軸(zhou)承作(zuo)為重(zhong)(zhong)要的機(ji)械(xie)基(ji)(ji)礎件(jian)，其質量(liang)直接決定著機(ji)械(xie)產品的性能以及(ji)可靠性。國家(jia)工信部規劃(hua)(hua)司在(zai)機(ji)械(xie)領(ling)域“三基(ji)(ji)”（機(ji)械(xie)基(ji)(ji)礎件(jian)、基(ji)(ji)礎制造工藝和基(ji)(ji)礎材料）產業(ye)“十(shi)二五”發(fa)展規劃(hua)(hua)中明確，指出(chu)圍繞重(zhong)(zhong)大裝備和高端裝備配套需(xu)求(qiu)，重(zhong)(zhong)點發(fa)展高速、精密、重(zhong)(zhong)載軸(zhou)承。
軸承(cheng)作為(wei)機(ji)(ji)械裝置中最常用也最重要的(de)(de)零部(bu)件之一，其(qi)失(shi)效將直接導致設備故(gu)障、生產(chan)受阻甚至是人員傷亡(wang)。據統(tong)計，在(zai)旋轉機(ji)(ji)械的(de)(de)現場故(gu)障中，由于軸承(cheng)套圈(quan)損傷而引起的(de)(de)故(gu)障大(da)(da)約(yue)占30％，其(qi)中大(da)(da)約(yue)90％的(de)(de)故(gu)障來自軸承(cheng)套圈(quan)的(de)(de)裂(lie)紋。因(yin)此(ci)提高軸承(cheng)套圈(quan)的(de)(de)裂(lie)紋檢測(ce)能力(li)尤為(wei)重要。
目前，軸承套圈檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)方法主要有磁(ci)粉(fen)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法、超聲檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法、渦流檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法、機器(qi)視覺(jue)法、巴(ba)克豪森(sen)法、聲發(fa)射檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法等(deng)。其中，磁(ci)粉(fen)檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法、超聲檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法、渦流檢(jian)(jian)(jian)(jian)測(ce)(ce)法使用較為普遍。
磁粉(fen)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法檢(jian)(jian)(jian)驗(yan)(yan)靈敏(min)度(du)高(gao)，缺陷顯示直觀，不受工(gong)(gong)件(jian)大小和形狀的(de)限制，但是(shi)操作復雜(za)，生產率低，且對環境有一定污染，磁痕觀察需要(yao)人工(gong)(gong)參(can)與，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)結(jie)果(guo)受檢(jian)(jian)(jian)測(ce)人員主觀意(yi)識(shi)和操作經(jing)驗(yan)(yan)影響(xiang)，難以(yi)(yi)踐行(xing)統(tong)一的(de)質量標準；超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法在國(guo)外(wai)使用較為廣泛，歐洲已頒(ban)布相應檢(jian)(jian)(jian)測(ce)標準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法由(you)于裂紋(wen)取向及聲耦合對其影響(xiang)大，難以(yi)(yi)適應軸承套圈形狀，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)精度(du)不高(gao)，需要(yao)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)者有豐富經(jing)驗(yan)(yan)，所以(yi)(yi)影響(xiang)了其在國(guo)內(nei)市場的(de)推廣；渦流檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法可實(shi)現非接觸式(shi)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，但是(shi)受工(gong)(gong)件(jian)形狀影響(xiang)大，且結(jie)果(guo)多以(yi)(yi)阻抗(kang)分析圖的(de)形式(shi)展(zhan)現，不直觀，多用于軸承圓柱滾子的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)。
為(wei)解決軸(zhou)承(cheng)(cheng)生產中出現的(de)實際問(wen)題，下面介紹(shao)一種基于漏(lou)磁原理的(de)軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈裂紋檢測方法(fa)與(yu)裝置，可實現軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈的(de)自動化高效檢測。
一、檢測原(yuan)理(li)
軸(zhou)承(cheng)套圈(quan)作(zuo)為一種精(jing)密零(ling)部件，其(qi)表面質量(liang)較(jiao)高，生產過程中產生的裂紋多(duo)呈現出開口窄、長度(du)短、深(shen)度(du)淺(qian)的特點，屬于典(dian)型(xing)的微小(xiao)尺寸裂紋檢測問(wen)題。
1. 軸承套圈的材料、結構、待檢(jian)測(ce)部位(wei)及缺陷形式
