軸(zhou)(zhou)承(cheng)作為重要的機械基礎件，其質量(liang)直接(jie)決定著(zhu)機械產(chan)品的性(xing)能以及可靠性(xing)。國家工(gong)信部規(gui)劃司在機械領域“三基”（機械基礎件、基礎制造工(gong)藝和基礎材料）產(chan)業“十二(er)五”發展規(gui)劃中明確，指出圍繞重大裝(zhuang)備和高端裝(zhuang)備配(pei)套(tao)需求，重點發展高速、精密(mi)、重載(zai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)。
軸(zhou)(zhou)承(cheng)作為機械裝置中(zhong)(zhong)最常用(yong)也最重要的(de)零部件(jian)之一(yi)，其(qi)失效將直接(jie)導致設備故(gu)障(zhang)(zhang)、生產受(shou)阻甚至是人(ren)員傷亡(wang)。據統計(ji)，在(zai)旋轉機械的(de)現場故(gu)障(zhang)(zhang)中(zhong)(zhong)，由于軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)損傷而引起的(de)故(gu)障(zhang)(zhang)大約占30％，其(qi)中(zhong)(zhong)大約90％的(de)故(gu)障(zhang)(zhang)來(lai)自軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)的(de)裂(lie)紋(wen)。因此提高(gao)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套圈(quan)的(de)裂(lie)紋(wen)檢測能力尤(you)為重要。
目前，軸承套圈檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)方法(fa)主要(yao)有磁粉(fen)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲(sheng)(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦(wo)(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)、機(ji)器(qi)視覺法(fa)、巴克豪森法(fa)、聲(sheng)(sheng)發射檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)等(deng)。其(qi)中，磁粉(fen)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)、超聲(sheng)(sheng)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)、渦(wo)(wo)流檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)法(fa)使用較(jiao)為普(pu)遍(bian)。
磁粉檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法(fa)檢(jian)(jian)(jian)驗靈敏度(du)高(gao)，缺陷顯示直觀(guan)(guan)，不(bu)受(shou)工(gong)(gong)件大小和形(xing)(xing)狀的(de)限制，但是操作(zuo)復(fu)雜，生產率低，且對環(huan)境有一(yi)定污染，磁痕(hen)觀(guan)(guan)察(cha)需要(yao)人工(gong)(gong)參與，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)結(jie)果(guo)受(shou)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)人員主觀(guan)(guan)意識和操作(zuo)經(jing)驗影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)，難以踐行統(tong)一(yi)的(de)質量標(biao)準；超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法(fa)在(zai)國外(wai)使用(yong)較為廣(guang)泛(fan)，歐洲已頒布相應(ying)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)標(biao)準《EN12080：Railway applications - Axleboxes -Rolling bearings》，但超聲檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法(fa)由(you)于(yu)裂紋(wen)取(qu)向及聲耦(ou)合對其影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)大，難以適應(ying)軸承套圈(quan)形(xing)(xing)狀，檢(jian)(jian)(jian)測(ce)精度(du)不(bu)高(gao)，需要(yao)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)者有豐富經(jing)驗，所以影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)了其在(zai)國內市場的(de)推(tui)廣(guang)；渦流檢(jian)(jian)(jian)測(ce)法(fa)可實(shi)現非接觸式檢(jian)(jian)(jian)測(ce)，但是受(shou)工(gong)(gong)件形(xing)(xing)狀影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)大，且結(jie)果(guo)多(duo)以阻抗分(fen)析圖(tu)的(de)形(xing)(xing)式展現，不(bu)直觀(guan)(guan)，多(duo)用(yong)于(yu)軸承圓柱滾子的(de)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)。
