軸(zhou)承作為重(zhong)要的機械(xie)基礎件(jian),其質量直接決定著機械(xie)產(chan)品的性(xing)能(neng)以及可(ke)靠性(xing)。國家工信部規劃司在機械(xie)領域“三基”(機械(xie)基礎件(jian)、基礎制造工藝和基礎材料)產(chan)業(ye)“十二五”發展(zhan)(zhan)規劃中明(ming)確(que),指出圍繞(rao)重(zhong)大(da)裝備和高(gao)端裝備配套需求,重(zhong)點發展(zhan)(zhan)高(gao)速、精密、重(zhong)載軸(zhou)承。
軸承(cheng)作為機械(xie)(xie)裝置中(zhong)最常用也(ye)最重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)零部件之一,其(qi)失(shi)效(xiao)將(jiang)直接(jie)導致設備故障、生產受阻甚至是(shi)人員傷(shang)亡(wang)。據(ju)統計,在旋轉機械(xie)(xie)的(de)(de)(de)(de)現場故障中(zhong),由于軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈損傷(shang)而引起的(de)(de)(de)(de)故障大(da)(da)約(yue)占30%,其(qi)中(zhong)大(da)(da)約(yue)90%的(de)(de)(de)(de)故障來自軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈的(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)紋(wen)。因(yin)此提高軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈的(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)紋(wen)檢測能(neng)力尤為重(zhong)要。
目前,軸承套(tao)圈(quan)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)方法(fa)主要(yao)有磁(ci)粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、機器視(shi)覺法(fa)、巴(ba)克豪森法(fa)、聲發射檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)等。其(qi)中,磁(ci)粉檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)法(fa)使用較(jiao)為普遍。
磁(ci)粉檢(jian)測(ce)法檢(jian)驗靈敏度高,缺陷顯示直(zhi)觀,不(bu)受工(gong)(gong)件(jian)大小和(he)形狀(zhuang)(zhuang)的(de)限制(zhi),但是操作復雜,生產率低,且對(dui)環境有(you)一(yi)定污(wu)染,磁(ci)痕觀察需(xu)要人工(gong)(gong)參與,檢(jian)測(ce)結果受檢(jian)測(ce)人員主觀意識和(he)操作經驗影響(xiang)(xiang),難以踐(jian)行統一(yi)的(de)質量標準;超聲檢(jian)測(ce)法在國(guo)外使用較為廣泛,歐洲已(yi)頒布相應檢(jian)測(ce)標準《EN12080:Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》,但超聲檢(jian)測(ce)法由于裂紋取向及聲耦合對(dui)其影響(xiang)(xiang)大,難以適應軸承套圈形狀(zhuang)(zhuang),檢(jian)測(ce)精度不(bu)高,需(xu)要檢(jian)測(ce)者有(you)豐富(fu)經驗,所(suo)以影響(xiang)(xiang)了其在國(guo)內市(shi)場的(de)推廣;渦流(liu)檢(jian)測(ce)法可實現非接觸式(shi)檢(jian)測(ce),但是受工(gong)(gong)件(jian)形狀(zhuang)(zhuang)影響(xiang)(xiang)大,且結果多以阻抗分析圖的(de)形式(shi)展現,不(bu)直(zhi)觀,多用于軸承圓柱滾子(zi)的(de)檢(jian)測(ce)。
為解決軸承(cheng)生產中(zhong)出現(xian)的實際問題(ti),下面介紹一種基于(yu)漏磁原理(li)的軸承(cheng)套(tao)圈裂紋檢測方法與裝置(zhi),可(ke)實現(xian)軸承(cheng)套(tao)圈的自動(dong)化高(gao)效檢測。
一、檢測(ce)原理
軸(zhou)承套圈作為一種精密(mi)零部件(jian),其表面質量(liang)較高,生產過程中產生的裂紋(wen)多呈現(xian)出(chu)開口窄、長度短、深(shen)度淺的特點,屬(shu)于(yu)典型(xing)的微小尺寸裂紋(wen)檢測(ce)問(wen)題(ti)。