a. 軸(zhou)承鋼的主要種類(lei)
1）高碳(tan)鉻軸(zhou)承(cheng)鋼：年(nian)產量約占軸(zhou)承(cheng)鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等系列，而其中GCr15 高碳(tan)鉻軸(zhou)承(cheng)鋼由德國于(yu)1905年(nian)研制成(cheng)功(gong)，得到了廣泛應用。
2）滲碳軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼：經滲碳處(chu)理，兼(jian)具表面(mian)高(gao)(gao)硬高(gao)(gao)耐磨性及內部韌性。在(zai)美國的(de)產(chan)量約占(zhan)(zhan)軸(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)鋼總產(chan)量的(de)30％，在(zai)中(zhong)國僅占(zhan)(zhan)3％左右(you)。
3）中(zhong)碳軸承鋼(gang)：工(gong)藝相對簡(jian)單，且同樣達(da)到表面硬化(hua)效果，近年(nian)來(lai)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)材(cai)質或是相同(tong)材(cai)質、不(bu)同(tong)熱處理工藝均會對軸承(cheng)鋼的(de)磁(ci)化特性產(chan)生巨大影響，不(bu)同(tong)的(de)磁(ci)化特性對應不(bu)同(tong)的(de)磁(ci)化裝置參數，本書使用最為廣(guang)泛的(de)GCr15軸承(cheng)鋼作為研究對象。
b. 軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的結構及待檢測部(bu)位 成品(pin)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)一(yi)般由軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)外套(tao)圈(quan)、軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)內(nei)套(tao)圈(quan)、滾(gun)子保(bao)持(chi)架、滾(gun)子及附(fu)件(jian)組(zu)成，軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)結構形式較為多樣，同一(yi)套(tao)裝(zhuang)備難以同時(shi)滿足所有(you)類(lei)型(xing)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)的檢測需求，研究(jiu)其(qi)(qi)中(zhong)使用較為廣泛的圓錐滾(gun)子軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)具有(you)重要(yao)意義(yi)，相關研究(jiu)方(fang)法可方(fang)便地變通之后(hou)推廣到其(qi)(qi)他類(lei)型(xing)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)套(tao)圈(quan)。
如圖7-62所(suo)示，圓(yuan)錐滾(gun)(gun)子軸承套圈(quan)(quan)為(wei)旋(xuan)轉(zhuan)對(dui)稱零件，外(wai)(wai)(wai)圈(quan)(quan)可看作(zuo)由梯形(xing)繞中心軸旋(xuan)轉(zhuan)360°而成(cheng)，上下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)(mian)，外(wai)(wai)(wai)表面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)柱(zhu)(zhu)面(mian)(mian)(mian)(mian)，內表面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)(mian)；內圈(quan)(quan)結構稍顯復(fu)雜，上下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)環平面(mian)(mian)(mian)(mian)，外(wai)(wai)(wai)表面(mian)(mian)(mian)(mian)主(zhu)體為(wei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)(mian)，沿軸向兩(liang)端(duan)(duan)含工藝(yi)槽及(ji)滾(gun)(gun)子定(ding)位臺階(jie)，內表面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)柱(zhu)(zhu)面(mian)(mian)(mian)(mian)。
軸(zhou)承外(wai)圈待檢(jian)測面(mian)(mian)(mian)包含內(nei)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)1、外(wai)圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)2、下端(duan)面(mian)(mian)(mian)3和上端(duan)面(mian)(mian)(mian)4。軸(zhou)承內(nei)圈待檢(jian)測面(mian)(mian)(mian)包含外(wai)圓(yuan)錐面(mian)(mian)(mian)1、內(nei)圓(yuan)柱面(mian)(mian)(mian)2、下端(duan)面(mian)(mian)(mian)3、上端(duan)面(mian)(mian)(mian)4。
c. 軸承套圈的裂紋形式及產生(sheng)原因
