軸承作為重要的機械基礎(chu)件，其(qi)質量直接決定著機械產品的性(xing)能以及(ji)可靠性(xing)。國家工(gong)信部規(gui)劃(hua)司在機械領域“三基”（機械基礎(chu)件、基礎(chu)制造工(gong)藝和(he)基礎(chu)材(cai)料）產業“十二(er)五”發展規(gui)劃(hua)中(zhong)明確(que)，指出圍繞重大裝(zhuang)備(bei)和(he)高(gao)端裝(zhuang)備(bei)配套(tao)需求，重點發展高(gao)速、精(jing)密(mi)、重載軸承。
軸(zhou)(zhou)承作為(wei)機械裝置(zhi)中(zhong)最(zui)常用也最(zui)重要的(de)零部件之一，其失效將直接導致設備(bei)故(gu)(gu)障(zhang)、生產(chan)受阻(zu)甚至(zhi)是(shi)人員(yuan)傷(shang)亡(wang)。據統(tong)計，在旋轉機械的(de)現場(chang)故(gu)(gu)障(zhang)中(zhong)，由于軸(zhou)(zhou)承套圈損(sun)傷(shang)而引起的(de)故(gu)(gu)障(zhang)大約(yue)占30％，其中(zhong)大約(yue)90％的(de)故(gu)(gu)障(zhang)來(lai)自(zi)軸(zhou)(zhou)承套圈的(de)裂紋。因此(ci)提(ti)高軸(zhou)(zhou)承套圈的(de)裂紋檢測能力尤(you)為(wei)重要。
目前，軸(zhou)承套(tao)圈檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)方法(fa)(fa)主要有磁粉檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)、超(chao)(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流(liu)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)、機(ji)器視覺法(fa)(fa)、巴克(ke)豪森法(fa)(fa)、聲(sheng)發(fa)射檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)等。其(qi)中，磁粉檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)、超(chao)(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)、渦流(liu)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)(fa)使(shi)用較為(wei)普(pu)遍。
磁粉檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)驗(yan)靈敏(min)度高，缺陷(xian)顯示直觀(guan)，不(bu)受工件(jian)大小和形狀的(de)限(xian)制(zhi)，但是操作(zuo)(zuo)復雜，生(sheng)產率低，且(qie)對環境有一定污染，磁痕觀(guan)察需要人工參與，檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)結(jie)果受檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)人員主(zhu)觀(guan)意識(shi)和操作(zuo)(zuo)經驗(yan)影(ying)(ying)(ying)響，難(nan)以(yi)(yi)踐行統一的(de)質(zhi)量標準(zhun)；超聲檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法在(zai)國外使用較為廣泛，歐洲已頒布相應(ying)(ying)檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)標準(zhun)《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法由于(yu)(yu)裂紋取(qu)向及聲耦(ou)合(he)對其影(ying)(ying)(ying)響大，難(nan)以(yi)(yi)適應(ying)(ying)軸(zhou)承套圈(quan)形狀，檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)精度不(bu)高，需要檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)者有豐富經驗(yan)，所以(yi)(yi)影(ying)(ying)(ying)響了其在(zai)國內市(shi)場的(de)推廣；渦流檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)法可實現非接(jie)觸式檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)，但是受工件(jian)形狀影(ying)(ying)(ying)響大，且(qie)結(jie)果多以(yi)(yi)阻(zu)抗分析圖的(de)形式展現，不(bu)直觀(guan)，多用于(yu)(yu)軸(zhou)承圓柱滾子的(de)檢(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)。
為解決軸承(cheng)生產中出現的實際(ji)問題，下面介紹(shao)一種基于漏磁原理的軸承(cheng)套(tao)圈裂紋檢測(ce)方法與(yu)裝置，可(ke)實現軸承(cheng)套(tao)圈的自動(dong)化高效檢測(ce)。
一(yi)、檢測原理
軸承套圈作為一種(zhong)精密零部件，其表面質量較(jiao)高，生產過(guo)程中產生的(de)裂紋多呈現出開口窄、長(chang)度短、深度淺的(de)特點，屬于典型(xing)的(de)微小尺寸裂紋檢測(ce)問題。
1. 軸承套圈的材料、結(jie)構、待檢測部位及(ji)缺陷形式
a. 軸承鋼的(de)主要種類
1）高碳鉻軸承(cheng)(cheng)鋼：年(nian)產量約占(zhan)軸承(cheng)(cheng)鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳鉻軸承(cheng)(cheng)鋼由德國于1905年(nian)研制成功，得(de)到(dao)了廣泛應(ying)用。