1. 軸(zhou)承套圈的(de)材料、結(jie)構(gou)、待(dai)檢測部位及(ji)缺(que)陷形式(shi)
a. 軸承鋼的主要種類
1)高碳鉻(ge)軸承(cheng)鋼(gang):年產(chan)量約占軸承(cheng)鋼(gang)總(zong)產(chan)量的(de)80%,包(bao)含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列(lie),而其(qi)中GCr15 高碳鉻(ge)軸承(cheng)鋼(gang)由(you)德國于1905年研制(zhi)成功(gong),得到了廣泛應(ying)用。
2)滲(shen)碳軸承(cheng)鋼:經滲(shen)碳處理,兼具表面高硬高耐磨性(xing)(xing)及內部韌性(xing)(xing)。在美國(guo)的產量約占軸承(cheng)鋼總產量的30%,在中(zhong)國(guo)僅占3%左右。
3)中碳軸(zhou)承鋼:工(gong)藝相對簡(jian)單,且(qie)同樣(yang)達到表面(mian)硬化效果,近年來發展(zhan)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)材質或是(shi)相同(tong)(tong)材質、不(bu)同(tong)(tong)熱處理工(gong)藝均會對軸承鋼(gang)的(de)(de)磁化(hua)(hua)特(te)性產(chan)生巨大(da)影響,不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)磁化(hua)(hua)特(te)性對應不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)磁化(hua)(hua)裝置參(can)數,本(ben)書(shu)使(shi)用最為廣(guang)泛的(de)(de)GCr15軸承鋼(gang)作為研究(jiu)對象。
b. 軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的結構及待檢(jian)測(ce)部位 成(cheng)(cheng)品軸承(cheng)(cheng)(cheng)一(yi)般由(you)軸承(cheng)(cheng)(cheng)外套(tao)(tao)圈(quan)、軸承(cheng)(cheng)(cheng)內套(tao)(tao)圈(quan)、滾子保持架、滾子及附件組成(cheng)(cheng),軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)結構形式(shi)較為(wei)多樣,同一(yi)套(tao)(tao)裝(zhuang)備難以(yi)同時滿足所有類(lei)型軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)的檢(jian)測(ce)需求,研(yan)究其中使用較為(wei)廣泛的圓(yuan)錐滾子軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)具(ju)有重要意(yi)義(yi),相關(guan)研(yan)究方(fang)法可方(fang)便地變通之后推廣到其他類(lei)型軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)。
如圖7-62所(suo)示,圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)(zhui)滾(gun)子軸(zhou)承套圈(quan)(quan)為(wei)旋轉(zhuan)(zhuan)對稱(cheng)零(ling)件,外圈(quan)(quan)可看作由梯(ti)形繞中心軸(zhou)旋轉(zhuan)(zhuan)360°而成,上(shang)下端面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)環平面(mian)(mian),外表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian),內(nei)表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)(zhui)面(mian)(mian);內(nei)圈(quan)(quan)結構稍顯復雜,上(shang)下端面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)環平面(mian)(mian),外表面(mian)(mian)主體為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)(zhui)面(mian)(mian),沿軸(zhou)向兩端含工藝槽及滾(gun)子定位(wei)臺階,內(nei)表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)柱(zhu)面(mian)(mian)。