1）材(cai)(cai)料(liao)裂紋：材(cai)(cai)料(liao)裂紋產生的(de)原因主(zhu)要是內部氣泡、嚴重(zhong)的(de)非金屬夾雜(za)等，沿軋制方向(xiang)(xiang)呈(cheng)直線分布，以表面(mian)裂紋或折疊的(de)形式呈(cheng)現，在內部走(zou)向(xiang)(xiang)多指向(xiang)(xiang)圓心，且折疊裂紋走(zou)向(xiang)(xiang)與(yu)表面(mian)近乎平行，漏磁場微弱。
2）發紋：材料(liao)表面或近表面毛發狀的細(xi)小裂紋，由鋼錠(ding)皮下氣泡或夾雜引起。外觀細(xi)小，一(yi)般長1～3mm，目檢(jian)時不易發現。
3）鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)(zao)裂紋(wen)：包括(kuo)鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)(zao)折疊裂紋(wen)（切料不(bu)齊、毛刺、飛邊以(yi)及(ji)操作不(bu)當等(deng)原因(yin)造(zao)(zao)(zao)成(cheng)）、過(guo)(guo)燒（鍛(duan)(duan)(duan)件(jian)溫(wen)度(du)過(guo)(guo)高(gao)或(huo)保溫(wen)時(shi)(shi)間過(guo)(guo)長造(zao)(zao)(zao)成(cheng)）、濕裂（停鍛(duan)(duan)(duan)溫(wen)度(du)較高(gao)，冷(leng)卻時(shi)(shi)局(ju)部或(huo)全部碰(peng)到冷(leng)卻水而急(ji)冷(leng)）、內(nei)裂（鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)(zao)時(shi)(shi)加熱速度(du)過(guo)(guo)快，表面升溫(wen)高(gao)而內(nei)部升溫(wen)慢引起(qi)，一般出(chu)現在(zai)壁厚較大處）。鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)(zao)(zao)裂紋(wen)較粗(cu)大，形狀不(bu)規則，存在(zai)鍛(duan)(duan)(duan)件(jian)表面，磁(ci)(ci)化時(shi)(shi)漏磁(ci)(ci)場較弱，磁(ci)(ci)痕顯示不(bu)太清晰，剩(sheng)磁(ci)(ci)法檢測(ce)容易產生漏檢。
4）淬火(huo)裂紋：因淬火(huo)時產生(sheng)的熱應(ying)力(li)及(ji)組織(zhi)應(ying)力(li)引(yin)起，外貌極不(bu)規則(ze)，多在(zai)外徑上，嚴重時延伸到端面，一般較(jiao)深。
5）磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋：磨(mo)削(xue)(xue)時冷卻不良(liang)，瞬時高溫引起表(biao)面應力集中，即會產生磨(mo)削(xue)(xue)裂(lie)紋，主要分布(bu)在端面、擋邊、滾道(dao)、內徑及打字處，外徑表(biao)面較少出現，呈現短、淺、細的特點(dian)，與磨(mo)削(xue)(xue)方向垂(chui)直或成一(yi)定(ding)角(jiao)度。
2. 軸(zhou)承(cheng)套圈裂紋(wen)漏磁檢測系統的特點(dian)
軸承套圈裂紋漏磁檢(jian)(jian)測(ce)系統的(de)優勢在(zai)于：可實現上下料(liao)、檢(jian)(jian)測(ce)、分選、退磁一(yi)體(ti)化(hua)(hua)自動化(hua)(hua)，極大地(di)提高(gao)了檢(jian)(jian)測(ce)效率，降低了工(gong)人的(de)勞動強(qiang)度。
然(ran)而，在(zai)具體的工程(cheng)實施中，存在(zai)以下要點及難點：
1）軸承套(tao)圈尺寸形狀(zhuang)規格繁多(duo)，如(ru)何實現通用化檢(jian)測(ce)或(huo)者實現一定范圍內的通用化檢(jian)測(ce)存在工程(cheng)實施難度(du)。
2）隨著軸承套圈加工(gong)工(gong)藝的(de)(de)提升，軸承套圈表面加工(gong)質(zhi)量越來越高(gao)，生(sheng)產過程中(zhong)產生(sheng)的(de)(de)裂紋多(duo)呈現出開口窄(zhai)、深度淺的(de)(de)特(te)點(dian)，屬于典型(xing)的(de)(de)微小尺寸裂紋檢測問題，提高(gao)磁化能力(li)、提高(gao)傳感(gan)器檢測靈敏度及空間分(fen)辨力(li)、提高(gao)信號處理能力(li)以在較強背景噪聲中(zhong)提取有效信號是關鍵。
3）軸承套(tao)圈(quan)尤其是軸承內圈(quan)的結(jie)構較為(wei)復雜，需從結(jie)構及布置方式著(zhu)手(shou)，減小(xiao)提離值(zhi)并最大(da)限(xian)度(du)地(di)覆蓋待檢測部位(wei)。
4）自動(dong)化生產(chan)線(xian)多(duo)為(wei)流水式，效率高(gao)、速度快，因此高(gao)速檢測工藝應簡潔高(gao)效，且可(ke)以順暢(chang)地與生產(chan)線(xian)相融(rong)合。
3. 軸承套圈漏磁(ci)檢測的勵磁(ci)方法與裝置
軸承套(tao)圈的磁化方式直接(jie)和漏磁場信號強弱相(xiang)關，其(qi)選擇及(ji)設計非常重要。常見的軸承套(tao)圈周(zhou)向磁化方法有中(zhong)心導體(ti)法、直接(jie)通電法和繞電纜(lan)法，其(qi)優缺點見表7-5。