2）滲(shen)碳(tan)軸承(cheng)鋼(gang)：經滲(shen)碳(tan)處理，兼具表面(mian)高硬(ying)高耐磨性及內部韌性。在美國(guo)的(de)產量(liang)約占軸承(cheng)鋼(gang)總產量(liang)的(de)30％，在中國(guo)僅(jin)占3％左(zuo)右。
3）中碳軸(zhou)承(cheng)鋼(gang)：工(gong)藝相對簡單，且(qie)同樣達到表(biao)面硬化效果，近年(nian)來(lai)發展較快。
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(zhi)或是相(xiang)同(tong)材質(zhi)、不同(tong)熱(re)處理工藝均會對軸承鋼的(de)磁化(hua)特(te)性(xing)產生巨大影響，不同(tong)的(de)磁化(hua)特(te)性(xing)對應不同(tong)的(de)磁化(hua)裝置(zhi)參數，本書使(shi)用(yong)最為廣泛(fan)的(de)GCr15軸承鋼作為研(yan)究對象(xiang)。
b. 軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)的(de)結構及(ji)待檢測(ce)部位 成品軸承(cheng)一(yi)般由軸承(cheng)外套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)、軸承(cheng)內套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)、滾子(zi)保持架、滾子(zi)及(ji)附件組成，軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)結構形式較為多樣，同(tong)一(yi)套(tao)(tao)(tao)裝備難以同(tong)時(shi)滿足(zu)所有(you)(you)類型(xing)軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)的(de)檢測(ce)需求，研究其中(zhong)使用較為廣(guang)泛(fan)的(de)圓錐滾子(zi)軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)具有(you)(you)重要意義，相關研究方法(fa)可方便地變通之(zhi)后推廣(guang)到其他類型(xing)軸承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)(quan)。
如圖7-62所示，圓(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)滾子軸(zhou)承套圈為(wei)旋轉對(dui)稱零件(jian)，外圈可看作由梯形繞中心軸(zhou)旋轉360°而成，上下端(duan)面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)環(huan)平面(mian)(mian)，外表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)；內(nei)圈結構稍顯(xian)復雜(za)，上下端(duan)面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)環(huan)平面(mian)(mian)，外表(biao)面(mian)(mian)主體為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)，沿(yan)軸(zhou)向(xiang)兩端(duan)含工(gong)藝槽及(ji)滾子定位臺階，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)。
軸承(cheng)外圈待檢測(ce)面(mian)(mian)包(bao)含(han)內圓(yuan)(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)1、外圓(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)3和上端面(mian)(mian)4。軸承(cheng)內圈待檢測(ce)面(mian)(mian)包(bao)含(han)外圓(yuan)(yuan)錐(zhui)面(mian)(mian)1、內圓(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)3、上端面(mian)(mian)4。
c. 軸承套圈的裂紋(wen)形(xing)式及產生(sheng)原因(yin)
1）材(cai)料(liao)裂紋：材(cai)料(liao)裂紋產生的原因主(zhu)要(yao)是內部氣泡(pao)、嚴重的非金(jin)屬夾雜等，沿(yan)軋制(zhi)方向(xiang)呈直線(xian)分(fen)布，以(yi)表面裂紋或折疊的形(xing)式(shi)呈現(xian)，在內部走(zou)(zou)向(xiang)多指向(xiang)圓心，且折疊裂紋走(zou)(zou)向(xiang)與表面近乎(hu)平行，漏磁場微弱(ruo)。
2）發(fa)紋：材料表(biao)面或近(jin)表(biao)面毛(mao)發(fa)狀(zhuang)的細(xi)(xi)小裂紋，由(you)鋼錠(ding)皮(pi)下氣泡或夾雜引起。外觀細(xi)(xi)小，一(yi)般(ban)長1～3mm，目檢時不易發(fa)現(xian)。