為解決軸承(cheng)生產中出現的實際問題(ti)，下面(mian)介(jie)紹一種基于漏磁原(yuan)理的軸承(cheng)套圈裂紋檢測方(fang)法與裝(zhuang)置，可(ke)實現軸承(cheng)套圈的自(zi)動化高效檢測。
一、檢(jian)測原(yuan)理
軸(zhou)承套圈(quan)作為一種(zhong)精密零部件，其表面質量(liang)較高，生(sheng)產過程中(zhong)產生(sheng)的(de)裂紋(wen)多(duo)呈現(xian)出開口窄(zhai)、長度(du)短、深(shen)度(du)淺的(de)特點，屬于典(dian)型的(de)微(wei)小尺寸(cun)裂紋(wen)檢(jian)測(ce)問題。
1. 軸承套圈的材料、結(jie)構、待檢測部位及缺陷形式
a. 軸承鋼(gang)的(de)主要(yao)種類
1）高碳(tan)鉻軸(zhou)承(cheng)鋼：年(nian)產量約(yue)占軸(zhou)承(cheng)鋼總產量的80％，包含GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等(deng)系列，而其中GCr15 高碳(tan)鉻軸(zhou)承(cheng)鋼由德(de)國于1905年(nian)研制成功，得到了廣泛應用。
2）滲(shen)碳軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼：經滲(shen)碳處理，兼具表(biao)面高硬高耐磨(mo)性及內部韌性。在美國的產量(liang)約占軸(zhou)(zhou)承(cheng)鋼總產量(liang)的30％，在中國僅占3％左右。
3）中碳軸承鋼：工藝相對簡單，且(qie)同樣達(da)到表面硬化效果，近年來發展較(jiao)快。
4）不(bu)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(cai)質(zhi)或是(shi)相同(tong)材(cai)質(zhi)、不同(tong)熱處理工藝均會對軸承鋼的磁化特(te)性產生巨(ju)大影響，不同(tong)的磁化特(te)性對應不同(tong)的磁化裝置參數，本書使(shi)用(yong)最為廣泛(fan)的GCr15軸承鋼作為研究(jiu)對象(xiang)。
b. 軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的結(jie)構及(ji)待檢測部位 成品軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)一般(ban)由軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)外套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)內套(tao)(tao)圈(quan)(quan)、滾(gun)子(zi)(zi)保持架、滾(gun)子(zi)(zi)及(ji)附(fu)件組(zu)成，軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)結(jie)構形(xing)式較為多(duo)樣，同一套(tao)(tao)裝備難以同時滿足所有類型軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)的檢測需求，研究其中使用較為廣(guang)泛的圓錐滾(gun)子(zi)(zi)軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)具有重要意義，相關研究方法可(ke)方便(bian)地(di)變(bian)通之后推廣(guang)到其他(ta)類型軸(zhou)(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)圈(quan)(quan)。
如圖7-62所(suo)示，圓(yuan)(yuan)(yuan)錐滾(gun)子軸(zhou)承套圈(quan)為(wei)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)對稱(cheng)零(ling)件(jian)，外(wai)(wai)圈(quan)可看作由(you)梯形繞中心軸(zhou)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)360°而成，上下端面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)環平面(mian)(mian)，外(wai)(wai)表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)，內(nei)表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)錐面(mian)(mian)；內(nei)圈(quan)結(jie)構稍顯復雜，上下端面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)環平面(mian)(mian)，外(wai)(wai)表面(mian)(mian)主(zhu)體為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)錐面(mian)(mian)，沿(yan)軸(zhou)向兩端含工藝(yi)槽(cao)及滾(gun)子定位臺階，內(nei)表面(mian)(mian)為(wei)圓(yuan)(yuan)(yuan)柱面(mian)(mian)。
軸(zhou)承外(wai)(wai)圈待檢測(ce)面(mian)(mian)(mian)(mian)包(bao)含內圓錐面(mian)(mian)(mian)(mian)1、外(wai)(wai)圓柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)(mian)(mian)3和上(shang)端面(mian)(mian)(mian)(mian)4。軸(zhou)承內圈待檢測(ce)面(mian)(mian)(mian)(mian)包(bao)含外(wai)(wai)圓錐面(mian)(mian)(mian)(mian)1、內圓柱(zhu)面(mian)(mian)(mian)(mian)2、下端面(mian)(mian)(mian)(mian)3、上(shang)端面(mian)(mian)(mian)(mian)4。
