(ke)(ke)覆蓋所(suo)有系(xi)列(lie)軸承套(tao)圈下端面(mian)。
如圖7-82所(suo)示，檢測裝(zhuang)置(zhi)主要由外(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)、內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)、上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)、下(xia)(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)及其動(dong)(dong)(dong)(dong)作機構組成。其中，外(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)由氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現貼合及分離工件，連接陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)與(yu)氣(qi)(qi)缸(gang)的(de)零件可(ke)(ke)拆(chai)卸，方(fang)便工件規格變(bian)化(hua)時更換相(xiang)應的(de)外(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)；內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)鉸(jiao)接于(yu)(yu)擺臂(bei)一端(duan)，擺臂(bei)由迷(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現貼合及分離動(dong)(dong)(dong)(dong)作；上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)鉸(jiao)接于(yu)(yu)浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)導桿一端(duan)，浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)導桿內置(zhi)彈(dan)簧(huang)，可(ke)(ke)以適應不同軸承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)(quan)高(gao)度的(de)變(bian)化(hua)并提供持續的(de)壓(ya)緊(jin)力；內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)與(yu)上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)固(gu)定(ding)在軸承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)(quan)上(shang)方(fang)的(de)鋁型材上(shang)，并且(qie)可(ke)(ke)沿鋁型材調整(zheng)位置(zhi)；鋁型材由氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺(tai)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)上(shang)下(xia)(xia)移動(dong)(dong)(dong)(dong)。檢測前，固(gu)定(ding)于(yu)(yu)鋁型材上(shang)的(de)內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)處(chu)(chu)于(yu)(yu)高(gao)位，軸承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)(quan)上(shang)料到位后(hou)，氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺(tai)動(dong)(dong)(dong)(dong)作，內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)處(chu)(chu)于(yu)(yu)低位，其中上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)貼緊(jin)上(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。隨(sui)后(hou)，迷(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)動(dong)(dong)(dong)(dong)作，經由擺臂(bei)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)貼緊(jin)內表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)。下(xia)(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)固(gu)定(ding)于(yu)(yu)兩壓(ya)緊(jin)軸承(cheng)之間(jian)，可(ke)(ke)隨(sui)壓(ya)緊(jin)軸承(cheng)安裝(zhuang)座一起調整(zheng)，長度方(fang)向足以覆蓋(gai)該系列(lie)(lie)所(suo)有軸承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)(quan)下(xia)(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)內置(zhi)彈(dan)簧(huang)，可(ke)(ke)實現浮(fu)動(dong)(dong)(dong)(dong)壓(ya)緊(jin)，內置(zhi)緊(jin)定(ding)螺釘，用于(yu)(yu)調節彈(dan)簧(huang)壓(ya)緊(jin)力。
如圖7-83所(suo)示(shi)，剔(ti)除裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)主要(yao)由(you)剔(ti)除氣缸(gang)(gang)、氣缸(gang)(gang)導桿、分(fen)料(liao)(liao)板和廢品收集槽(cao)組成。縱(zong)向(xiang)缺陷(xian)檢(jian)測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)檢(jian)測(ce)完畢(bi)后，向(xiang)PLC控制系統反饋相應信息。若(ruo)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)檢(jian)測(ce)為(wei)合格，則剔(ti)除氣缸(gang)(gang)不(bu)(bu)動(dong)(dong)作，機(ji)械手抓(zhua)取工(gong)件在(zai)分(fen)料(liao)(liao)板上(shang)(shang)方停留一(yi)段時間(jian)之后運往下一(yi)工(gong)位（退磁工(gong)位）；若(ruo)軸(zhou)承套(tao)圈(quan)檢(jian)測(ce)為(wei)不(bu)(bu)合格，則剔(ti)除氣缸(gang)(gang)動(dong)(dong)作，帶動(dong)(dong)分(fen)料(liao)(liao)板上(shang)(shang)升，機(ji)械手抓(zhua)取工(gong)件將其丟人到廢品收集槽(cao)中。
3. 高速(su)自動化檢(jian)測工(gong)藝
如圖7-84所示，系統采用流(liu)水線式工(gong)(gong)(gong)藝(yi)流(liu)程，預置工(gong)(gong)(gong)位(wei)、縱向(xiang)傷檢測(ce)工(gong)(gong)(gong)位(wei)、剔(ti)除工(gong)(gong)(gong)位(wei)、退磁(ci)工(gong)(gong)(gong)位(wei)依次排開，機械手組件將四(si)個工(gong)(gong)(gong)位(wei)有機聯系起來(lai)。
四、現場應用
上述檢(jian)測系統在現場應用如(ru)圖7-85所示。
測試(shi)樣品及(ji)測試(shi)結果如圖7-86與圖7-87所(suo)示(shi)。測試(shi)結果表明，軸承套(tao)圈裂紋漏磁檢(jian)測裝置(zhi)具有(you)良好(hao)的檢(jian)測靈敏(min)度(du)與可靠性，檢(jian)測效率(lv)高。