3）鍛(duan)造(zao)(zao)(zao)(zao)裂紋(wen)：包括鍛(duan)造(zao)(zao)(zao)(zao)折疊裂紋(wen)（切料(liao)不(bu)齊、毛刺、飛邊以及操作不(bu)當(dang)等原因造(zao)(zao)(zao)(zao)成）、過(guo)燒（鍛(duan)件溫(wen)(wen)(wen)度(du)過(guo)高(gao)或保溫(wen)(wen)(wen)時間過(guo)長(chang)造(zao)(zao)(zao)(zao)成）、濕(shi)裂（停(ting)鍛(duan)溫(wen)(wen)(wen)度(du)較(jiao)(jiao)高(gao)，冷卻(que)時局部或全部碰到冷卻(que)水而(er)急冷）、內裂（鍛(duan)造(zao)(zao)(zao)(zao)時加熱(re)速度(du)過(guo)快，表(biao)面(mian)升溫(wen)(wen)(wen)高(gao)而(er)內部升溫(wen)(wen)(wen)慢引(yin)起，一般出現在壁厚較(jiao)(jiao)大處）。鍛(duan)造(zao)(zao)(zao)(zao)裂紋(wen)較(jiao)(jiao)粗大，形(xing)狀不(bu)規(gui)則，存在鍛(duan)件表(biao)面(mian)，磁(ci)化(hua)時漏(lou)磁(ci)場較(jiao)(jiao)弱，磁(ci)痕顯示不(bu)太清(qing)晰，剩磁(ci)法檢測容易產生漏(lou)檢。
4）淬火裂紋：因淬火時(shi)產生的熱應(ying)力及組織應(ying)力引起，外(wai)貌(mao)極(ji)不規則(ze)，多在(zai)外(wai)徑上，嚴重時(shi)延伸到端面(mian)，一(yi)般(ban)較深。
5）磨(mo)削裂紋(wen)：磨(mo)削時冷卻不良，瞬時高(gao)溫(wen)引起表面應力集(ji)中，即會產(chan)生磨(mo)削裂紋(wen)，主要分布在端面、擋(dang)邊、滾道、內徑(jing)及打字(zi)處，外徑(jing)表面較(jiao)少出現，呈現短、淺、細的特點，與(yu)磨(mo)削方(fang)向垂直或成一(yi)定角度(du)。
2. 軸承套圈(quan)裂紋漏磁檢測系統的特點(dian)
軸承套(tao)圈裂紋漏磁檢(jian)(jian)測(ce)系統的優勢(shi)在于：可實(shi)現上下料、檢(jian)(jian)測(ce)、分選(xuan)、退(tui)磁一體化(hua)自(zi)動(dong)化(hua)，極大(da)地提高了檢(jian)(jian)測(ce)效(xiao)率，降低了工人的勞動(dong)強度(du)。
然而，在具體(ti)的工程實施中，存在以下要點及難點：
1）軸承套(tao)圈尺寸形狀規格繁多，如(ru)何實現通(tong)(tong)用化檢測或(huo)者實現一(yi)定范圍內的通(tong)(tong)用化檢測存在工程(cheng)實施難度。
2）隨著軸承套圈(quan)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)的提(ti)升，軸承套圈(quan)表面加(jia)工(gong)質量(liang)越來越高(gao)，生(sheng)產過程中產生(sheng)的裂(lie)紋(wen)多呈現出開口(kou)窄、深(shen)度(du)淺(qian)的特點，屬于典型的微小尺(chi)寸(cun)裂(lie)紋(wen)檢測問題，提(ti)高(gao)磁化能力(li)、提(ti)高(gao)傳感器檢測靈(ling)敏度(du)及(ji)空間分辨力(li)、提(ti)高(gao)信(xin)號處理能力(li)以(yi)在較強(qiang)背景(jing)噪聲(sheng)中提(ti)取有效信(xin)號是關(guan)鍵。
3）軸(zhou)承套(tao)圈尤其是軸(zhou)承內圈的結構(gou)較為復雜(za)，需從結構(gou)及布置方式(shi)著(zhu)手，減小提離值并最(zui)大限度地覆蓋(gai)待檢測部位。
4）自動化生產(chan)線多為(wei)流水(shui)式，效(xiao)率高(gao)、速度快(kuai)，因此高(gao)速檢測工藝應簡潔(jie)高(gao)效(xiao)，且可以順暢地與生產(chan)線相融合。
3. 軸承套(tao)圈漏磁(ci)檢測的勵磁(ci)方(fang)法(fa)與裝(zhuang)置(zhi)
軸承套圈的磁(ci)化(hua)方(fang)式直(zhi)接(jie)和漏磁(ci)場信號強弱相關，其選擇及設計非常重要(yao)。常見的軸承套圈周向磁(ci)化(hua)方(fang)法有中心導體法、直(zhi)接(jie)通電法和繞電纜法，其優缺點見表7-5。
對比(bi)之后不(bu)難看出，上述方(fang)法均(jun)不(bu)適用于(yu)自動(dong)化(hua)(hua)漏磁(ci)(ci)(ci)檢測，為此(ci)，采(cai)用如圖7-63所示的(de)軸承周向磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)方(fang)法，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器由U形鐵(tie)心纏繞線圈制成，可(ke)(ke)更換的(de)磁(ci)(ci)(ci)極可(ke)(ke)以滿足不(bu)同規格軸承套(tao)圈的(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)需求。通過ANSYS仿真可(ke)(ke)以看出，此(ci)種磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)方(fang)式在遠離(li)磁(ci)(ci)(ci)極的(de)位置可(ke)(ke)以獲得比(bi)較均(jun)勻的(de)周向磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，且該(gai)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器結構(gou)可(ke)(ke)以方(fang)便地與流水生(sheng)產線相結合，便于(yu)實(shi)現自動(dong)化(hua)(hua)。
選用16種軸承(cheng)套圈中橫截面積(ji)最(zui)大的27315EK 02軸承(cheng)內圈，為(wei)(wei)保證仿(fang)(fang)真順利進(jin)行，此處(chu)對仿(fang)(fang)真裂紋(wen)(wen)進(jin)行了一定(ding)的簡化，裂紋(wen)(wen)尺寸為(wei)(wei)0.5mm（寬）x0．mm（深）x3.0mm（長），x0.2mm上、下(xia)端(duan)面各1條(tiao)裂紋(wen)(wen)，沿軸向(xiang)內表(biao)面等間距均勻(yun)分(fen)布3條(tiao)裂紋(wen)(wen)，外(wai)表(biao)面1條(tiao)裂紋(wen)(wen)。周向(xiang)磁化器(qi)仿(fang)(fang)真模(mo)型如圖(tu)7-64所示。