對比之后(hou)不(bu)難看出(chu)(chu)，上述方(fang)(fang)法均不(bu)適用于自動化漏磁(ci)(ci)(ci)檢測，為此，采用如(ru)圖7-63所示的(de)(de)軸(zhou)承周向磁(ci)(ci)(ci)化方(fang)(fang)法，磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)(qi)由U形鐵心(xin)纏繞(rao)線圈制(zhi)成，可更換的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)極可以滿(man)足(zu)不(bu)同規格軸(zhou)承套圈的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)化需求。通過(guo)ANSYS仿真可以看出(chu)(chu)，此種磁(ci)(ci)(ci)化方(fang)(fang)式在遠(yuan)離(li)磁(ci)(ci)(ci)極的(de)(de)位置可以獲得比較均勻的(de)(de)周向磁(ci)(ci)(ci)場，且該磁(ci)(ci)(ci)化器(qi)(qi)結(jie)構可以方(fang)(fang)便地與流水生產線相結(jie)合，便于實現自動化。
選用16種軸承套(tao)圈中橫截面積(ji)最大的27315EK 02軸承內圈，為(wei)保證仿真(zhen)順利進行(xing)，此處對(dui)仿真(zhen)裂紋(wen)進行(xing)了一定的簡化，裂紋(wen)尺寸為(wei)0.5mm（寬(kuan)）x0．mm（深）x3.0mm（長(chang)），x0.2mm上、下端面各1條(tiao)裂紋(wen)，沿軸向內表面等間距(ju)均(jun)勻分(fen)布3條(tiao)裂紋(wen)，外表面1條(tiao)裂紋(wen)。周向磁(ci)化器仿真(zhen)模型如圖7-64所示。
仿真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上(shang)端(duan)面(mian)(mian)和內(nei)表面(mian)(mian)裂紋漏磁場B，分量(liang)圖像基(ji)本吻(wen)合，表明在該磁化方式及磁化強度下，上(shang)端(duan)面(mian)(mian)與(yu)內(nei)表面(mian)(mian)具(ju)有較(jiao)為(wei)一致(zhi)的磁化效(xiao)果。
2）沿軸向等間距分布的(de)內(nei)表(biao)面(mian)裂(lie)紋(wen)1、2、3漏磁(ci)(ci)場分量圖像基本吻合，表(biao)明在該磁(ci)(ci)化(hua)強度下，內(nei)表(biao)面(mian)磁(ci)(ci)化(hua)一致性較(jiao)好，與(yu)裂(lie)紋(wen)離磁(ci)(ci)極的(de)距離無(wu)關。
3）下(xia)端面(mian)(mian)裂紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B分(fen)量圖像(xiang)與外(wai)表面(mian)(mian)裂紋漏(lou)磁(ci)場(chang)B,分(fen)量圖像(xiang)基本吻合，但是(shi)(shi)相比于上(shang)端面(mian)(mian)、內表面(mian)(mian)強度更小。這是(shi)(shi)由于下(xia)端面(mian)(mian)壁厚較大(da)，而外(wai)表面(mian)(mian)由于位于套(tao)圈外(wai)圍，距離磁(ci)化場(chang)較遠，且磁(ci)場(chang)向空(kong)氣中(zhong)擴散更為嚴(yan)重。
為了補償(chang)壁厚及套(tao)(tao)圈高度引起(qi)的(de)磁(ci)化效果(guo)不一致(zhi)，需(xu)要進一步加強(qiang)磁(ci)化強(qiang)度，使得(de)軸承(cheng)套(tao)(tao)圈達(da)到過(guo)飽(bao)和(he)磁(ci)化狀態(tai)。然(ran)而(er)在(zai)實際檢測過(guo)程中，使得(de)軸承(cheng)套(tao)(tao)圈各個部分均達(da)到飽(bao)和(he)磁(ci)化狀態(tai)需(xu)要極多的(de)線圈匝數或極大的(de)磁(ci)化電流(liu)，對(dui)于非定量軸承(cheng)套(tao)(tao)圈檢測而(er)言，磁(ci)化的(de)意(yi)義在(zai)于使得(de)最苛(ke)刻(ke)指標的(de)缺陷仍可得(de)到較理想(xiang)的(de)信(xin)噪(zao)比即可，磁(ci)化效果(guo)不一致(zhi)引起(qi)的(de)漏(lou)磁(ci)場(chang)信(xin)號(hao)不一致(zhi)可在(zai)軟件中予以修正。
如圖7-66所示，以GCr15（840℃油淬，190℃回(hui)火）為(wei)例，根據(ju)電(dian)磁(ci)(ci)檢(jian)測(ce)原理，將工件磁(ci)(ci)化至(zhi)飽和(he)或近飽和(he)狀態時，有(you)利于(yu)裂紋漏磁(ci)(ci)場的形成與擴(kuo)散，取近飽和(he)區的H＝14800A／m點，此時對應的磁(ci)(ci)感應強(qiang)度B≈1.125125T。以16種軸承套圈(quan)中橫截面積最大(533.5n5m㎡)的27315EK 02軸承內圈(quan)為(wei)例，大約(yue)為(wei)4075安匝。由(you)于(yu)本計算模型沒(mei)有(you)考慮泄漏到空氣中的磁(ci)(ci)通(tong)、磁(ci)(ci)滯損耗(hao)、渦流損耗(hao)，因此將計算出的結果乘以安全系數1.1，磁(ci)(ci)化器εm=NI=4482安匝。線(xian)圈(quan)匝數為(wei)600，選用φ1.7mm銅線(xian)繞(rao)制(zhi)而成，通(tong)入(ru)7.5A的電(dian)流即可滿足磁(ci)(ci)化要求。
根據上述(shu)計(ji)算結果，設計(ji)得到如圖7-67所示(shi)的周向勵磁(ci)裝置，磁(ci)極部分可(ke)更(geng)換以適應(ying)不同規格的軸(zhou)(zhou)承套圈，磁(ci)化器封(feng)罩用(yong)于(yu)保護內部漆包線(xian)，封(feng)罩上開百葉(xie)窗輔助(zhu)散熱(re)，加(jia)裝軸(zhou)(zhou)流式風扇散熱(re)以保證磁(ci)化器可(ke)長期工作。
二、檢測探頭