軸承外圈待檢(jian)測面(mian)包含內(nei)圓錐面(mian)1、外圓柱(zhu)面(mian)2、下端(duan)面(mian)3和上端(duan)面(mian)4。軸承內(nei)圈待檢(jian)測面(mian)包含外圓錐面(mian)1、內(nei)圓柱(zhu)面(mian)2、下端(duan)面(mian)3、上端(duan)面(mian)4。
c. 軸承(cheng)套圈的裂紋形(xing)式及(ji)產生原(yuan)因(yin)
1)材料(liao)(liao)裂(lie)紋:材料(liao)(liao)裂(lie)紋產(chan)生(sheng)的原因主要是內部氣泡、嚴重的非金屬夾(jia)雜等,沿軋制方(fang)向(xiang)呈(cheng)直線分布(bu),以表(biao)面裂(lie)紋或(huo)折(zhe)疊(die)(die)的形式呈(cheng)現,在內部走向(xiang)多指向(xiang)圓(yuan)心,且(qie)折(zhe)疊(die)(die)裂(lie)紋走向(xiang)與表(biao)面近(jin)乎(hu)平行,漏磁場(chang)微弱。
2)發(fa)紋(wen):材料表面(mian)或近表面(mian)毛(mao)發(fa)狀(zhuang)的細(xi)小裂(lie)紋(wen),由鋼錠皮(pi)下(xia)氣泡或夾雜引起。外觀細(xi)小,一般(ban)長1~3mm,目檢(jian)時不易發(fa)現。
3)鍛造(zao)(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen):包括鍛造(zao)(zao)(zao)折疊裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(切料不(bu)齊(qi)、毛刺(ci)、飛邊以(yi)及(ji)操作不(bu)當(dang)等(deng)原(yuan)因(yin)造(zao)(zao)(zao)成(cheng))、過(guo)(guo)燒(shao)(鍛件(jian)溫(wen)度(du)過(guo)(guo)高(gao)或保溫(wen)時間過(guo)(guo)長造(zao)(zao)(zao)成(cheng))、濕裂(lie)(lie)(停(ting)鍛溫(wen)度(du)較高(gao),冷(leng)卻時局部或全(quan)部碰到冷(leng)卻水而急冷(leng))、內(nei)裂(lie)(lie)(鍛造(zao)(zao)(zao)時加(jia)熱速(su)度(du)過(guo)(guo)快,表面升溫(wen)高(gao)而內(nei)部升溫(wen)慢引(yin)起,一般出現在壁厚較大(da)處)。鍛造(zao)(zao)(zao)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)較粗大(da),形狀不(bu)規則(ze),存在鍛件(jian)表面,磁化(hua)時漏磁場較弱,磁痕顯示不(bu)太(tai)清晰,剩磁法檢(jian)測容(rong)易產生漏檢(jian)。
4)淬(cui)火(huo)裂紋(wen):因淬(cui)火(huo)時(shi)產生的(de)熱(re)應力及組織應力引起,外貌(mao)極不規則,多在外徑上,嚴(yan)重時(shi)延伸到端面,一般較深。
5)磨(mo)削(xue)裂(lie)紋:磨(mo)削(xue)時冷卻(que)不良(liang),瞬時高溫引起表(biao)(biao)面應力集中(zhong),即(ji)會產生磨(mo)削(xue)裂(lie)紋,主要(yao)分(fen)布在(zai)端面、擋邊(bian)、滾道、內徑及打字(zi)處,外徑表(biao)(biao)面較少出現(xian),呈(cheng)現(xian)短、淺、細的特點(dian),與(yu)磨(mo)削(xue)方向垂直或(huo)成一定角度(du)。
2. 軸承套圈裂(lie)紋漏磁檢測系統的特(te)點
軸承(cheng)套圈裂紋漏磁檢(jian)(jian)測(ce)系統(tong)的優勢在于:可實(shi)現上下料(liao)、檢(jian)(jian)測(ce)、分選(xuan)、退磁一(yi)體化(hua)自動化(hua),極(ji)大地提高了檢(jian)(jian)測(ce)效率(lv),降低(di)了工人的勞動強度。
然而,在具體的工程實施中,存在以下(xia)要點及(ji)難點:
1)軸承套圈尺寸形狀規格繁多,如何實(shi)現通用化檢測或(huo)者實(shi)現一(yi)定范(fan)圍(wei)內的通用化檢測存(cun)在工(gong)程(cheng)實(shi)施難(nan)度(du)。
2)隨著軸(zhou)承(cheng)套圈加工工藝(yi)的提升,軸(zhou)承(cheng)套圈表(biao)面(mian)加工質量(liang)越來越高(gao),生產(chan)過(guo)程中(zhong)產(chan)生的裂(lie)(lie)紋(wen)多呈現出(chu)開口窄、深度(du)淺的特點(dian),屬于典型的微(wei)小尺寸裂(lie)(lie)紋(wen)檢(jian)測問題,提高(gao)磁化能(neng)力、提高(gao)傳感器檢(jian)測靈敏度(du)及空間分辨力、提高(gao)信(xin)號(hao)處理能(neng)力以在較強背(bei)景噪聲中(zhong)提取有效信(xin)號(hao)是關鍵。
3)軸(zhou)承套圈尤其(qi)是(shi)軸(zhou)承內圈的結構較為復(fu)雜,需從結構及布置方式(shi)著(zhu)手,減小提離值(zhi)并最(zui)大限度地覆蓋(gai)待檢(jian)測部(bu)位(wei)。
4)自(zi)動化生(sheng)(sheng)產線(xian)多為流水式,效率高(gao)、速(su)(su)度快,因(yin)此高(gao)速(su)(su)檢測工(gong)藝應簡潔高(gao)效,且可(ke)以順暢(chang)地與生(sheng)(sheng)產線(xian)相融合。
3. 軸承套圈(quan)漏磁檢測的勵(li)磁方(fang)法與裝置
軸(zhou)承套圈(quan)的(de)磁化方(fang)(fang)式(shi)直接和(he)漏(lou)磁場信(xin)號強弱相(xiang)關,其選(xuan)擇及(ji)設(she)計非(fei)常重要。常見的(de)軸(zhou)承套圈(quan)周向磁化方(fang)(fang)法有中心導體法、直接通電法和(he)繞電纜法,其優缺(que)點見表7-5。