仿真結果如圖7-65所示(shi)，通過對比可知：
1）上(shang)端面和內(nei)表(biao)面裂紋(wen)漏(lou)磁場B，分量圖(tu)像基本吻合，表(biao)明在該磁化(hua)方式及磁化(hua)強(qiang)度下，上(shang)端面與內(nei)表(biao)面具有較為一致(zhi)的磁化(hua)效果。
2）沿軸向等間距(ju)分布的(de)內(nei)表(biao)面(mian)裂(lie)紋1、2、3漏磁(ci)(ci)場分量(liang)圖像(xiang)基本(ben)吻合，表(biao)明在該磁(ci)(ci)化強(qiang)度下，內(nei)表(biao)面(mian)磁(ci)(ci)化一致(zhi)性較好，與裂(lie)紋離(li)磁(ci)(ci)極的(de)距(ju)離(li)無關。
3）下端面(mian)裂紋(wen)漏磁場(chang)B分(fen)量圖像與外(wai)表面(mian)裂紋(wen)漏磁場(chang)B,分(fen)量圖像基本(ben)吻合，但(dan)是(shi)相(xiang)比于(yu)上(shang)端面(mian)、內表面(mian)強度更小。這是(shi)由于(yu)下端面(mian)壁厚較大，而外(wai)表面(mian)由于(yu)位于(yu)套(tao)圈外(wai)圍，距離磁化場(chang)較遠，且磁場(chang)向空(kong)氣中(zhong)擴(kuo)散(san)更為嚴重。
為了補償壁厚(hou)及套(tao)圈(quan)(quan)(quan)(quan)高度引(yin)起的磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)效果不一(yi)致(zhi)，需(xu)要進一(yi)步(bu)加(jia)強(qiang)(qiang)磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)強(qiang)(qiang)度，使(shi)(shi)得軸承套(tao)圈(quan)(quan)(quan)(quan)達(da)到過(guo)飽和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)狀(zhuang)態(tai)。然(ran)而在實際檢測過(guo)程中，使(shi)(shi)得軸承套(tao)圈(quan)(quan)(quan)(quan)各個部分(fen)均達(da)到飽和磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)狀(zhuang)態(tai)需(xu)要極多的線圈(quan)(quan)(quan)(quan)匝數或極大的磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)電(dian)流(liu)，對于非定量軸承套(tao)圈(quan)(quan)(quan)(quan)檢測而言，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)的意義(yi)在于使(shi)(shi)得最苛刻指標的缺陷仍(reng)可得到較理想的信(xin)噪比即可，磁(ci)(ci)化(hua)(hua)(hua)效果不一(yi)致(zhi)引(yin)起的漏磁(ci)(ci)場(chang)信(xin)號(hao)不一(yi)致(zhi)可在軟件(jian)中予以修正(zheng)。
如圖7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回(hui)火）為例，根據電磁(ci)(ci)(ci)檢(jian)測原理，將(jiang)工件磁(ci)(ci)(ci)化至飽和(he)或近(jin)飽和(he)狀態時，有利(li)于裂紋漏磁(ci)(ci)(ci)場的(de)形(xing)成(cheng)與擴散(san)，取近(jin)飽和(he)區(qu)的(de)H＝14800A／m點，此(ci)時對應的(de)磁(ci)(ci)(ci)感應強度B≈1.125125T。以16種軸(zhou)承套(tao)圈中橫截面(mian)積最大(da)(da)(533.5n5m㎡)的(de)27315EK 02軸(zhou)承內圈為例，大(da)(da)約為4075安匝(za)。由于本(ben)計算(suan)(suan)模(mo)型沒有考慮泄漏到空氣(qi)中的(de)磁(ci)(ci)(ci)通、磁(ci)(ci)(ci)滯損(sun)耗、渦(wo)流損(sun)耗，因此(ci)將(jiang)計算(suan)(suan)出的(de)結果乘以安全系數(shu)1.1，磁(ci)(ci)(ci)化器εm=NI=4482安匝(za)。線(xian)圈匝(za)數(shu)為600，選用φ1.7mm銅線(xian)繞制而成(cheng)，通入7.5A的(de)電流即可滿(man)足磁(ci)(ci)(ci)化要(yao)求。
根據(ju)上述計算結果，設(she)計得(de)到如(ru)圖7-67所示的(de)周向勵磁(ci)(ci)(ci)裝(zhuang)置(zhi)，磁(ci)(ci)(ci)極部(bu)分(fen)可(ke)更(geng)換以適(shi)應(ying)不同規格(ge)的(de)軸承套圈，磁(ci)(ci)(ci)化器封(feng)罩(zhao)用于保護(hu)內部(bu)漆(qi)包線，封(feng)罩(zhao)上開(kai)百葉窗輔助散(san)熱，加裝(zhuang)軸流式風(feng)扇散(san)熱以保證磁(ci)(ci)(ci)化器可(ke)長期工(gong)作。
二、檢測探頭
圖7-68所示為(wei)(wei)永磁磁軛探頭，它主要由磁頭、永磁鐵(tie)(tie)S極(ji)(ji)(ji)、永磁鐵(tie)(tie)N極(ji)(ji)(ji)、橋接(jie)銜鐵(tie)(tie)及(ji)隔片(pian)組成，隔片(pian)用于調節磁極(ji)(ji)(ji)間距(ju)。檢測時，“N極(ji)(ji)(ji)→軸承(cheng)套(tao)圈→S極(ji)(ji)(ji)→橋接(jie)銜鐵(tie)(tie)”形成磁回(hui)路(lu)，如(ru)遇裂紋，漏(lou)磁場將(jiang)被(bei)磁頭捕捉。永磁鐵(tie)(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承(cheng)套(tao)圈，為(wei)(wei)磁極(ji)(ji)(ji)面。信號放(fang)(fang)(fang)大電路(lu)為(wei)(wei)10×100倍兩級放(fang)(fang)(fang)大，軟件放(fang)(fang)(fang)大500倍。