圖(tu)7-68所示為(wei)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)磁(ci)軛(e)探(tan)頭(tou)，它主要由磁(ci)頭(tou)、永(yong)(yong)(yong)磁(ci)鐵(tie)S極(ji)、永(yong)(yong)(yong)磁(ci)鐵(tie)N極(ji)、橋接(jie)銜鐵(tie)及隔(ge)片組成，隔(ge)片用(yong)于調(diao)節(jie)磁(ci)極(ji)間距。檢測時，“N極(ji)→軸承套(tao)圈→S極(ji)→橋接(jie)銜鐵(tie)”形成磁(ci)回(hui)路(lu)，如遇裂(lie)紋，漏磁(ci)場將被磁(ci)頭(tou)捕捉。永(yong)(yong)(yong)磁(ci)鐵(tie)尺寸為(wei)4mm×10mm×10mm正對軸承套(tao)圈，為(wei)磁(ci)極(ji)面(mian)。信號放大(da)電(dian)路(lu)為(wei)10×100倍兩級放大(da)，軟件放大(da)500倍。
如圖(tu)7-69所示，檢測對象為GCr15軸承套(tao)(tao)圈，大端(duan)面(mian)刻(ke)蝕(shi)有寬0.1mm、深0.1mm、長10.0mm的人工刻(ke)槽。軸承套(tao)(tao)圈表面(mian)光滑，無銹蝕(shi)。
不同磁(ci)極間距檢測結果對(dui)比如圖7-70所示。磁(ci)極間距15mm時(shi)，可(ke)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，但信(xin)(xin)噪比不高，這是(shi)由于磁(ci)極離磁(ci)心(xin)過近使之飽(bao)和的緣(yuan)故；磁(ci)極間距17mm時(shi)，可(ke)檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，且信(xin)(xin)噪比最佳(jia)；磁(ci)極間距19mm時(shi)，不能檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)。永磁(ci)體尺寸(cun)換為6mm×10mm×10mn，其(qi)中6mm×10mm 正對(dui)軸(zhou)承套圈(quan)，為磁(ci)極面時(shi)，不能檢出(chu)(chu)信(xin)(xin)號(hao)，同理這也是(shi)磁(ci)心(xin)飽(bao)和的緣(yuan)故。
通過上(shang)(shang)述分析不難發現(xian)，含(han)磁(ci)(ci)心線圈用于(yu)檢測時，需特別注意磁(ci)(ci)心飽和(he)的(de)問題，局(ju)部磁(ci)(ci)化在一定程(cheng)度上(shang)(shang)降低了磁(ci)(ci)化成本和(he)磁(ci)(ci)化難度，但是由(you)于(yu)磁(ci)(ci)化器距離傳感器較(jiao)近，對傳感器的(de)影響也較(jiao)大(da)。
短路磁通損(sun)耗與(yu)(yu)磁心前端氣(qi)隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)g、深度(du)(du)h有關；提離損(sun)耗與(yu)(yu)提離值相關，在實際工(gong)程中體(ti)現在探(tan)頭耐磨層厚度(du)(du)及探(tan)頭機構的設(she)計(ji)；低(di)頻(pin)損(sun)耗與(yu)(yu)裂(lie)紋漏磁信號(hao)空(kong)間(jian)分(fen)布相關，即與(yu)(yu)裂(lie)紋尺寸(cun)及磁化狀(zhuang)況相關；氣(qi)隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)損(sun)耗與(yu)(yu)氣(qi)隙(xi)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)g、裂(lie)紋漏磁信號(hao)空(kong)間(jian)分(fen)布相關；方位角損(sun)耗可(ke)(ke)歸(gui)為提離損(sun)耗；磁滯損(sun)耗可(ke)(ke)忽略；渦流損(sun)耗可(ke)(ke)以從磁心材料、探(tan)頭工(gong)藝等方面(mian)著手降低(di)。
因此，從探頭(tou)設(she)計的角度出發，主要(yao)關注磁心前端氣隙寬度g、深(shen)度ha。
如(ru)圖(tu)7-71所示，磁頭(tou)式(shi)傳感器主(zhu)(zhu)要(yao)由線圈、兩片(pian)(pian)磁心主(zhu)(zhu)瓣(ban)、兩片(pian)(pian)磁心旁(pang)瓣(ban)組成，前端(duan)縫隙(xi)中墊(dian)入不(bu)同厚度(du)的(de)POM塑(su)料片(pian)(pian)即可(ke)得到不(bu)同的(de)氣隙(xi)寬度(du)g，氣隙(xi)深度(du)h。取(qu)決于(yu)機加工主(zhu)(zhu)瓣(ban)、旁(pang)瓣(ban)尺(chi)寸。
如圖7-72所示，為(wei)驗(yan)證磁(ci)心前端氣隙深(shen)度(du)h。對(dui)信(xin)號的(de)影響，制作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁(ci)頭(tou)式傳感器(qi)，線圈匝(za)數(shu)為(wei)400。人(ren)工傷(shang)的(de)尺寸為(wei)（寬）×0.5mm(深(shen)）×10.0mm（長）。試驗(yan)過程中(zhong)使用的(de)信(xin)號放大板為(wei)10×100倍，軟件(jian)放大倍數(shu)為(wei)500倍。
所(suo)得原(yuan)始(shi)信(xin)號經5階 Butterworth 濾波(bo)器濾波(bo)后(hou)，試(shi)驗結果如圖7-73所(suo)示(shi)，信(xin)號峰(feng)-峰(feng)值(zhi)與前端氣(qi)隙(xi)深(shen)度h。近(jin)似成(cheng)反比，氣(qi)隙(xi)深(shen)度越(yue)小，越(yue)有利于檢測，然而(er)氣(qi)隙(xi)深(shen)度越(yue)小，探頭越(yue)不耐磨，因此實際(ji)的探頭制作中，需要在兩(liang)者之間做平(ping)衡(heng)取舍。