c. 軸承套圈的裂紋形式(shi)及產(chan)生原因
1）材料(liao)裂(lie)(lie)(lie)紋：材料(liao)裂(lie)(lie)(lie)紋產生的(de)原因(yin)主要是內(nei)部氣(qi)泡、嚴(yan)重(zhong)的(de)非(fei)金屬夾雜等，沿(yan)軋制(zhi)方(fang)向(xiang)呈(cheng)直線分布，以表面裂(lie)(lie)(lie)紋或折疊(die)的(de)形式呈(cheng)現，在(zai)內(nei)部走向(xiang)多(duo)指向(xiang)圓(yuan)心，且(qie)折疊(die)裂(lie)(lie)(lie)紋走向(xiang)與表面近乎平行，漏磁場微(wei)弱。
2）發紋(wen)：材料表面(mian)或近(jin)表面(mian)毛發狀的細(xi)小裂紋(wen)，由(you)鋼錠皮下氣(qi)泡或夾雜引(yin)起。外觀細(xi)小，一(yi)般長(chang)1～3mm，目檢(jian)時(shi)不易發現。
3）鍛(duan)造(zao)(zao)裂紋(wen)：包括鍛(duan)造(zao)(zao)折疊裂紋(wen)（切料不(bu)齊、毛刺(ci)、飛邊以及操作不(bu)當等原(yuan)因造(zao)(zao)成）、過燒(shao)（鍛(duan)件溫(wen)度(du)過高(gao)(gao)或保溫(wen)時(shi)(shi)間過長(chang)造(zao)(zao)成）、濕裂（停鍛(duan)溫(wen)度(du)較高(gao)(gao)，冷(leng)卻(que)時(shi)(shi)局部或全(quan)部碰(peng)到(dao)冷(leng)卻(que)水而急冷(leng)）、內裂（鍛(duan)造(zao)(zao)時(shi)(shi)加熱(re)速度(du)過快，表面(mian)升(sheng)溫(wen)高(gao)(gao)而內部升(sheng)溫(wen)慢引起，一般出現在壁厚(hou)較大處）。鍛(duan)造(zao)(zao)裂紋(wen)較粗大，形(xing)狀不(bu)規(gui)則，存在鍛(duan)件表面(mian)，磁(ci)化時(shi)(shi)漏(lou)(lou)磁(ci)場較弱，磁(ci)痕顯示不(bu)太清晰，剩磁(ci)法檢測容易產生漏(lou)(lou)檢。
4）淬(cui)火(huo)裂紋(wen)：因(yin)淬(cui)火(huo)時(shi)產生的熱應力(li)(li)及組織應力(li)(li)引起(qi)，外貌(mao)極不規則，多在外徑上(shang)，嚴重時(shi)延伸到端面，一(yi)般較深。
5）磨削(xue)(xue)(xue)裂紋(wen)：磨削(xue)(xue)(xue)時冷卻不良，瞬時高溫引起表面應(ying)力集中，即會產生磨削(xue)(xue)(xue)裂紋(wen)，主要分布在端面、擋邊、滾道、內徑及(ji)打字處(chu)，外徑表面較少出現(xian)(xian)，呈現(xian)(xian)短、淺(qian)、細(xi)的特點，與磨削(xue)(xue)(xue)方(fang)向垂(chui)直(zhi)或(huo)成一定角度。
2. 軸(zhou)承套圈(quan)裂紋漏磁(ci)檢測系統的特(te)點
軸(zhou)承套(tao)圈(quan)裂紋漏(lou)磁檢(jian)測(ce)系統的優勢在于：可實現上下料(liao)、檢(jian)測(ce)、分選、退磁一體(ti)化(hua)自(zi)動(dong)化(hua)，極大地(di)提高了檢(jian)測(ce)效率，降低了工(gong)人的勞動(dong)強度。
然而，在(zai)(zai)具(ju)體的工程實施中，存在(zai)(zai)以下要點及(ji)難點：
1）軸承套圈尺寸形狀規(gui)格繁多，如何實現(xian)通用(yong)化(hua)檢(jian)測或(huo)者實現(xian)一定范圍內(nei)的通用(yong)化(hua)檢(jian)測存(cun)在工程實施(shi)難度。
2）隨著軸承套(tao)圈加工(gong)工(gong)藝的提(ti)升(sheng)，軸承套(tao)圈表面(mian)加工(gong)質量(liang)越來(lai)越高(gao)(gao)，生(sheng)(sheng)產過(guo)程中(zhong)產生(sheng)(sheng)的裂紋多呈現出開口(kou)窄、深度淺的特點(dian)，屬于典(dian)型的微(wei)小尺寸裂紋檢測問題(ti)，提(ti)高(gao)(gao)磁(ci)化能力(li)、提(ti)高(gao)(gao)傳感器檢測靈敏度及空間分辨力(li)、提(ti)高(gao)(gao)信號處理能力(li)以在較強背景噪聲中(zhong)提(ti)取有(you)效信號是關鍵(jian)。
3）軸(zhou)承(cheng)套(tao)圈尤其(qi)是(shi)軸(zhou)承(cheng)內圈的(de)結構較為(wei)復雜，需(xu)從結構及布(bu)置方(fang)式(shi)著手，減(jian)小提離值并最大限度地覆(fu)蓋待檢測部位。
4）自動化生(sheng)產線多(duo)為流水式，效率高(gao)、速度快，因(yin)此(ci)高(gao)速檢測(ce)工藝應(ying)簡潔(jie)高(gao)效，且(qie)可以順暢地與(yu)生(sheng)產線相融(rong)合。
3. 軸承套圈(quan)漏磁(ci)檢測(ce)的勵(li)磁(ci)方法(fa)與裝置
軸承套圈(quan)(quan)的磁(ci)(ci)化方式直接(jie)和漏磁(ci)(ci)場信號強弱(ruo)相關，其(qi)選擇及設計非常重(zhong)要。常見的軸承套圈(quan)(quan)周向磁(ci)(ci)化方法(fa)有中心導體(ti)法(fa)、直接(jie)通電法(fa)和繞電纜(lan)法(fa)，其(qi)優缺點見表7-5。