如圖7-69所(suo)示，檢測對(dui)象為GCr15軸(zhou)承套圈(quan)，大端(duan)面刻蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的(de)人工刻槽(cao)。軸(zhou)承套圈(quan)表面光滑，無銹(xiu)蝕(shi)。
不同(tong)磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)間距檢測(ce)結(jie)果對(dui)比如(ru)圖7-70所示。磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)間距15mm時，可檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，但信(xin)(xin)噪比不高，這(zhe)是(shi)由于(yu)磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)離磁(ci)心(xin)過近使之(zhi)飽和的(de)緣故；磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)間距17mm時，可檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，且信(xin)(xin)噪比最佳；磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)間距19mm時，不能檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)。永磁(ci)體尺寸(cun)換(huan)為(wei)6mm×10mm×10mn，其中6mm×10mm 正對(dui)軸承套(tao)圈，為(wei)磁(ci)極(ji)(ji)(ji)(ji)面時，不能檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，同(tong)理這(zhe)也是(shi)磁(ci)心(xin)飽和的(de)緣故。
通過(guo)上述分析不(bu)難發現，含磁(ci)心(xin)線圈用于檢測時，需特別(bie)注意(yi)磁(ci)心(xin)飽和的(de)問題，局部磁(ci)化(hua)在一定程度(du)(du)上降(jiang)低了磁(ci)化(hua)成本和磁(ci)化(hua)難度(du)(du)，但是由于磁(ci)化(hua)器距離傳感器較(jiao)近，對傳感器的(de)影響也較(jiao)大。
短路磁(ci)通損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與磁(ci)心前端(duan)氣(qi)隙(xi)寬度(du)g、深度(du)h有關(guan)；提離損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與提離值相(xiang)關(guan)，在(zai)實際工(gong)程中體現在(zai)探(tan)(tan)頭(tou)耐磨層厚度(du)及(ji)探(tan)(tan)頭(tou)機(ji)構(gou)的設計；低(di)頻損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與裂紋漏(lou)磁(ci)信(xin)號空間(jian)分布相(xiang)關(guan)，即與裂紋尺寸及(ji)磁(ci)化狀況相(xiang)關(guan)；氣(qi)隙(xi)寬度(du)損(sun)(sun)耗(hao)(hao)與氣(qi)隙(xi)寬度(du)g、裂紋漏(lou)磁(ci)信(xin)號空間(jian)分布相(xiang)關(guan)；方位角損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可(ke)(ke)歸為提離損(sun)(sun)耗(hao)(hao)；磁(ci)滯損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可(ke)(ke)忽略；渦流損(sun)(sun)耗(hao)(hao)可(ke)(ke)以從磁(ci)心材料、探(tan)(tan)頭(tou)工(gong)藝等方面著(zhu)手降(jiang)低(di)。
因此，從(cong)探頭設計(ji)的角度(du)出發，主要(yao)關注磁心前端氣隙寬度(du)g、深度(du)ha。
如圖7-71所示，磁(ci)頭式傳感(gan)器主(zhu)(zhu)要由(you)線圈、兩(liang)片(pian)磁(ci)心(xin)主(zhu)(zhu)瓣(ban)(ban)(ban)、兩(liang)片(pian)磁(ci)心(xin)旁瓣(ban)(ban)(ban)組成，前(qian)端(duan)縫隙(xi)中墊入不同(tong)厚度的(de)POM塑(su)料片(pian)即可(ke)得到(dao)不同(tong)的(de)氣(qi)隙(xi)寬度g，氣(qi)隙(xi)深度h。取決于機加(jia)工主(zhu)(zhu)瓣(ban)(ban)(ban)、旁瓣(ban)(ban)(ban)尺(chi)寸(cun)。
如圖7-72所示，為(wei)(wei)驗證(zheng)磁心前端(duan)氣(qi)隙深(shen)度h。對信(xin)號的影響，制作(zuo)了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器，線圈匝(za)數(shu)為(wei)(wei)400。人工傷的尺(chi)寸為(wei)(wei)（寬(kuan)）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試驗過程中使用的信(xin)號放大板為(wei)(wei)10×100倍(bei)，軟件放大倍(bei)數(shu)為(wei)(wei)500倍(bei)。