如圖(tu)7-74所示，為(wei)驗證磁心前(qian)端氣隙寬度g對(dui)信(xin)號的(de)影響，制作了(le)氣隙深度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種(zhong)磁頭式傳感(gan)器，線(xian)圈匝數為(wei)400。人工傷(shang)的(de)尺寸為(wei)0.1mm（寬）)x0.5mm深）x10.0mm（長）。試驗過(guo)程中使用的(de)信(xin)號放大(da)板為(wei)10×100倍，軟(ruan)件放大(da)倍數為(wei)500倍。
試驗(yan)結(jie)果(guo)如圖7-75所示，氣(qi)隙(xi)寬度(du)mm時(shi)，信號(hao)峰(feng)-峰(feng)值Vpp最大(da)；在(zai)(zai)氣(qi)隙(xi)寬度(du)m時(shi)出(chu)(chu)現了(le)“檢(jian)(jian)測勢(shi)井(jing)”，當氣(qi)隙(xi)寬度(du)m時(shi)，信號(hao)峰(feng)-峰(feng)值V在(zai)(zai)一定范圍內呈(cheng)現出(chu)(chu)增長趨勢(shi)。這(zhe)是由于在(zai)(zai)該試驗(yan)條件下，m時(shi)氣(qi)隙(xi)寬度(du)損耗最大(da)，因此無(wu)法有效檢(jian)(jian)出(chu)(chu)信號(hao)。該結(jie)果(guo)表明，應(ying)用磁頭式傳感器進行檢(jian)(jian)測時(shi)，在(zai)(zai)裂紋漏(lou)磁信號(hao)空(kong)(kong)間分布未(wei)知(zhi)的情況下，應(ying)該盡量減小前(qian)端氣(qi)隙(xi)寬度(du)g，以防(fang)止它與裂紋漏(lou)磁場空(kong)(kong)間分布出(chu)(chu)現耦合，形成“檢(jian)(jian)測勢(shi)井(jing)”。
如圖7-76所示，縱(zong)向(xiang)傷陣列傳感器主要由線圈(quan)、疊層(ceng)磁心、隔(ge)離片、屏(ping)蔽罩(zhao)組成(cheng)，探頭單元排成(cheng)兩列并(bing)沿排布(bu)方向(xiang)兩兩錯開一(yi)段距離，以消除單列探頭之間的探測盲區。
三、檢測裝備
整套(tao)裝備主要分為檢(jian)測裝置(zhi)、信(xin)號采(cai)集和處理(li)系(xi)統(tong)、PLC控制系(xi)統(tong)、外圍供(gong)電供(gong)氣系(xi)統(tong)、物(wu)料(liao)傳送以及(ji)上下料(liao)裝置(zhi)五部分。本節的重點在于檢(jian)測裝置(zhi)、信(xin)號采(cai)集和處理(li)系(xi)統(tong)以及(ji)高速檢(jian)測工(gong)藝。
1. 總體方案
按照功能劃分，軸(zhou)承套圈裂紋漏磁檢(jian)(jian)測裝(zhuang)(zhuang)備可以分為預置(zhi)、縱向(xiang)(xiang)傷檢(jian)(jian)測、剔除、退磁四個主(zhu)要工位(wei)(wei)。預置(zhi)工位(wei)(wei)為冗(rong)余(yu)過渡(du)工位(wei)(wei)，當前可作為軸(zhou)承套圈檢(jian)(jian)測流程(cheng)的(de)過渡(du)工位(wei)(wei)，將來可為周向(xiang)(xiang)傷檢(jian)(jian)測裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)提供安裝(zhuang)(zhuang)平臺(tai)。裝(zhuang)(zhuang)備主(zhu)體-縱向(xiang)(xiang)檢(jian)(jian)測主(zhu)機主(zhu)要包括五個部分：軸(zhou)承套圈驅動(dong)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、磁化裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、陣(zhen)列探(tan)頭(tou)組件、信(xin)號調理采集處(chu)理系(xi)統以及自動(dong)化控(kong)制系(xi)統。
軸承套圈驅動裝置(zhi)設計要(yao)點(dian)：以圓(yuan)(yuan)錐滾子軸承套圈為研(yan)究對象(xiang)，其形(xing)狀規整(zheng)，為圓(yuan)(yuan)環形(xing)零件，適合旋轉檢測；表(biao)面(mian)光潔，不需(xu)事先(xian)清(qing)潔處(chu)理；為便于實現工(gong)業自動化(hua)，不同尺(chi)寸規格軸承套圈的(de)檢測工(gong)位及上下料工(gong)位最好(hao)一致。綜(zong)合上述分析，采用(yong)軸承套圈原地(di)旋轉、探頭貼合檢測的(de)方式(shi)。
根(gen)據軸(zhou)承套圈(quan)漏(lou)磁檢測的(de)特點，擬(ni)訂軸(zhou)承套圈(quan)高速(su)自(zi)動化漏(lou)磁檢測工藝(yi)流程，如(ru)圖7-77所示(shi)。
軸承套圈裂紋(wen)漏(lou)磁檢測(ce)裝(zhuang)備總(zong)體(ti)方案如圖7-78所(suo)示。
2. 檢測系統
檢測系(xi)統主(zhu)要(yao)包括縱向傷檢測裝(zhuang)置(zhi)(zhi)、剔除(chu)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)和(he)退(tui)磁裝(zhuang)置(zhi)(zhi)三部分。