對比(bi)之(zhi)后不難看出(chu)，上述方法均不適(shi)用于自動化(hua)漏磁(ci)(ci)(ci)檢測，為此，采用如圖7-63所示的(de)軸承周向磁(ci)(ci)(ci)化(hua)方法，磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器(qi)由U形鐵(tie)心纏(chan)繞線(xian)圈(quan)制成，可(ke)更換(huan)的(de)磁(ci)(ci)(ci)極可(ke)以(yi)滿足不同規格軸承套圈(quan)的(de)磁(ci)(ci)(ci)化(hua)需求(qiu)。通(tong)過ANSYS仿真可(ke)以(yi)看出(chu)，此種磁(ci)(ci)(ci)化(hua)方式在遠離磁(ci)(ci)(ci)極的(de)位(wei)置可(ke)以(yi)獲得比(bi)較(jiao)均勻的(de)周向磁(ci)(ci)(ci)場(chang)，且該磁(ci)(ci)(ci)化(hua)器(qi)結(jie)構可(ke)以(yi)方便地與(yu)流水生產線(xian)相結(jie)合，便于實現自動化(hua)。
選用16種軸(zhou)承(cheng)(cheng)套圈(quan)中(zhong)橫截(jie)面(mian)積最大的27315EK 02軸(zhou)承(cheng)(cheng)內圈(quan)，為保證仿(fang)真順利進行(xing)，此處(chu)對仿(fang)真裂紋(wen)進行(xing)了一定的簡化，裂紋(wen)尺寸為0.5mm（寬）x0．mm（深(shen)）x3.0mm（長），x0.2mm上、下端面(mian)各1條(tiao)裂紋(wen)，沿軸(zhou)向(xiang)(xiang)內表(biao)面(mian)等(deng)間距均勻分布3條(tiao)裂紋(wen)，外(wai)表(biao)面(mian)1條(tiao)裂紋(wen)。周向(xiang)(xiang)磁化器仿(fang)真模(mo)型如圖7-64所示(shi)。
仿真結果如圖7-65所示，通過對比可知：
1）上端面(mian)和(he)內表面(mian)裂紋漏磁(ci)場B，分量圖像(xiang)基本吻合，表明在該(gai)磁(ci)化方式及磁(ci)化強(qiang)度下，上端面(mian)與內表面(mian)具有較為一致的磁(ci)化效(xiao)果。
2）沿軸向等間距(ju)分布的(de)內表面裂(lie)紋1、2、3漏磁場分量圖像基本吻合，表明在該磁化強度下，內表面磁化一致性較好，與裂(lie)紋離(li)(li)磁極的(de)距(ju)離(li)(li)無關。
3）下端(duan)面裂紋(wen)漏(lou)磁(ci)場(chang)B分量圖(tu)像與外表面裂紋(wen)漏(lou)磁(ci)場(chang)B,分量圖(tu)像基本吻合，但是相比于(yu)上端(duan)面、內(nei)表面強度更小。這是由于(yu)下端(duan)面壁(bi)厚較大，而外表面由于(yu)位于(yu)套圈(quan)外圍，距離磁(ci)化場(chang)較遠，且(qie)磁(ci)場(chang)向(xiang)空氣中(zhong)擴(kuo)散(san)更為嚴重。
為了補償壁厚及(ji)套圈(quan)高度引起(qi)的(de)(de)磁(ci)化(hua)效果(guo)不一致，需要(yao)進一步加(jia)強磁(ci)化(hua)強度，使(shi)得軸承套圈(quan)達(da)到過飽(bao)(bao)和磁(ci)化(hua)狀態(tai)。然而(er)在(zai)實(shi)際檢(jian)測過程中，使(shi)得軸承套圈(quan)各個(ge)部分均達(da)到飽(bao)(bao)和磁(ci)化(hua)狀態(tai)需要(yao)極多的(de)(de)線圈(quan)匝(za)數(shu)或極大的(de)(de)磁(ci)化(hua)電流，對于非定量(liang)軸承套圈(quan)檢(jian)測而(er)言，磁(ci)化(hua)的(de)(de)意義(yi)在(zai)于使(shi)得最苛刻指標的(de)(de)缺陷仍(reng)可(ke)得到較理想的(de)(de)信(xin)噪(zao)比即(ji)可(ke)，磁(ci)化(hua)效果(guo)不一致引起(qi)的(de)(de)漏磁(ci)場信(xin)號不一致可(ke)在(zai)軟件中予以修正。
如圖7-66所示(shi)，以(yi)GCr15（840℃油淬，190℃回(hui)火）為例，根據電磁(ci)檢測(ce)原理，將(jiang)工(gong)件磁(ci)化(hua)至(zhi)飽(bao)和或近飽(bao)和狀態(tai)時(shi)，有(you)利于裂紋漏磁(ci)場(chang)的(de)(de)形成(cheng)與擴散，取近飽(bao)和區的(de)(de)H＝14800A／m點，此時(shi)對應的(de)(de)磁(ci)感(gan)應強度B≈1.125125T。以(yi)16種軸(zhou)承套圈中橫截面積(ji)最大(533.5n5m㎡)的(de)(de)27315EK 02軸(zhou)承內圈為例，大約(yue)為4075安(an)匝。由(you)于本計算模型沒(mei)有(you)考慮泄漏到空氣中的(de)(de)磁(ci)通(tong)、磁(ci)滯損耗(hao)、渦流損耗(hao)，因此將(jiang)計算出的(de)(de)結(jie)果乘以(yi)安(an)全系數(shu)1.1，磁(ci)化(hua)器εm=NI=4482安(an)匝。線圈匝數(shu)為600，選用φ1.7mm銅線繞制而成(cheng)，通(tong)入7.5A的(de)(de)電流即可滿(man)足磁(ci)化(hua)要(yao)求。
根據上述(shu)計(ji)算(suan)結果，設計(ji)得到如(ru)圖(tu)7-67所示的周(zhou)向勵磁(ci)裝置，磁(ci)極部分可更換以適應不同規格(ge)的軸承套圈，磁(ci)化器(qi)封(feng)罩用于(yu)保護(hu)內部漆包線，封(feng)罩上開百葉窗輔助散(san)熱，加裝軸流式風扇散(san)熱以保證磁(ci)化器(qi)可長期工作。
二、檢(jian)測探頭
