孟杰，李二龍，唐健，康宜華，2

(1.華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074；2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢 430074)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于軸承套圈損傷而引起的故障大約占旋轉(zhuǎn)機(jī)械現(xiàn)場故障的30%，其中大約90%的故障源自套圈的裂紋[1]，因此提高軸承套圈的裂紋檢測能力尤為重要。目前，軸承套圈探傷方法主要有人工檢測、磁粉法、超聲法以及機(jī)器視覺法等[2-5]。人工檢測效率低，容易產(chǎn)生誤判和漏判；磁粉法對檢測人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求高，檢測速度慢，磁懸液后續(xù)處理麻煩；超聲法檢測速度慢、效率低，同時(shí)耦合劑若未及時(shí)處理，將影響后續(xù)加工工藝；機(jī)器視覺法主要針對軸承套圈表面缺陷的檢測，無法進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測。與以上檢測方法相比，漏磁檢測不僅工藝流程簡單、靈敏度高、檢測速度快，而且對內(nèi)外表面的裂紋、腐蝕和凹坑等缺陷具有很好的檢出能力[5]。

因此，將漏磁法應(yīng)用于軸承套圈的表面微細(xì)裂紋檢測，采用內(nèi)外壁雙面漏磁檢測方式，設(shè)計(jì)了多軸承套圈同步高速檢測機(jī)構(gòu)，同時(shí)使用磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場并進(jìn)行減少誤判的信號處理，滿足小直徑軸承套圈高速、高精的漏磁檢測需求。

1 軸承套圈高速漏磁檢測方法

1.1 軸承套圈結(jié)構(gòu)和缺陷特點(diǎn)

軸承套圈結(jié)構(gòu)呈圓環(huán)形，且寬度較小。軸承套圈成形大多要經(jīng)過鍛造工序，由于原材料存在缺陷或是鍛造工藝不當(dāng)?shù)仍?，軸承套圈缺陷通常沿軋制方向呈直線分布，以表面裂紋、折疊裂紋等縱向缺陷的形式呈現(xiàn)[6-7]。

1.2 軸承套圈微細(xì)裂紋漏磁檢測方法

1.2.1 漏磁檢測原理

漏磁檢測是利用勵磁源對被檢工件進(jìn)行局部磁化，使被檢工件達(dá)到磁飽和狀態(tài)，若被測工件表面光滑，內(nèi)部沒有缺陷，磁通將全部通過工件；若材料表面或近表面存在缺陷時(shí)，其附近的磁場發(fā)生泄漏，通過傳感器檢測到漏磁場。軸承套圈主要為縱向裂紋類缺陷，所以采用縱向漏磁內(nèi)外檢測方法，檢測原理如圖1所示。

圖1 縱向漏磁檢測原理示意圖Fig.1 Diagram of longitudinal magnetic flux leakage detection

1.2.2 檢測方式選擇

現(xiàn)有的軸承套圈自動檢測系統(tǒng)大多采用單工位檢測單工件的方式，即每次僅能檢測1個(gè)套圈[2-4,8]，檢測效率很低。因此，采用了一種新型多套圈同步高速檢測機(jī)構(gòu)，將多個(gè)套圈通過導(dǎo)桿穿在一起構(gòu)成一個(gè)長筒形結(jié)構(gòu)的多套圈組件，將該多套圈組件作為一個(gè)檢測單位，從而提高檢測速度。同時(shí)，為提高內(nèi)外表面微細(xì)裂紋的檢測精度，增強(qiáng)內(nèi)外傷的區(qū)分能力，采用套圈內(nèi)外壁雙面漏磁檢測方式，在套圈外壁布置外檢探頭并利用導(dǎo)桿將內(nèi)檢探頭布置在套圈內(nèi)部，檢測方式如圖2所示。

圖2 檢測方式示意圖Fig.2 Diagram of detection method

1.2.3 磁化機(jī)構(gòu)

根據(jù)磁性檢測原理，檢測時(shí)外加磁場方向應(yīng)最大限度與缺陷走向垂直，以激勵出最大的漏磁場。因此檢測縱向裂紋時(shí)需對套圈進(jìn)行周向磁化，采用U形磁軛磁化方法形成周向磁化場實(shí)現(xiàn)工件的周向磁化。當(dāng)改變軸承套圈規(guī)格時(shí)，對極靴進(jìn)行微調(diào)，以保證工件的磁化效果，適應(yīng)多規(guī)格軸承套圈的磁化。通過有限元法分析磁化機(jī)構(gòu)磁化效果，線圈匝數(shù)為1 000，通電電流為6 A，套圈材料為GCr15，其磁化曲線如圖3所示，該材料飽和磁化強(qiáng)度約1.3 T。磁化機(jī)構(gòu)的磁場的分布云圖如圖4所示，磁化機(jī)構(gòu)形成了良好的磁回路，多套圈組件外壁檢測區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1.0 T，內(nèi)壁檢測區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到了1.2 T，滿足磁化要求且磁化場比較均勻，磁化端部效應(yīng)較小。另外，通過調(diào)整兩端傳感器的靈敏度即可保證信號的一致性。