如圖7-79所示，縱向傷檢測(ce)裝(zhuang)置可劃分為工(gong)件驅動(dong)(dong)(dong)、規(gui)格調整(zheng)、磁化(hua)、壓緊、檢測(ce)和剔除(chu)六大主(zhu)(zhu)體裝(zhuang)置。工(gong)件驅動(dong)(dong)(dong)模塊的(de)主(zhu)(zhu)要部件為驅動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)、驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)L、驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)R、萬向滾珠(zhu)托(tuo)架等。驅動(dong)(dong)(dong)電動(dong)(dong)(dong)機(ji)與齒輪(lun)直連(lian)，經(jing)由齒輪(lun)組變速、變轉矩(ju)之后傳遞給兩(liang)個(ge)驅動(dong)(dong)(dong)輪(lun)，在壓緊模塊的(de)配合下，摩擦帶動(dong)(dong)(dong)軸承套圈原地旋轉。
規(gui)格調整裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)主(zhu)要(yao)由手(shou)輪(lun)、減速機、梯(ti)形絲杠(gang)、梯(ti)形螺母及(ji)壓緊(jin)(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)座等構成(cheng)。如圖7-80所示，由于上下(xia)料機械手(shou)與(yu)檢測裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)之間的距離相對固(gu)定，為保證所有規(gui)格軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)套圈上下(xia)料工(gong)位(wei)(wei)位(wei)(wei)置(zhi)相同，更(geng)換軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)套圈時，需要(yao)調整設備狀態。減速機起變速、變向的作用，30°梯(ti)形絲杠(gang)螺母機構既可(ke)傳動，也可(ke)自鎖，壓緊(jin)(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)座上開腰形通孔，可(ke)以(yi)調整壓緊(jin)(jin)軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)與(yu)上下(xia)料工(gong)位(wei)(wei)之間的距離，適(shi)應軸(zhou)承(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)套圈規(gui)格的變化。
磁化(hua)裝(zhuang)置主要(yao)由磁化(hua)線圈(quan)(quan)、磁極、磁化(hua)器固定(ding)架(jia)和工業(ye)風(feng)扇(shan)等(deng)組成。磁極可更換規格，以配合軸(zhou)承套圈(quan)(quan)規格的變(bian)化(hua)。工業(ye)現場常常要(yao)求(qiu)設備具有連續工作(zuo)能力(li)，因(yin)此(ci)磁化(hua)線圈(quan)(quan)的散熱問題需要(yao)重視，此(ci)處采用軸(zhou)流式工業(ye)風(feng)扇(shan)散熱。
如(ru)圖(tu)7-81所(suo)示，壓(ya)緊(jin)裝置主要由(you)壓(ya)緊(jin)氣缸、壓(ya)緊(jin)軸承(cheng)安裝座、萬向(xiang)滾珠托(tuo)架和可擺動(dong)(dong)式(shi)壓(ya)緊(jin)總成構成。壓(ya)緊(jin)氣缸在檢測過程中提(ti)供持續(xu)的壓(ya)緊(jin)力(li)，萬向(xiang)滾珠托(tuo)舉軸承(cheng)套(tao)圈，減小其在原(yuan)地(di)旋轉過程中的摩擦力(li)，雙驅動(dong)(dong)輪加雙壓(ya)緊(jin)輪的設計雖然更加可靠(kao)，但是存在過定位的問題，因此壓(ya)緊(jin)模塊(kuai)設計為可擺動(dong)(dong)式(shi)。下端(duan)面(mian)探頭陣列置于壓(ya)緊(jin)輪之間，規格調整(zheng)時跟隨軸承(cheng)一起移動(dong)(dong)，可覆蓋(gai)所(suo)有系列軸承(cheng)套(tao)圈下端(duan)面(mian)。
如圖7-82所示，檢測裝置(zhi)主要(yao)由外(wai)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、內(nei)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)、下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)及其(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)機構組成。其(qi)中，外(wai)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)由氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現貼合及分離(li)工件(jian)，連接(jie)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)與氣(qi)(qi)缸(gang)的零件(jian)可拆卸，方便工件(jian)規格變化時更換(huan)相(xiang)應的外(wai)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)；內(nei)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)(yu)擺(bai)臂一(yi)端(duan)(duan)，擺(bai)臂由迷(mi)(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，實現貼合及分離(li)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)