對比之后不(bu)難看出,上述方(fang)(fang)法均(jun)不(bu)適用于自動化(hua)(hua)(hua)漏磁(ci)(ci)檢(jian)測,為此(ci)(ci),采用如(ru)圖(tu)7-63所示的軸(zhou)承周向(xiang)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)方(fang)(fang)法,磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)器由U形鐵心纏繞線圈制成,可(ke)更換的磁(ci)(ci)極(ji)可(ke)以(yi)滿足不(bu)同規格軸(zhou)承套(tao)圈的磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)需(xu)求。通(tong)過ANSYS仿真可(ke)以(yi)看出,此(ci)(ci)種磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)方(fang)(fang)式(shi)在遠離(li)磁(ci)(ci)極(ji)的位(wei)置可(ke)以(yi)獲得比較均(jun)勻的周向(xiang)磁(ci)(ci)場(chang),且該磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)器結構可(ke)以(yi)方(fang)(fang)便地與流水(shui)生產線相結合,便于實現自動化(hua)(hua)(hua)。

選用16種軸承套(tao)圈中橫(heng)截面積最(zui)大的27315EK 02軸承內圈,為(wei)保證(zheng)仿(fang)真順利進行,此處對仿(fang)真裂(lie)紋(wen)進行了一定的簡化,裂(lie)紋(wen)尺寸為(wei)0.5mm(寬)x0.mm(深)x3.0mm(長),x0.2mm上、下端面各1條裂(lie)紋(wen),沿軸向內表面等間(jian)距均勻(yun)分布3條裂(lie)紋(wen),外表面1條裂(lie)紋(wen)。周向磁化器仿(fang)真模(mo)型如圖(tu)7-64所示(shi)。
仿真結果如圖7-65所示,通(tong)過對(dui)比可(ke)知(zhi):
1)上端面和(he)內表(biao)面裂(lie)紋漏磁場B,分量(liang)圖(tu)像基本(ben)吻合,表(biao)明在(zai)該(gai)磁化(hua)方式及磁化(hua)強度下,上端面與內表(biao)面具有較(jiao)為一致的(de)磁化(hua)效果(guo)。
2)沿軸向等間(jian)距分(fen)(fen)布的內表面裂(lie)紋(wen)(wen)1、2、3漏磁場分(fen)(fen)量(liang)圖像基本吻合,表明在該磁化強(qiang)度下(xia),內表面磁化一致性較好,與裂(lie)紋(wen)(wen)離磁極的距離無關(guan)。
3)下端(duan)面(mian)裂(lie)紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B分(fen)量圖像(xiang)與外表面(mian)裂(lie)紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B,分(fen)量圖像(xiang)基本吻合(he),但(dan)是相比于上端(duan)面(mian)、內(nei)表面(mian)強度更(geng)小(xiao)。這是由(you)于下端(duan)面(mian)壁厚(hou)較大,而外表面(mian)由(you)于位于套(tao)圈(quan)外圍,距(ju)離(li)磁(ci)化場(chang)較遠,且磁(ci)場(chang)向空(kong)氣中擴散(san)更(geng)為嚴重。
為(wei)了(le)補償壁厚及(ji)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)高度(du)引(yin)起的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不一(yi)致(zhi),需(xu)要進一(yi)步加強磁(ci)(ci)(ci)化(hua)強度(du),使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承套(tao)(tao)圈(quan)(quan)達(da)到(dao)(dao)過(guo)飽(bao)和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態。然而在(zai)(zai)實際檢測過(guo)程中,使(shi)得(de)(de)軸(zhou)承套(tao)(tao)圈(quan)(quan)各個部分均達(da)到(dao)(dao)飽(bao)和(he)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)狀態需(xu)要極(ji)多(duo)的(de)(de)(de)線圈(quan)(quan)匝數(shu)或極(ji)大(da)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)電流,對于非定量軸(zhou)承套(tao)(tao)圈(quan)(quan)檢測而言,磁(ci)(ci)(ci)化(hua)的(de)(de)(de)意義(yi)在(zai)(zai)于使(shi)得(de)(de)最(zui)苛(ke)刻指標的(de)(de)(de)缺陷仍可(ke)得(de)(de)到(dao)(dao)較(jiao)理想的(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)即可(ke),磁(ci)(ci)(ci)化(hua)效果不一(yi)致(zhi)引(yin)起的(de)(de)(de)漏磁(ci)(ci)(ci)場信(xin)號不一(yi)致(zhi)可(ke)在(zai)(zai)軟件中予以修正。
如圖7-66所示,以(yi)GCr15(840℃油淬,190℃回火(huo))為(wei)例,根據電磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢測原(yuan)理,將(jiang)工件磁(ci)(ci)(ci)(ci)化至飽和(he)或(huo)近飽和(he)狀態時,有(you)利于裂紋漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場的(de)(de)形成與擴散,取近飽和(he)區的(de)(de)H=14800A/m點,此時對(dui)應(ying)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)感應(ying)強度B≈1.125125T。以(yi)16種軸承套圈(quan)中(zhong)橫截(jie)面(mian)積最大(533.5n5m㎡)的(de)(de)27315EK 02軸承內圈(quan)為(wei)例,大約(yue)為(wei)4075安匝。由(you)于本(ben)計算模(mo)型沒有(you)考慮泄漏到(dao)空氣中(zhong)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)通、磁(ci)(ci)(ci)(ci)滯損耗、渦流(liu)損耗,因此將(jiang)計算出的(de)(de)結果乘以(yi)安全(quan)系數(shu)1.1,磁(ci)(ci)(ci)(ci)化器εm=NI=4482安匝。線(xian)圈(quan)匝數(shu)為(wei)600,選用φ1.7mm銅線(xian)繞制而(er)成,通入7.5A的(de)(de)電流(liu)即可滿足(zu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化要求(qiu)。

根據上(shang)述計算結果,設計得到如圖7-67所示的周向勵磁裝置,磁極部分可(ke)更換(huan)以適(shi)應(ying)不同規(gui)格的軸(zhou)承(cheng)套圈,磁化器(qi)封罩用(yong)于保護(hu)內部漆包線,封罩上(shang)開百葉窗輔(fu)助散(san)熱,加裝軸(zhou)流式風扇散(san)熱以保證磁化器(qi)可(ke)長期工(gong)作。