所(suo)得原(yuan)始信號(hao)經5階(jie) Butterworth 濾(lv)波(bo)(bo)器濾(lv)波(bo)(bo)后(hou)，試(shi)驗(yan)結果如(ru)圖(tu)7-73所(suo)示，信號(hao)峰-峰值與前端氣(qi)隙(xi)深度h。近似(si)成反(fan)比，氣(qi)隙(xi)深度越小，越有(you)利于檢測(ce)，然而氣(qi)隙(xi)深度越小，探頭越不耐磨，因此實際的探頭制作中，需要在兩者之間(jian)做平衡(heng)取舍。
如圖7-74所示(shi)，為(wei)驗證磁(ci)心前端氣(qi)隙寬(kuan)度(du)g對信(xin)號(hao)的影響，制(zhi)作了(le)氣(qi)隙深度(du)ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁(ci)頭式傳(chuan)感器(qi)，線圈匝數(shu)為(wei)400。人工(gong)傷的尺寸為(wei)0.1mm（寬(kuan)）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗過程中使用的信(xin)號(hao)放大板為(wei)10×100倍(bei)，軟件放大倍(bei)數(shu)為(wei)500倍(bei)。
試驗結(jie)(jie)果如圖7-75所示，氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)度mm時(shi)(shi)，信(xin)號峰(feng)-峰(feng)值Vpp最大；在氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)度m時(shi)(shi)出(chu)(chu)(chu)現(xian)了“檢測(ce)勢井”，當氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)度m時(shi)(shi)，信(xin)號峰(feng)-峰(feng)值V在一定(ding)范圍內呈現(xian)出(chu)(chu)(chu)增長趨勢。這是由于在該試驗條件(jian)下，m時(shi)(shi)氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)度損耗最大，因此無法有效(xiao)檢出(chu)(chu)(chu)信(xin)號。該結(jie)(jie)果表明，應(ying)用磁(ci)頭(tou)式傳感器進行檢測(ce)時(shi)(shi)，在裂紋漏(lou)磁(ci)信(xin)號空間(jian)分(fen)布未知(zhi)的情(qing)況下，應(ying)該盡量減小前端氣(qi)隙(xi)(xi)寬(kuan)度g，以防止(zhi)它與裂紋漏(lou)磁(ci)場空間(jian)分(fen)布出(chu)(chu)(chu)現(xian)耦合，形(xing)成“檢測(ce)勢井”。
如圖7-76所示，縱向傷陣列傳(chuan)感器主(zhu)要由線圈(quan)、疊(die)層磁心(xin)、隔離(li)片、屏蔽罩組(zu)成，探(tan)頭單元排(pai)成兩(liang)列并沿排(pai)布方向兩(liang)兩(liang)錯開一段距離(li)，以(yi)消除單列探(tan)頭之(zhi)間的探(tan)測盲(mang)區。
三、檢測裝(zhuang)備
整套裝備主要分為檢測裝置(zhi)、信號采(cai)(cai)集和(he)處(chu)理(li)系統(tong)、PLC控制系統(tong)、外(wai)圍供(gong)電供(gong)氣系統(tong)、物(wu)料傳送以(yi)及上下料裝置(zhi)五部(bu)分。本(ben)節(jie)的重點在于檢測裝置(zhi)、信號采(cai)(cai)集和(he)處(chu)理(li)系統(tong)以(yi)及高速檢測工藝。
1. 總體方(fang)案
按照功能劃(hua)分，軸(zhou)承套圈裂紋漏磁檢測裝(zhuang)備可以(yi)分為預置(zhi)(zhi)、縱向傷檢測、剔除、退(tui)磁四個(ge)主要工(gong)(gong)位。預置(zhi)(zhi)工(gong)(gong)位為冗余過(guo)渡(du)工(gong)(gong)位，當前(qian)可作為軸(zhou)承套圈檢測流程的(de)過(guo)渡(du)工(gong)(gong)位，將來可為周向傷檢測裝(zhuang)置(zhi)(zhi)提供安裝(zhuang)平臺。裝(zhuang)備主體-縱向檢測主機主要包括五個(ge)部分：軸(zhou)承套圈驅(qu)動裝(zhuang)置(zhi)(zhi)、磁化裝(zhuang)置(zhi)(zhi)、陣列探頭組件、信號調理采集處理系統(tong)以(yi)及自(zi)動化控制系統(tong)。
軸(zhou)承套圈驅動(dong)裝置設(she)計要(yao)點：以圓(yuan)錐滾(gun)子軸(zhou)承套圈為(wei)研究對象，其形狀(zhuang)規整(zheng)，為(wei)圓(yuan)環形零件，適合(he)旋轉檢測(ce)；表面光潔，不(bu)需事先清潔處理；為(wei)便于實(shi)現(xian)工(gong)業自動(dong)化，不(bu)同尺寸規格軸(zhou)承套圈的檢測(ce)工(gong)位(wei)(wei)及上(shang)下(xia)料工(gong)位(wei)(wei)最好一致(zhi)。綜(zong)合(he)上(shang)述分析，采(cai)用(yong)軸(zhou)承套圈原地(di)旋轉、探頭(tou)貼合(he)檢測(ce)的方(fang)式。
根(gen)據軸承套圈漏磁(ci)檢測的特點，擬訂軸承套圈高速自動(dong)化漏磁(ci)檢測工藝(yi)流程，如圖7-77所示。
軸承套圈裂(lie)紋漏磁檢測裝備總(zong)體方案(an)如(ru)圖7-78所示(shi)。
2. 檢測(ce)系統(tong)
檢測系統主要包括縱向傷檢測裝置、剔(ti)除裝置和退磁裝置三部分。
如圖(tu)7-79所示(shi)，縱向傷檢測裝置可劃分為(wei)工件驅(qu)(qu)動(dong)(dong)、規格調整、磁化、壓(ya)緊(jin)、檢測和剔除六(liu)大主體裝置。工件驅(qu)(qu)動(dong)(dong)模(mo)塊的(de)主要(yao)部件為(wei)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電動(dong)(dong)機、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)輪L、驅(qu)(qu)動(dong)(dong)輪R、萬向滾珠托架等。驅(qu)(qu)動(dong)(dong)電動(dong)(dong)機與齒輪直連(lian)，經(jing)由齒輪組(zu)變速、變轉矩之后傳遞給兩個(ge)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)輪，在(zai)壓(ya)緊(jin)模(mo)塊的(de)配合下，摩擦帶(dai)動(dong)(dong)軸承套圈原地(di)旋轉。