；上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)鉸接(jie)于(yu)(yu)(yu)浮動(dong)(dong)(dong)(dong)導(dao)桿一(yi)端(duan)(duan)，浮動(dong)(dong)(dong)(dong)導(dao)桿內(nei)置(zhi)彈(dan)(dan)簧，可以適(shi)應不同軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈高(gao)度(du)的變化并提供持(chi)續的壓(ya)緊(jin)力；內(nei)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)與上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)固定(ding)在軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈上(shang)方的鋁(lv)型材上(shang)，并且可沿鋁(lv)型材調整位(wei)(wei)置(zhi)；鋁(lv)型材由氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)，可上(shang)下(xia)移動(dong)(dong)(dong)(dong)。檢測前，固定(ding)于(yu)(yu)(yu)鋁(lv)型材上(shang)的內(nei)表(biao)面(mian)(mian)及上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)處于(yu)(yu)(yu)高(gao)位(wei)(wei)，軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈上(shang)料到位(wei)(wei)后，氣(qi)(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)滑臺動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)，內(nei)表(biao)面(mian)(mian)及上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)處于(yu)(yu)(yu)低位(wei)(wei)，其(qi)中上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)貼緊(jin)上(shang)端(duan)(duan)面(mian)(mian)。隨(sui)后，迷(mi)(mi)你氣(qi)(qi)缸(gang)動(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)，經(jing)由擺(bai)臂帶(dai)(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)貼緊(jin)內(nei)表(biao)面(mian)(mian)。下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)固定(ding)于(yu)(yu)(yu)兩壓(ya)緊(jin)軸承(cheng)(cheng)(cheng)之間，可隨(sui)壓(ya)緊(jin)軸承(cheng)(cheng)(cheng)安裝座一(yi)起調整，長(chang)度(du)方向足以覆蓋(gai)該系列(lie)(lie)(lie)所有(you)軸承(cheng)(cheng)(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈下(xia)端(duan)(duan)面(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)內(nei)置(zhi)彈(dan)(dan)簧，可實現浮動(dong)(dong)(dong)(dong)壓(ya)緊(jin)，內(nei)置(zhi)緊(jin)定(ding)螺釘，用于(yu)(yu)(yu)調節(jie)彈(dan)(dan)簧壓(ya)緊(jin)力。
如圖7-83所示，剔(ti)(ti)除(chu)裝置主(zhu)要(yao)由剔(ti)(ti)除(chu)氣缸、氣缸導桿、分料板(ban)(ban)和廢品(pin)收集槽(cao)組成。縱向(xiang)缺(que)陷檢測(ce)裝置檢測(ce)完畢后，向(xiang)PLC控制系(xi)統反(fan)饋相應信息。若軸承套(tao)圈(quan)檢測(ce)為合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣缸不動(dong)作，機械手(shou)抓(zhua)取工件(jian)在分料板(ban)(ban)上方停留(liu)一(yi)段時間(jian)之(zhi)后運(yun)往下(xia)一(yi)工位（退(tui)磁工位）；若軸承套(tao)圈(quan)檢測(ce)為不合格，則剔(ti)(ti)除(chu)氣缸動(dong)作，帶動(dong)分料板(ban)(ban)上升，機械手(shou)抓(zhua)取工件(jian)將其丟人(ren)到廢品(pin)收集槽(cao)中。
3. 高速自動化檢測工藝
如圖(tu)7-84所示，系統采用流(liu)水線式工(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(tui)磁工(gong)位依次排開，機械(xie)手組件將四個工(gong)位有(you)機聯系起(qi)來。
四(si)、現(xian)場應用
上(shang)述檢測系統在現場應用(yong)如圖(tu)7-85所示。
測(ce)(ce)試(shi)樣品及測(ce)(ce)試(shi)結果(guo)如圖(tu)7-86與圖(tu)7-87所示。測(ce)(ce)試(shi)結果(guo)表明，軸承套圈裂紋漏(lou)磁檢(jian)測(ce)(ce)裝置具有良(liang)好的檢(jian)測(ce)(ce)靈敏(min)度與可靠性，檢(jian)測(ce)(ce)效(xiao)率高。