二(er)、檢測探頭
圖7-68所示為永(yong)磁(ci)(ci)磁(ci)(ci)軛探(tan)頭(tou)(tou),它主要(yao)由磁(ci)(ci)頭(tou)(tou)、永(yong)磁(ci)(ci)鐵(tie)S極(ji)、永(yong)磁(ci)(ci)鐵(tie)N極(ji)、橋接銜(xian)鐵(tie)及隔(ge)(ge)片(pian)組(zu)成(cheng),隔(ge)(ge)片(pian)用(yong)于調節磁(ci)(ci)極(ji)間(jian)距。檢測時,“N極(ji)→軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)→S極(ji)→橋接銜(xian)鐵(tie)”形成(cheng)磁(ci)(ci)回(hui)路,如遇裂紋,漏磁(ci)(ci)場將被磁(ci)(ci)頭(tou)(tou)捕捉。永(yong)磁(ci)(ci)鐵(tie)尺寸為4mm×10mm×10mm正(zheng)對(dui)軸(zhou)承(cheng)套圈(quan),為磁(ci)(ci)極(ji)面。信號放(fang)大(da)電路為10×100倍兩級放(fang)大(da),軟件(jian)放(fang)大(da)500倍。
如圖7-69所示,檢測(ce)對(dui)象為GCr15軸承套(tao)圈,大端(duan)面(mian)刻(ke)蝕(shi)有寬(kuan)0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻(ke)槽(cao)。軸承套(tao)圈表面(mian)光滑(hua),無(wu)銹蝕(shi)。

不(bu)同磁(ci)(ci)極(ji)間距(ju)(ju)檢(jian)(jian)(jian)測結(jie)果對比(bi)如(ru)圖(tu)7-70所示。磁(ci)(ci)極(ji)間距(ju)(ju)15mm時(shi),可檢(jian)(jian)(jian)出信號(hao),但(dan)信噪比(bi)不(bu)高(gao),這(zhe)是由于(yu)磁(ci)(ci)極(ji)離磁(ci)(ci)心過近(jin)使(shi)之飽(bao)和的(de)緣故(gu);磁(ci)(ci)極(ji)間距(ju)(ju)17mm時(shi),可檢(jian)(jian)(jian)出信號(hao),且(qie)信噪比(bi)最佳;磁(ci)(ci)極(ji)間距(ju)(ju)19mm時(shi),不(bu)能檢(jian)(jian)(jian)出信號(hao)。永磁(ci)(ci)體尺寸換(huan)為6mm×10mm×10mn,其(qi)中6mm×10mm 正對軸承套圈,為磁(ci)(ci)極(ji)面時(shi),不(bu)能檢(jian)(jian)(jian)出信號(hao),同理這(zhe)也(ye)是磁(ci)(ci)心飽(bao)和的(de)緣故(gu)。
通過上(shang)(shang)述(shu)分析不難發(fa)現(xian),含磁心(xin)線圈(quan)用于(yu)檢測時,需(xu)特別注(zhu)意磁心(xin)飽(bao)和的(de)問題,局(ju)部磁化在一定程度上(shang)(shang)降(jiang)低了磁化成本(ben)和磁化難度,但(dan)是由(you)于(yu)磁化器(qi)(qi)距(ju)離傳感器(qi)(qi)較(jiao)近,對傳感器(qi)(qi)的(de)影響也較(jiao)大(da)。
短路磁(ci)通損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)磁(ci)心前端氣(qi)(qi)隙(xi)寬(kuan)度(du)g、深度(du)h有關;提離(li)(li)損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)提離(li)(li)值相(xiang)關,在(zai)實際(ji)工(gong)程(cheng)中體現(xian)在(zai)探(tan)頭(tou)耐磨層厚度(du)及(ji)探(tan)頭(tou)機構的設計;低頻損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)裂(lie)(lie)紋漏(lou)磁(ci)信號空間(jian)分(fen)布相(xiang)關,即與(yu)(yu)裂(lie)(lie)紋尺寸及(ji)磁(ci)化(hua)狀況相(xiang)關;氣(qi)(qi)隙(xi)寬(kuan)度(du)損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)與(yu)(yu)氣(qi)(qi)隙(xi)寬(kuan)度(du)g、裂(lie)(lie)紋漏(lou)磁(ci)信號空間(jian)分(fen)布相(xiang)關;方位角損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)可歸為提離(li)(li)損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao);磁(ci)滯損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)可忽略;渦(wo)流損(sun)(sun)(sun)(sun)耗(hao)可以從磁(ci)心材料、探(tan)頭(tou)工(gong)藝等方面(mian)著手降低。
因此,從探頭設計的角度出發,主要關(guan)注磁心(xin)前(qian)端氣隙寬度g、深度ha。
如圖7-71所示,磁(ci)頭(tou)式傳感器主要由線圈、兩片(pian)磁(ci)心主瓣(ban)(ban)、兩片(pian)磁(ci)心旁瓣(ban)(ban)組成(cheng),前端縫隙中墊(dian)入不同厚度的(de)POM塑料片(pian)即可(ke)得到不同的(de)氣隙寬度g,氣隙深(shen)度h。取(qu)決于機加(jia)工主瓣(ban)(ban)、旁瓣(ban)(ban)尺寸(cun)。

如圖7-72所示,為(wei)(wei)驗證(zheng)磁(ci)心前端氣隙深度(du)h。對信號的影響,制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭(tou)式傳感器,線(xian)圈匝數為(wei)(wei)400。人工傷的尺(chi)寸為(wei)(wei)(寬)×0.5mm(深)×10.0mm(長)。試驗過程中(zhong)使用(yong)的信號放(fang)大(da)(da)板為(wei)(wei)10×100倍(bei),軟件(jian)放(fang)大(da)(da)倍(bei)數為(wei)(wei)500倍(bei)。