規(gui)(gui)格(ge)(ge)調整裝(zhuang)置(zhi)主要由手(shou)輪(lun)、減速(su)機、梯(ti)(ti)形(xing)絲杠(gang)、梯(ti)(ti)形(xing)螺(luo)(luo)母及壓(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝(zhuang)座(zuo)等構(gou)成。如(ru)圖(tu)7-80所示，由于上(shang)下(xia)料機械(xie)手(shou)與檢測裝(zhuang)置(zhi)之間的(de)距離相對固定，為保證(zheng)所有規(gui)(gui)格(ge)(ge)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)上(shang)下(xia)料工位位置(zhi)相同(tong)，更換軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)時，需(xu)要調整設備狀(zhuang)態(tai)。減速(su)機起變速(su)、變向的(de)作用，30°梯(ti)(ti)形(xing)絲杠(gang)螺(luo)(luo)母機構(gou)既可傳(chuan)動，也可自鎖，壓(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)安裝(zhuang)座(zuo)上(shang)開腰(yao)形(xing)通(tong)孔(kong)，可以調整壓(ya)緊(jin)軸(zhou)承(cheng)與上(shang)下(xia)料工位之間的(de)距離，適應(ying)軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈(quan)規(gui)(gui)格(ge)(ge)的(de)變化。
磁(ci)(ci)化(hua)裝置主(zhu)要由磁(ci)(ci)化(hua)線圈、磁(ci)(ci)極、磁(ci)(ci)化(hua)器固定架(jia)和工業風(feng)扇等組成。磁(ci)(ci)極可(ke)更(geng)換規格(ge)，以配合(he)軸承套圈規格(ge)的(de)變(bian)化(hua)。工業現場常常要求設備具有連續工作能力，因(yin)此(ci)(ci)磁(ci)(ci)化(hua)線圈的(de)散熱問題需要重視，此(ci)(ci)處(chu)采(cai)用(yong)軸流式工業風(feng)扇散熱。
如圖7-81所示，壓緊(jin)裝(zhuang)(zhuang)置主要由(you)壓緊(jin)氣(qi)缸、壓緊(jin)軸承(cheng)安裝(zhuang)(zhuang)座、萬向滾珠托(tuo)架和可(ke)擺動(dong)式(shi)壓緊(jin)總(zong)成(cheng)構(gou)成(cheng)。壓緊(jin)氣(qi)缸在(zai)(zai)檢(jian)測過程(cheng)中提(ti)供持續的(de)壓緊(jin)力(li)，萬向滾珠托(tuo)舉軸承(cheng)套圈，減(jian)小(xiao)其在(zai)(zai)原地旋轉(zhuan)過程(cheng)中的(de)摩擦力(li)，雙(shuang)驅動(dong)輪(lun)(lun)加雙(shuang)壓緊(jin)輪(lun)(lun)的(de)設計(ji)雖然更(geng)加可(ke)靠(kao)，但是存(cun)在(zai)(zai)過定位的(de)問(wen)題(ti)，因此壓緊(jin)模(mo)塊設計(ji)為可(ke)擺動(dong)式(shi)。下端面探(tan)頭陣(zhen)列置于壓緊(jin)輪(lun)(lun)之間，規(gui)格調整(zheng)時(shi)跟(gen)隨軸承(cheng)一(yi)起(qi)移(yi)動(dong)，可(ke)覆蓋所有系列軸承(cheng)套圈下端面。
如圖(tu)7-82所示(shi)，檢測裝(zhuang)置主(zhu)要由外(wai)(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)及其動(dong)(dong)(dong)作機構組(zu)成(cheng)。其中，外(wai)(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)由氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，實現貼(tie)(tie)合及分(fen)離工(gong)件，連接(jie)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)與(yu)氣(qi)(qi)缸(gang)的(de)零(ling)件可(ke)(ke)拆(chai)卸，方便工(gong)件規格變化時更換相應(ying)的(de)外(wai)(wai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)；內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)擺臂一(yi)端(duan)，擺臂由迷(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，實現貼(tie)(tie)合及分(fen)離動(dong)(dong)(dong)作；上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)浮動(dong)(dong)(dong)導(dao)桿一(yi)端(duan)，浮動(dong)(dong)(dong)導(dao)桿內(nei)置彈簧(huang)，可(ke)(ke)以適應(ying)不(bu)同軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈高度的(de)變化并提供持續的(de)