圖(tu)7-68所(suo)示為(wei)(wei)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)軛探頭，它主要由磁(ci)(ci)(ci)頭、永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)S極、永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)N極、橋接銜鐵(tie)(tie)及隔(ge)片組成，隔(ge)片用(yong)于調節磁(ci)(ci)(ci)極間距(ju)。檢測時，“N極→軸(zhou)承套(tao)(tao)圈(quan)→S極→橋接銜鐵(tie)(tie)”形(xing)成磁(ci)(ci)(ci)回(hui)路，如遇(yu)裂紋，漏磁(ci)(ci)(ci)場將被(bei)磁(ci)(ci)(ci)頭捕捉。永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)鐵(tie)(tie)尺寸為(wei)(wei)4mm×10mm×10mm正(zheng)對軸(zhou)承套(tao)(tao)圈(quan)，為(wei)(wei)磁(ci)(ci)(ci)極面。信(xin)號放(fang)大電路為(wei)(wei)10×100倍(bei)兩級放(fang)大，軟件放(fang)大500倍(bei)。
如圖7-69所示，檢測對象為GCr15軸承套圈，大端面刻蝕有寬0.1mm、深(shen)0.1mm、長10.0mm的人(ren)工刻槽。軸承套圈表面光滑，無銹蝕。
不同磁極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)檢(jian)(jian)測結果對比如圖7-70所示。磁極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)15mm時，可(ke)檢(jian)(jian)出信號(hao)(hao)，但信噪(zao)比不高(gao)，這(zhe)是由于磁極(ji)(ji)離磁心(xin)過近使之飽和的(de)緣故；磁極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)17mm時，可(ke)檢(jian)(jian)出信號(hao)(hao)，且信噪(zao)比最佳；磁極(ji)(ji)間(jian)距(ju)(ju)19mm時，不能檢(jian)(jian)出信號(hao)(hao)。永(yong)磁體尺寸換為(wei)6mm×10mm×10mn，其中(zhong)6mm×10mm 正對軸(zhou)承套圈，為(wei)磁極(ji)(ji)面時，不能檢(jian)(jian)出信號(hao)(hao)，同理這(zhe)也是磁心(xin)飽和的(de)緣故。
通(tong)過上(shang)述分析(xi)不難(nan)發(fa)現，含磁(ci)(ci)心線(xian)圈用于檢測時，需特別(bie)注意磁(ci)(ci)心飽(bao)和的問題，局(ju)部磁(ci)(ci)化在(zai)一定程(cheng)度(du)上(shang)降(jiang)低(di)了磁(ci)(ci)化成本和磁(ci)(ci)化難(nan)度(du)，但(dan)是由于磁(ci)(ci)化器距(ju)離傳感器較(jiao)近，對(dui)傳感器的影(ying)響也較(jiao)大(da)。
短(duan)路磁(ci)(ci)通(tong)損(sun)(sun)耗與(yu)磁(ci)(ci)心前端氣隙寬度(du)(du)g、深(shen)度(du)(du)h有關；提離(li)損(sun)(sun)耗與(yu)提離(li)值(zhi)相(xiang)關，在(zai)(zai)實際工(gong)程中體(ti)現在(zai)(zai)探頭(tou)耐磨層厚(hou)度(du)(du)及(ji)探頭(tou)機構的設計；低(di)頻損(sun)(sun)耗與(yu)裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信號空(kong)間分布(bu)相(xiang)關，即與(yu)裂(lie)紋(wen)尺寸及(ji)磁(ci)(ci)化狀況相(xiang)關；氣隙寬度(du)(du)損(sun)(sun)耗與(yu)氣隙寬度(du)(du)g、裂(lie)紋(wen)漏磁(ci)(ci)信號空(kong)間分布(bu)相(xiang)關；方位角損(sun)(sun)耗可(ke)(ke)歸為提離(li)損(sun)(sun)耗；磁(ci)(ci)滯損(sun)(sun)耗可(ke)(ke)忽略；渦流(liu)損(sun)(sun)耗可(ke)(ke)以從(cong)磁(ci)(ci)心材料、探頭(tou)工(gong)藝等方面著手降(jiang)低(di)。
因此，從探(tan)頭設計的(de)角度出發，主(zhu)要關注磁心前端氣隙寬度g、深度ha。
如圖(tu)7-71所示，磁頭式傳感器(qi)主(zhu)要由(you)線圈、兩(liang)片磁心(xin)(xin)主(zhu)瓣(ban)(ban)(ban)、兩(liang)片磁心(xin)(xin)旁(pang)瓣(ban)(ban)(ban)組成，前(qian)端縫隙中墊入不(bu)同厚度的POM塑料(liao)片即可得到不(bu)同的氣隙寬度g，氣隙深(shen)度h。取決(jue)于機加工主(zhu)瓣(ban)(ban)(ban)、旁(pang)瓣(ban)(ban)(ban)尺寸。
如圖7-72所示，為(wei)(wei)驗證磁心前端氣隙(xi)深度(du)h。對信號的(de)影響(xiang)，制(zhi)作了ha=0.5mm、1.5mm、2.0mm四種磁頭式傳感器，線圈匝數為(wei)(wei)400。人工傷的(de)尺寸為(wei)(wei)（寬）×0.5mm(深）×10.0mm（長）。試(shi)驗過程中(zhong)使用的(de)信號放大(da)板為(wei)(wei)10×100倍(bei)(bei)，軟件放大(da)倍(bei)(bei)數為(wei)(wei)500倍(bei)(bei)。
所得(de)原始信號經(jing)5階 Butterworth 濾波(bo)器濾波(bo)后，試驗(yan)結果(guo)如(ru)圖7-73所示，信號峰-峰值與(yu)前端氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度h。近似成反比，氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度越小(xiao)(xiao)，越有(you)利(li)于檢測，然(ran)而氣(qi)(qi)隙(xi)深(shen)度越小(xiao)(xiao)，探頭越不(bu)耐(nai)磨(mo)，因(yin)此實(shi)際的探頭制(zhi)作中，需要在兩者之間做平(ping)衡(heng)取(qu)舍。