所得原始信號經(jing)5階 Butterworth 濾波器濾波后,試驗結果如圖7-73所示(shi),信號峰-峰值與前端氣(qi)隙深(shen)度(du)h。近似成(cheng)反(fan)比(bi),氣(qi)隙深(shen)度(du)越(yue)小(xiao),越(yue)有利于檢測,然而氣(qi)隙深(shen)度(du)越(yue)小(xiao),探(tan)頭越(yue)不耐磨,因(yin)此實際的探(tan)頭制作中,需要在(zai)兩者之間做平衡取(qu)舍(she)。

如圖(tu)7-74所示,為(wei)驗證磁心(xin)前端氣(qi)隙寬度g對信(xin)號(hao)的影(ying)響(xiang),制作了氣(qi)隙深度ha=1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種(zhong)磁頭式傳感器,線圈匝數為(wei)400。人工傷的尺寸為(wei)0.1mm(寬))x0.5mm深)x10.0mm(長)。試驗過(guo)程中使用的信(xin)號(hao)放大板為(wei)10×100倍,軟件放大倍數為(wei)500倍。
試驗結果如圖7-75所(suo)示,氣(qi)(qi)隙寬(kuan)(kuan)度mm時(shi),信號(hao)峰-峰值Vpp最大(da);在(zai)氣(qi)(qi)隙寬(kuan)(kuan)度m時(shi)出(chu)(chu)現了“檢測(ce)勢(shi)井”,當氣(qi)(qi)隙寬(kuan)(kuan)度m時(shi),信號(hao)峰-峰值V在(zai)一定范(fan)圍內呈現出(chu)(chu)增長趨勢(shi)。這是由于在(zai)該(gai)試驗條件下,m時(shi)氣(qi)(qi)隙寬(kuan)(kuan)度損耗(hao)最大(da),因此(ci)無法有效檢出(chu)(chu)信號(hao)。該(gai)結果表(biao)明,應(ying)用(yong)磁頭(tou)式傳感器進行檢測(ce)時(shi),在(zai)裂紋漏磁信號(hao)空(kong)間分布未知的情況下,應(ying)該(gai)盡量減小前端(duan)氣(qi)(qi)隙寬(kuan)(kuan)度g,以防止(zhi)它與裂紋漏磁場空(kong)間分布出(chu)(chu)現耦合,形成(cheng)“檢測(ce)勢(shi)井”。

如圖7-76所示,縱向傷陣列傳感器主要由線(xian)圈、疊層磁心、隔(ge)離(li)片、屏蔽罩組成,探頭(tou)單元排成兩(liang)列并(bing)沿排布方向兩(liang)兩(liang)錯開一(yi)段距離(li),以消除單列探頭(tou)之間(jian)的探測盲區。

三、檢(jian)測裝備
整套裝(zhuang)備主(zhu)要分為(wei)檢測(ce)裝(zhuang)置、信號采(cai)集和處理(li)系(xi)統(tong)、PLC控制系(xi)統(tong)、外(wai)圍供(gong)(gong)電供(gong)(gong)氣系(xi)統(tong)、物料傳送以(yi)及(ji)上(shang)下(xia)料裝(zhuang)置五部(bu)分。本節的重(zhong)點在于檢測(ce)裝(zhuang)置、信號采(cai)集和處理(li)系(xi)統(tong)以(yi)及(ji)高速檢測(ce)工藝(yi)。
1. 總(zong)體(ti)方案
按照(zhao)功能(neng)劃(hua)分(fen)(fen),軸承套(tao)圈(quan)裂紋(wen)漏(lou)磁檢(jian)測(ce)裝備可以(yi)分(fen)(fen)為(wei)預置(zhi)、縱(zong)向傷檢(jian)測(ce)、剔除(chu)、退磁四(si)個主(zhu)(zhu)要工位。預置(zhi)工位為(wei)冗余(yu)過渡工位,當前可作為(wei)軸承套(tao)圈(quan)檢(jian)測(ce)流程(cheng)的過渡工位,將來可為(wei)周(zhou)向傷檢(jian)測(ce)裝置(zhi)提供安裝平(ping)臺(tai)。裝備主(zhu)(zhu)體-縱(zong)向檢(jian)測(ce)主(zhu)(zhu)機主(zhu)(zhu)要包(bao)括(kuo)五個部(bu)分(fen)(fen):軸承套(tao)圈(quan)驅(qu)動(dong)裝置(zhi)、磁化裝置(zhi)、陣(zhen)列探(tan)頭組件(jian)、信號調理采集處(chu)理系(xi)統以(yi)及自動(dong)化控制系(xi)統。
軸承套圈(quan)(quan)驅動(dong)裝置設計要點:以圓錐滾子軸承套圈(quan)(quan)為(wei)(wei)研究對(dui)象,其形(xing)(xing)狀規整,為(wei)(wei)圓環形(xing)(xing)零件,適合(he)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)檢(jian)(jian)測;表面光潔(jie),不(bu)(bu)需(xu)事先清潔(jie)處理;為(wei)(wei)便于實現工業(ye)自動(dong)化(hua),不(bu)(bu)同尺(chi)寸規格軸承套圈(quan)(quan)的(de)檢(jian)(jian)測工位及上下(xia)料工位最好一(yi)致。綜合(he)上述分析(xi),采(cai)用軸承套圈(quan)(quan)原地旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)、探頭貼合(he)檢(jian)(jian)測的(de)方式。
根據(ju)軸(zhou)承套圈漏(lou)磁(ci)檢測(ce)的(de)特點(dian),擬訂軸(zhou)承套圈高速自動化漏(lou)磁(ci)檢測(ce)工藝流程(cheng),如圖7-77所(suo)示(shi)。