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)力；內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)與(yu)上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)固(gu)定在軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈上(shang)(shang)(shang)方的(de)鋁型材(cai)上(shang)(shang)(shang)，并且可(ke)(ke)沿鋁型材(cai)調整位(wei)(wei)置；鋁型材(cai)由氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺帶(dai)動(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)上(shang)(shang)(shang)下(xia)移動(dong)(dong)(dong)。檢測前，固(gu)定于(yu)(yu)鋁型材(cai)上(shang)(shang)(shang)的(de)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)處(chu)于(yu)(yu)高位(wei)(wei)，軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈上(shang)(shang)(shang)料到位(wei)(wei)后，氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)滑(hua)臺動(dong)(dong)(dong)作，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)及上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)處(chu)于(yu)(yu)低位(wei)(wei)，其中上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)貼(tie)(tie)緊(jin)(jin)上(shang)(shang)(shang)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)。隨后，迷(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)動(dong)(dong)(dong)作，經(jing)由擺臂帶(dai)動(dong)(dong)(dong)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)貼(tie)(tie)緊(jin)(jin)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)。下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)固(gu)定于(yu)(yu)兩壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)之間，可(ke)(ke)隨壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)安裝(zhuang)座一(yi)起調整，長(chang)度方向足以覆蓋(gai)該系(xi)列(lie)(lie)所有軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈下(xia)端(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)內(nei)置彈簧(huang)，可(ke)(ke)實現浮動(dong)(dong)(dong)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)，內(nei)置緊(jin)(jin)定螺釘，用(yong)于(yu)(yu)調節彈簧(huang)壓(ya)(ya)(ya)緊(jin)(jin)力。
如圖(tu)7-83所示，剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)裝置主要由剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸、氣(qi)缸導桿(gan)、分料(liao)板(ban)和廢(fei)品(pin)收集槽組成。縱向缺陷檢(jian)測裝置檢(jian)測完畢(bi)后，向PLC控制系(xi)統(tong)反(fan)饋(kui)相應信息。若軸承套(tao)圈檢(jian)測為合(he)格，則剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸不動作，機械手抓(zhua)取工(gong)件在分料(liao)板(ban)上方停留一段時(shi)間之后運往下一工(gong)位（退磁工(gong)位）；若軸承套(tao)圈檢(jian)測為不合(he)格，則剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸動作，帶(dai)動分料(liao)板(ban)上升(sheng)，機械手抓(zhua)取工(gong)件將其丟人(ren)到廢(fei)品(pin)收集槽中。
3. 高速自動化(hua)檢測工藝
如圖7-84所示，系統采用(yong)流水(shui)線式(shi)工(gong)藝(yi)流程，預(yu)置工(gong)位(wei)(wei)、縱向傷檢(jian)測工(gong)位(wei)(wei)、剔除工(gong)位(wei)(wei)、退磁工(gong)位(wei)(wei)依(yi)次排開，機(ji)械手組件將四個(ge)工(gong)位(wei)(wei)有(you)機(ji)聯(lian)系起來。
四、現場應用
上述(shu)檢測(ce)系(xi)統在現場應用如圖7-85所示。
測試樣(yang)品及測試結果(guo)如圖7-86與圖7-87所示。測試結果(guo)表(biao)明，軸承套(tao)圈(quan)裂(lie)紋漏磁檢(jian)(jian)測裝置具有良好的檢(jian)(jian)測靈敏度與可靠(kao)性，檢(jian)(jian)測效率(lv)高。