如圖7-74所示(shi)，為驗證磁心前端氣隙寬度g對信(xin)號的影響(xiang)，制作了氣隙深(shen)度ha＝1.5mm,g=0.1mm0.2mmn、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm六種磁頭(tou)式傳感器，線圈匝(za)數為400。人工傷(shang)的尺寸為0.1mm（寬）)x0.5mm深(shen)）x10.0mm（長）。試驗過程中使(shi)用的信(xin)號放大板(ban)為10×100倍(bei)，軟件放大倍(bei)數為500倍(bei)。
試驗結(jie)(jie)果(guo)如圖7-75所示，氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度(du)mm時，信(xin)號峰-峰值Vpp最大；在(zai)氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度(du)m時出(chu)現(xian)了(le)“檢(jian)測勢井(jing)”，當(dang)氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度(du)m時，信(xin)號峰-峰值V在(zai)一定范圍內呈(cheng)現(xian)出(chu)增長(chang)趨勢。這是由于在(zai)該試驗條(tiao)件下(xia)，m時氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度(du)損耗(hao)最大，因此(ci)無法有(you)效檢(jian)出(chu)信(xin)號。該結(jie)(jie)果(guo)表明，應用磁(ci)頭式(shi)傳感器進行檢(jian)測時，在(zai)裂紋漏(lou)磁(ci)信(xin)號空間分布(bu)未知(zhi)的情況下(xia)，應該盡量減(jian)小前端氣隙(xi)(xi)(xi)寬(kuan)度(du)g，以防止它與裂紋漏(lou)磁(ci)場空間分布(bu)出(chu)現(xian)耦合(he)，形(xing)成“檢(jian)測勢井(jing)”。
如圖7-76所(suo)示，縱向傷陣(zhen)列傳感器主要由線(xian)圈、疊層(ceng)磁(ci)心(xin)、隔離片、屏蔽(bi)罩組成，探(tan)頭單(dan)元(yuan)排(pai)成兩(liang)列并沿排(pai)布方向兩(liang)兩(liang)錯(cuo)開一段距離，以消除單(dan)列探(tan)頭之間的探(tan)測盲區。
三、檢測裝備
整套裝(zhuang)(zhuang)備主要分為(wei)檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、信(xin)號采集和處理(li)系(xi)統、PLC控制(zhi)系(xi)統、外(wai)圍供電供氣系(xi)統、物料傳送以及上下料裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)五(wu)部分。本節的重(zhong)點在于檢測(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)、信(xin)號采集和處理(li)系(xi)統以及高速(su)檢測(ce)工藝。
1. 總體(ti)方案
按照功(gong)能劃分(fen)，軸承(cheng)套(tao)圈(quan)裂(lie)紋漏磁(ci)(ci)檢測裝(zhuang)備(bei)可以(yi)分(fen)為預置(zhi)(zhi)、縱(zong)(zong)向傷檢測、剔除、退磁(ci)(ci)四個(ge)主要工位(wei)。預置(zhi)(zhi)工位(wei)為冗余(yu)過渡工位(wei)，當前可作為軸承(cheng)套(tao)圈(quan)檢測流(liu)程(cheng)的過渡工位(wei)，將來可為周向傷檢測裝(zhuang)置(zhi)(zhi)提(ti)供安裝(zhuang)平臺。裝(zhuang)備(bei)主體-縱(zong)(zong)向檢測主機主要包括(kuo)五個(ge)部分(fen)：軸承(cheng)套(tao)圈(quan)驅動裝(zhuang)置(zhi)(zhi)、磁(ci)(ci)化(hua)裝(zhuang)置(zhi)(zhi)、陣列探頭(tou)組(zu)件(jian)、信號(hao)調理(li)采集處理(li)系(xi)統以(yi)及自動化(hua)控制系(xi)統。
軸承(cheng)套(tao)圈(quan)驅動(dong)裝置設(she)計要(yao)點：以圓錐滾子軸承(cheng)套(tao)圈(quan)為(wei)研究(jiu)對象，其形(xing)狀規(gui)整(zheng)，為(wei)圓環形(xing)零件，適合旋轉檢(jian)(jian)測；表面光潔(jie)，不需事先清(qing)潔(jie)處理；為(wei)便于實現工業自動(dong)化，不同尺(chi)寸(cun)規(gui)格軸承(cheng)套(tao)圈(quan)的檢(jian)(jian)測工位(wei)(wei)及(ji)上下料工位(wei)(wei)最好一致。綜合上述分析，采(cai)用軸承(cheng)套(tao)圈(quan)原地旋轉、探頭貼合檢(jian)(jian)測的方式。
根據軸承套圈漏(lou)磁檢測(ce)的(de)特點，擬訂軸承套圈高速(su)自動化漏(lou)磁檢測(ce)工藝(yi)流(liu)程(cheng)，如圖(tu)7-77所示。
軸承(cheng)套圈裂紋(wen)漏磁檢測(ce)裝(zhuang)備總體方案如圖7-78所示。
2. 檢測系統
檢(jian)測(ce)系統主(zhu)要(yao)包括縱向傷檢(jian)測(ce)裝(zhuang)置、剔(ti)除(chu)裝(zhuang)置和退(tui)磁裝(zhuang)置三部分。