軸承(cheng)套圈裂(lie)紋漏磁檢測裝備總體(ti)方案如圖7-78所(suo)示。


2. 檢測系統
檢(jian)測系(xi)統(tong)主要(yao)包括(kuo)縱向傷檢(jian)測裝置、剔除裝置和退(tui)磁裝置三(san)部分。
如(ru)圖7-79所示,縱向(xiang)傷檢測裝(zhuang)置可劃分為工件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)、規格調整、磁化(hua)、壓緊(jin)、檢測和剔除(chu)六大主體(ti)裝(zhuang)置。工件(jian)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)模塊的主要部件(jian)為驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun)L、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun)R、萬向(xiang)滾珠托架等。驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)機與(yu)齒輪(lun)直連,經由齒輪(lun)組變速、變轉矩之(zhi)后傳遞給(gei)兩(liang)個(ge)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)輪(lun),在壓緊(jin)模塊的配(pei)合下,摩(mo)擦(ca)帶動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)軸承套圈原(yuan)地(di)旋轉。
規(gui)格調整(zheng)裝置(zhi)主要由(you)手(shou)輪、減速機、梯形(xing)絲杠、梯形(xing)螺(luo)母(mu)及壓緊軸承(cheng)安(an)裝座等構成。如圖7-80所示,由(you)于上下料機械(xie)手(shou)與(yu)檢測裝置(zhi)之間的距離相(xiang)對固定,為保(bao)證所有規(gui)格軸承(cheng)套圈(quan)上下料工(gong)(gong)位位置(zhi)相(xiang)同,更換(huan)軸承(cheng)套圈(quan)時(shi),需要調整(zheng)設備狀態(tai)。減速機起變(bian)速、變(bian)向的作用,30°梯形(xing)絲杠螺(luo)母(mu)機構既可傳動,也可自(zi)鎖,壓緊軸承(cheng)安(an)裝座上開腰(yao)形(xing)通孔,可以調整(zheng)壓緊軸承(cheng)與(yu)上下料工(gong)(gong)位之間的距離,適應軸承(cheng)套圈(quan)規(gui)格的變(bian)化。

磁(ci)化(hua)裝置主要由磁(ci)化(hua)線圈(quan)、磁(ci)極、磁(ci)化(hua)器固定架(jia)和工(gong)業(ye)風扇等(deng)組成。磁(ci)極可更換規(gui)格,以配合(he)軸承套圈(quan)規(gui)格的(de)變化(hua)。工(gong)業(ye)現場常常要求設(she)備具(ju)有連續(xu)工(gong)作能力(li),因此(ci)磁(ci)化(hua)線圈(quan)的(de)散熱(re)問題需要重視(shi),此(ci)處采(cai)用軸流(liu)式工(gong)業(ye)風扇散熱(re)。
如圖7-81所示(shi),壓(ya)(ya)緊(jin)裝置(zhi)主要由壓(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸、壓(ya)(ya)緊(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)安裝座(zuo)、萬向(xiang)滾(gun)珠托(tuo)架和可(ke)(ke)擺(bai)動(dong)式壓(ya)(ya)緊(jin)總成(cheng)構成(cheng)。壓(ya)(ya)緊(jin)氣(qi)缸在(zai)檢測過(guo)程(cheng)中提(ti)供持續(xu)的壓(ya)(ya)緊(jin)力,萬向(xiang)滾(gun)珠托(tuo)舉軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan),減小其在(zai)原地(di)旋轉(zhuan)過(guo)程(cheng)中的摩擦力,雙驅動(dong)輪(lun)(lun)加雙壓(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)(lun)的設計雖(sui)然更加可(ke)(ke)靠,但是存在(zai)過(guo)定(ding)位的問題,因(yin)此壓(ya)(ya)緊(jin)模塊設計為可(ke)(ke)擺(bai)動(dong)式。下端面(mian)探(tan)頭陣列置(zhi)于壓(ya)(ya)緊(jin)輪(lun)(lun)之間,規格(ge)調(diao)整時跟(gen)隨(sui)軸(zhou)(zhou)承(cheng)一(yi)起移動(dong),可(ke)(ke)覆蓋所有系列軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)(quan)下端面(mian)。