圖3 GCr15的B-H曲線Fig.3 B-H curve of GCr15

圖4 磁化機(jī)構(gòu)及套圈磁場分布云圖Fig.4 Magnetization mechanism and distribution nephogram of magnetic field on ring

1.2.4 磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭設(shè)計(jì)

探頭的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合漏磁場的大小、工件形狀等因素。漏磁場強(qiáng)度僅與裂紋的寬度、深度有關(guān)，即套圈微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場將極為微弱，需使用高靈敏傳感器，減小探頭提離及背景磁場干擾等手段。同時(shí)，套圈檢測前經(jīng)過了磨削、清洗等處理，表面質(zhì)量良好(表面粗糙度Ra值為0.8 μm)，可以忽略表面質(zhì)量對檢測的影響。針對以上問題，設(shè)計(jì)了一種磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微弱漏磁場，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of magnetic shielded profiling magnetoresistor array probe

常見的磁敏傳感器主要使用線圈或霍爾元件。線圈的靈敏度較低且受工件運(yùn)動狀態(tài)影響較大；霍爾元件靈敏度較高，但達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)需要添加偏置磁場穩(wěn)定其基準(zhǔn)電壓，整體磁場和缺陷漏磁場同樣會受到偏置磁場的影響而發(fā)生變化，影響檢測結(jié)果。因此，選用差分式磁敏電阻作為檢測元件[11]，其優(yōu)勢在于：1)抗外界干擾能力強(qiáng)，采用差分組合形式，能有效消除測量過程中振動、晃動以及電磁干擾的影響；2)靈敏度高，一般為霍爾元件的5～20倍；3)穩(wěn)定性高，阻值隨著磁場強(qiáng)度的增大而增大，受運(yùn)動狀態(tài)影響較?。?)探頭形狀易改變，如圖6所示，磁敏電阻由InSb晶體和金屬短路條串聯(lián)組成，可根據(jù)工件形狀進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)。

圖6 差分式磁敏電阻示意圖Fig.6 Diagram of differential magnetoresistor

為保證微細(xì)裂紋精密檢測的精度，必須保證探頭能檢測到足夠大的漏磁場信號。如圖7所示，小曲率半徑的套圈和平底探頭會形成較大的提離，使信號迅速衰減，檢測精度降低[12]；因此，采用仿形探頭結(jié)構(gòu)，將內(nèi)外檢探頭前端根據(jù)套圈內(nèi)徑和外徑分別加工成外凸形和內(nèi)凹形，減小提離從而增強(qiáng)檢測信號強(qiáng)度，且在檢測不同規(guī)格的套圈時(shí)更換對應(yīng)規(guī)格探頭即可。另外，考慮到探頭使用壽命，在探頭接觸工件的部位添加0.5 mm厚的耐磨瓦片，同時(shí)采用跟蹤裝置保證上下料時(shí)探頭收起，以避免工件的撞擊。

圖7 探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of probes

探頭包括內(nèi)檢探頭和外檢探頭，探頭均由10個(gè)通道組成，每個(gè)套圈的內(nèi)、外表面分別對應(yīng)內(nèi)外檢探頭的1個(gè)通道。其由10個(gè)通道組成，每個(gè)通道分別對應(yīng)1個(gè)套圈。為保證被測套圈全覆蓋檢測，要求檢測探頭的有效檢測范圍應(yīng)大于被檢測套圈組件的長度。另外，采用屏蔽罩包覆探頭形成磁屏障，有效消除或減少傳統(tǒng)磁漏磁檢測方法中強(qiáng)背景磁場引起的缺陷信息失真、磁噪聲以及磁敏元件的飽和不工作現(xiàn)象[13-14]，同時(shí)在通道間添加隔離片進(jìn)一步減少通道間的信號竄擾。

2 高速漏磁檢測裝置

高速漏磁檢測裝置如圖8所示，主要包括檢測運(yùn)動系統(tǒng)、漏磁檢測單機(jī)、運(yùn)動控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)信號處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軸承套圈從上料到產(chǎn)品檢測、分選全過程的自動化。

圖8 檢測運(yùn)動系統(tǒng)示意圖Fig.8 Diagram of detection motion system

2.1 檢測運(yùn)動系統(tǒng)