如圖7-79所示，縱向傷檢(jian)測(ce)裝置可(ke)劃分為工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)、規格調整、磁化、壓(ya)緊、檢(jian)測(ce)和(he)剔除六大主體裝置。工(gong)件(jian)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)模(mo)塊的(de)主要部(bu)件(jian)為驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電動(dong)機(ji)、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)輪(lun)L、驅(qu)(qu)(qu)動(dong)輪(lun)R、萬(wan)向滾珠托(tuo)架等(deng)。驅(qu)(qu)(qu)動(dong)電動(dong)機(ji)與(yu)齒輪(lun)直連，經由(you)齒輪(lun)組變速(su)、變轉(zhuan)矩之后傳遞(di)給兩個(ge)驅(qu)(qu)(qu)動(dong)輪(lun)，在(zai)壓(ya)緊模(mo)塊的(de)配(pei)合下，摩擦(ca)帶動(dong)軸承(cheng)套(tao)圈(quan)原地旋(xuan)轉(zhuan)。
規格調整(zheng)(zheng)裝(zhuang)置(zhi)主要由手(shou)輪、減(jian)(jian)速(su)機(ji)(ji)、梯(ti)形(xing)(xing)絲杠、梯(ti)形(xing)(xing)螺(luo)母及壓緊軸(zhou)承安裝(zhuang)座(zuo)等構成。如(ru)圖7-80所(suo)(suo)示，由于上下料(liao)機(ji)(ji)械手(shou)與檢測裝(zhuang)置(zhi)之(zhi)間的距(ju)離相對固定，為保(bao)證所(suo)(suo)有規格軸(zhou)承套圈(quan)(quan)上下料(liao)工(gong)位(wei)位(wei)置(zhi)相同(tong)，更換軸(zhou)承套圈(quan)(quan)時，需(xu)要調整(zheng)(zheng)設備狀態(tai)。減(jian)(jian)速(su)機(ji)(ji)起變(bian)速(su)、變(bian)向的作(zuo)用，30°梯(ti)形(xing)(xing)絲杠螺(luo)母機(ji)(ji)構既(ji)可(ke)(ke)傳動(dong)，也可(ke)(ke)自鎖(suo)，壓緊軸(zhou)承安裝(zhuang)座(zuo)上開腰(yao)形(xing)(xing)通孔(kong)，可(ke)(ke)以調整(zheng)(zheng)壓緊軸(zhou)承與上下料(liao)工(gong)位(wei)之(zhi)間的距(ju)離，適應軸(zhou)承套圈(quan)(quan)規格的變(bian)化。
磁(ci)化裝置主要(yao)由磁(ci)化線圈(quan)、磁(ci)極(ji)、磁(ci)化器固定架和工業風扇等組(zu)成(cheng)。磁(ci)極(ji)可更換規(gui)格，以配合軸承套圈(quan)規(gui)格的變化。工業現場常(chang)常(chang)要(yao)求設(she)備具(ju)有(you)連續工作(zuo)能力，因(yin)此磁(ci)化線圈(quan)的散熱問(wen)題需要(yao)重視(shi)，此處采用軸流式工業風扇散熱。
如(ru)圖7-81所示，壓(ya)緊(jin)裝(zhuang)置主(zhu)要由(you)壓(ya)緊(jin)氣缸(gang)(gang)、壓(ya)緊(jin)軸(zhou)(zhou)承安裝(zhuang)座(zuo)、萬(wan)向(xiang)滾(gun)珠托架和可(ke)(ke)擺動式壓(ya)緊(jin)總(zong)成構成。壓(ya)緊(jin)氣缸(gang)(gang)在檢測過程(cheng)中提(ti)供持續的壓(ya)緊(jin)力，萬(wan)向(xiang)滾(gun)珠托舉軸(zhou)(zhou)承套圈，減小其在原地旋(xuan)轉過程(cheng)中的摩擦力，雙驅動輪加(jia)雙壓(ya)緊(jin)輪的設計雖然更加(jia)可(ke)(ke)靠，但是存在過定位的問題，因此壓(ya)緊(jin)模塊設計為可(ke)(ke)擺動式。下端(duan)面(mian)(mian)探(tan)頭陣列(lie)置于壓(ya)緊(jin)輪之間，規格調整時跟隨軸(zhou)(zhou)承一起移動，可(ke)(ke)覆蓋所有系列(lie)軸(zhou)(zhou)承套圈下端(duan)面(mian)(mian)。
如圖7-82所(suo)示(shi)，檢測裝置(zhi)(zhi)主要由(you)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)、下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)及(ji)其(qi)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)機構組成(cheng)。其(qi)中(zhong)，外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)由(you)氣缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)，實現(xian)貼(tie)合(he)及(ji)分離(li)工件，連接(jie)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與氣缸(gang)的(de)零件可拆(chai)卸(xie)，方(fang)(fang)便工件規(gui)格變(bian)化(hua)時更換相應的(de)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)；內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接(jie)于擺臂一端(duan)(duan)(duan)，擺臂由(you)迷你氣缸(gang)帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)，實現(xian)貼(tie)合(he)及(ji)分離(li)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)；上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)鉸(jiao)接(jie)于浮動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)導桿一端(duan)(duan)(duan)，浮動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)導桿內(nei)(nei)(nei)(nei)置(zhi)(zhi