如圖7-82所示,檢測裝(zhuang)置(zhi)主要由(you)(you)(you)(you)外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)、下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)及(ji)(ji)其動(dong)(dong)(dong)作機(ji)構(gou)組成(cheng)。其中,外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)由(you)(you)(you)(you)氣缸(gang)(gang)帶動(dong)(dong)(dong),實現貼(tie)合(he)及(ji)(ji)分(fen)離(li)工件(jian),連接(jie)(jie)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)氣缸(gang)(gang)的(de)(de)(de)零件(jian)可拆卸(xie),方便工件(jian)規格(ge)變(bian)化時(shi)更換相應(ying)的(de)(de)(de)外(wai)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou);內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于(yu)(yu)擺(bai)臂(bei)一(yi)端(duan)(duan),擺(bai)臂(bei)由(you)(you)(you)(you)迷(mi)你氣缸(gang)(gang)帶動(dong)(dong)(dong),實現貼(tie)合(he)及(ji)(ji)分(fen)離(li)動(dong)(dong)(dong)作;上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)鉸接(jie)(jie)于(yu)(yu)浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿一(yi)端(duan)(duan),浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)導桿內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)簧(huang),可以適應(ying)不同軸承(cheng)套圈(quan)(quan)(quan)高度的(de)(de)(de)變(bian)化并提供(gong)持(chi)續的(de)(de)(de)壓緊(jin)(jin)(jin)力;內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)與(yu)(yu)上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)固(gu)定(ding)在(zai)軸承(cheng)套圈(quan)(quan)(quan)上(shang)方的(de)(de)(de)鋁(lv)型(xing)材(cai)上(shang),并且可沿(yan)鋁(lv)型(xing)材(cai)調整(zheng)位置(zhi);鋁(lv)型(xing)材(cai)由(you)(you)(you)(you)氣動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺(tai)帶動(dong)(dong)(dong),可上(shang)下(xia)移(yi)動(dong)(dong)(dong)。檢測前(qian),固(gu)定(ding)于(yu)(yu)鋁(lv)型(xing)材(cai)上(shang)的(de)(de)(de)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)(ji)上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)處(chu)于(yu)(yu)高位,軸承(cheng)套圈(quan)(quan)(quan)上(shang)料到(dao)位后,氣動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺(tai)動(dong)(dong)(dong)作,內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)(ji)上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)處(chu)于(yu)(yu)低位,其中上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)(jin)(jin)上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)。隨(sui)后,迷(mi)你氣缸(gang)(gang)動(dong)(dong)(dong)作,經由(you)(you)(you)(you)擺(bai)臂(bei)帶動(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊(jin)(jin)(jin)內(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)固(gu)定(ding)于(yu)(yu)兩壓緊(jin)(jin)(jin)軸承(cheng)之(zhi)間,可隨(sui)壓緊(jin)(jin)(jin)軸承(cheng)安裝(zhuang)座一(yi)起調整(zheng),長度方向(xiang)足以覆蓋該系列(lie)(lie)所有(you)軸承(cheng)套圈(quan)(quan)(quan)下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian),陣(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)(nei)置(zhi)彈(dan)簧(huang),可實現浮(fu)(fu)動(dong)(dong)(dong)壓緊(jin)(jin)(jin),內(nei)(nei)(nei)置(zhi)緊(jin)(jin)(jin)定(ding)螺釘,用于(yu)(yu)調節彈(dan)簧(huang)壓緊(jin)(jin)(jin)力。

如圖(tu)7-83所(suo)示,剔(ti)除(chu)裝置主(zhu)要由剔(ti)除(chu)氣缸(gang)、氣缸(gang)導(dao)桿、分(fen)料(liao)(liao)板(ban)和廢(fei)品收集(ji)槽組(zu)成(cheng)。縱(zong)向(xiang)缺(que)陷檢(jian)測(ce)裝置檢(jian)測(ce)完畢后(hou),向(xiang)PLC控制系統反饋相應信息。若軸(zhou)承套圈檢(jian)測(ce)為合格,則(ze)剔(ti)除(chu)氣缸(gang)不動作,機(ji)(ji)械手抓取(qu)(qu)工(gong)件在(zai)分(fen)料(liao)(liao)板(ban)上(shang)(shang)方停留一段(duan)時間之后(hou)運(yun)往下一工(gong)位(退(tui)磁工(gong)位);若軸(zhou)承套圈檢(jian)測(ce)為不合格,則(ze)剔(ti)除(chu)氣缸(gang)動作,帶動分(fen)料(liao)(liao)板(ban)上(shang)(shang)升,機(ji)(ji)械手抓取(qu)(qu)工(gong)件將其丟人到(dao)廢(fei)品收集(ji)槽中。

3. 高速(su)自(zi)動化檢測工藝
如圖7-84所示,系(xi)統采用流水線式工藝流程(cheng),預置工位(wei)、縱向傷檢測工位(wei)、剔除工位(wei)、退磁工位(wei)依次排開,機械手組(zu)件將四(si)個工位(wei)有機聯系(xi)起(qi)來(lai)。

四、現場應用
上述檢測系統在現場應(ying)用如圖7-85所示。

測試(shi)樣(yang)品及測試(shi)結果(guo)如圖7-86與圖7-87所示。測試(shi)結果(guo)表明(ming),軸承套(tao)圈裂紋漏磁檢測裝置(zhi)具有良好的檢測靈敏(min)度與可靠性,檢測效率高。