檢測運(yùn)動系統(tǒng)主要包括上料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及分選裝置。上料機(jī)構(gòu)包括上料滑道、上料氣缸以及上料滾筒。套圈通過上料滑道依次進(jìn)入上料滾筒并由上料氣缸推入導(dǎo)桿，導(dǎo)桿套滿工件后由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動檢測單機(jī)中的滾筒轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)多套圈組件的檢測。通過控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，保證套圈在2 s檢測時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)6圈，保證缺陷信號的重復(fù)次數(shù)。完成檢測的套圈組件由推料機(jī)構(gòu)帶至分選機(jī)構(gòu)，并通過擋料器將套圈依次擋入分選裝置，分選機(jī)構(gòu)通過漏磁檢測單機(jī)和計(jì)算機(jī)信號處理系統(tǒng)的判斷結(jié)果對軸承套圈進(jìn)行自動分選。各個(gè)組件相互配合，裝置可以精準(zhǔn)控制檢測速度，保證了漏磁檢測的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動化檢測的重要環(huán)節(jié)，通過PLC進(jìn)行控制，檢測流程如圖9所示。

圖9 套圈檢測流程Fig.9 Detection process for ring

2.3 信號處理系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低外界電磁干擾、機(jī)械抖動等問題所產(chǎn)生干擾信號導(dǎo)致的誤報(bào)現(xiàn)象，進(jìn)行了減少誤判的信號處理算法研究。某檢測信號如圖10所示，在2 s檢測時(shí)間內(nèi)，缺陷信號呈周期性分布，峰值近似等距出現(xiàn)6次且波形峰值等特征穩(wěn)定，而干擾信號出現(xiàn)位置隨機(jī)且出現(xiàn)頻率低?；谝陨闲盘柼卣?，采用減少誤判的信號處理方法，信號處理算法思路如下：

圖10 誤報(bào)信號情況Fig.10 False alarm signal condition

1)完成2 s內(nèi)所有檢測數(shù)據(jù)樣本X的采集；

2)將X等分為6塊并提取信號峰值A(chǔ)i及其橫坐標(biāo)ai(i=1，2，…，6)。

3)設(shè)定峰值門限A，若Ai

4)若Ai超過A的次數(shù)不大于2，則消除誤判信號，進(jìn)入合格區(qū)；否則,進(jìn)入下一步。

5)統(tǒng)計(jì)信號峰值滿足Ai≈Ai+1≈Ai+2且出現(xiàn)位置ai+1-ai≈ai+2-ai+1滿足的次數(shù)N，若N<1則消除誤判信號，進(jìn)入合格區(qū)；若N≥1則進(jìn)入不合格區(qū)。

3 測試與應(yīng)用

由于套圈采用內(nèi)外壁雙面檢測，所以內(nèi)外樣傷的檢測情況相近，下面僅測試外壁縱向分布微裂紋標(biāo)準(zhǔn)傷,長、寬、深分別為(10±0.5) mm,(0.2±0.01) mm,(0.1±0.01) mm。對刻有標(biāo)準(zhǔn)傷的樣件進(jìn)行檢測，通過調(diào)整增益，使得標(biāo)準(zhǔn)傷信號峰值為2.5V，設(shè)定報(bào)警門限為2 V。將信號峰值高于報(bào)警門限的漏磁檢測信號定為報(bào)警信號，結(jié)合減少誤判的信號處理方法判定軸承套圈是否合格；若套圈檢測信號始終低于報(bào)警門限則判定為合格品，缺陷及檢測信號如圖11所示。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)傷及檢測信號Fig.11 Standard damage and detection signals

對軸承套圈進(jìn)行批量檢測，選取軸承套圈50個(gè)，其中46個(gè)為合格產(chǎn)品，4個(gè)為帶傷樣件，循環(huán)進(jìn)行10次試驗(yàn)，即累計(jì)檢測數(shù)量為500。軸承套圈自然缺陷及檢測信號波形如圖12所示。結(jié)果表明該系統(tǒng)可精準(zhǔn)檢測出軸承套圈上存在的自然傷及其信號，樣傷件無漏報(bào)；由于信號擾動、設(shè)備抖動等原因?qū)е抡`報(bào)，但誤報(bào)率僅為1%，在允許范圍內(nèi)。

圖12 軸承套圈自然缺陷及檢測信號Fig.12 Natural defects on bearing ring and detection signals

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了用于軸承套圈無損探傷的漏磁檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了軸承套圈上料、檢測、分選的全程自動化。提出了一種多套圈內(nèi)外壁雙面同步高速漏磁檢測裝置，其采用的多套圈同步高速檢測機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)顯著提高了套圈檢測速度以及穩(wěn)定性；采用磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微細(xì)裂紋產(chǎn)生的漏磁場以及可以減少誤判的信號處理系統(tǒng)則滿足了高速、高精的漏磁檢測需求。另外，檢測過程可以實(shí)時(shí)控制，操作過程簡單便捷。值得注意的是，該探傷方法可滿足大部分軸承套圈的檢測需求，但在實(shí)際實(shí)用中可考慮增加周向裂紋和端面裂紋進(jìn)行復(fù)合檢測，以進(jìn)一步提高檢測的可靠性。