)彈簧，可以適(shi)應不(bu)同軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)高度的(de)變(bian)化(hua)并提供持續的(de)壓緊力；內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)與上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固定(ding)在(zai)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)上方(fang)(fang)的(de)鋁型(xing)(xing)材上，并且可沿鋁型(xing)(xing)材調整位(wei)置(zhi)(zhi)；鋁型(xing)(xing)材由(you)氣動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)臺(tai)帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)，可上下(xia)移動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)。檢測前，固定(ding)于鋁型(xing)(xing)材上的(de)內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處(chu)于高位(wei)，軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)上料到位(wei)后，氣動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)滑(hua)(hua)臺(tai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)及(ji)上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)處(chu)于低位(wei)，其(qi)中(zhong)上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊上端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)。隨后，迷你氣缸(gang)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)作(zuo)(zuo)，經由(you)擺臂帶(dai)動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)貼(tie)緊內(nei)(nei)(nei)(nei)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)。下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)固定(ding)于兩壓緊軸(zhou)(zhou)承(cheng)之間，可隨壓緊軸(zhou)(zhou)承(cheng)安(an)裝座(zuo)一起調整，長度方(fang)(fang)向(xiang)足以覆蓋(gai)該(gai)系列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)所(suo)有(you)軸(zhou)(zhou)承(cheng)套(tao)(tao)(tao)圈(quan)下(xia)端(duan)(duan)(duan)面(mian)(mian)(mian)，陣(zhen)(zhen)(zhen)列(lie)(lie)(lie)(lie)(lie)探(tan)(tan)(tan)(tan)頭(tou)(tou)(tou)內(nei)(nei)(nei)(nei)置(zhi)(zhi)彈簧，可實現(xian)浮動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)壓緊，內(nei)(nei)(nei)(nei)置(zhi)(zhi)緊定(ding)螺(luo)釘(ding)，用于調節彈簧壓緊力。
如圖(tu)7-83所示，剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)裝置主(zhu)要由剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸、氣(qi)缸導桿、分料板和(he)廢(fei)品(pin)收集槽組成。縱向缺(que)陷檢(jian)測裝置檢(jian)測完畢后(hou)，向PLC控制(zhi)系統反(fan)饋相(xiang)應信息。若軸承套圈檢(jian)測為合格，則(ze)(ze)剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸不動作，機(ji)械手抓取(qu)工(gong)件(jian)在分料板上(shang)方停留(liu)一段(duan)時間之后(hou)運往下一工(gong)位（退磁工(gong)位）；若軸承套圈檢(jian)測為不合格，則(ze)(ze)剔(ti)(ti)(ti)除(chu)(chu)氣(qi)缸動作，帶動分料板上(shang)升，機(ji)械手抓取(qu)工(gong)件(jian)將其丟人到(dao)廢(fei)品(pin)收集槽中。
3. 高速自動化(hua)檢測工藝
如(ru)圖(tu)7-84所示，系(xi)(xi)統(tong)采用(yong)流(liu)(liu)水線式工(gong)藝流(liu)(liu)程，預置工(gong)位、縱向傷檢(jian)測工(gong)位、剔除(chu)工(gong)位、退(tui)磁(ci)工(gong)位依次排開(kai)，機(ji)械手(shou)組件(jian)將四個工(gong)位有機(ji)聯系(xi)(xi)起來。
四、現場應用(yong)
上述檢(jian)測系統在現場應用如圖7-85所示。
測(ce)試樣(yang)品及測(ce)試結果(guo)(guo)如圖7-86與(yu)(yu)圖7-87所示(shi)。測(ce)試結果(guo)(guo)表明，軸承套圈裂紋漏磁檢(jian)測(ce)裝置具(ju)有良好的(de)檢(jian)測(ce)靈敏度與(yu)(yu)可靠性，檢(jian)測(ce)效(xiao)率高。
