軸承套圈裂紋高速漏磁檢測系統

孟杰，李二龍，唐健，康宜華，2

(1.華中科技大學 數字制造裝備與技術國家重點實驗室,武漢 430074；2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司,武漢 430074)

據統計，由于軸承套圈損傷而引起的故障大約占旋轉機械現場故障的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、超聲法以及機器視覺法等[2-5]。人工檢測效率低，容易產生誤判和漏判；磁粉法對檢測人員的技術和經驗要求高，檢測速度慢，磁懸液后續處理麻煩；超聲法檢測速度慢、效率低，同時耦合劑若未及時處理，將影響后續加工工藝；機器視覺法主要針對軸承套圈表面缺陷的檢測，無法進行內部缺陷檢測。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，將漏磁法應用于軸承套圈的表面微細裂紋檢測，采用內外壁雙面漏磁檢測方式，設計了多軸承套圈同步高速檢測機構，同時使用磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微細裂紋產生的漏磁場并進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 軸承套圈結構和缺陷特點

軸承套圈結構呈圓環形，且寬度較小。軸承套圈成形大多要經過鍛造工序，由于原材料存在缺陷或是鍛造工藝不當等原因，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[6-7]。

1.2 軸承套圈微細裂紋漏磁檢測方法

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行局部磁化，使被檢工件達到磁飽和狀態，若被測工件表面光滑，內部沒有缺陷，磁通將全部通過工件；若材料表面或近表面存在缺陷時，其附近的磁場發生泄漏，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

現有的軸承套圈自動檢測系統大多采用單工位檢測單工件的方式，即每次僅能檢測1個套圈[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構，將多個套圈通過導桿穿在一起構成一個長筒形結構的多套圈組件，將該多套圈組件作為一個檢測單位，從而提高檢測速度。同時，為提高內外表面微細裂紋的檢測精度，增強內外傷的區分能力，采用套圈內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桿將內檢探頭布置在套圈內部，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 磁化機構

根據磁性檢測原理，檢測時外加磁場方向應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需對套圈進行周向磁化，采用U形磁軛磁化方法形成周向磁化場實現工件的周向磁化。當改變軸承套圈規格時，對極靴進行微調，以保證工件的磁化效果，適應多規格軸承套圈的磁化。通過有限元法分析磁化機構磁化效果，線圈匝數為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，該材料飽和磁化強度約1.3 T。磁化機構的磁場的分布云圖如圖4所示，磁化機構形成了良好的磁回路，多套圈組件外壁檢測區域的磁感應強度達到了1.0 T，內壁檢測區域的磁感應強度達到了1.2 T，滿足磁化要求且磁化場比較均勻，磁化端部效應較小。另外，通過調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 磁化機構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計

探頭的選擇和設計應結合漏磁場的大小、工件形狀等因素。漏磁場強度僅與裂紋的寬度、深度有關，即套圈微細裂紋產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，套圈檢測前經過了磨削、清洗等處理，表面質量良好(表面粗糙度Ra值為0.8 μm)，可以忽略表面質量對檢測的影響。針對以上問題，設計了一種磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微弱漏磁場，其結構如圖5所示。

圖5 磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭結構示意圖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動狀態影響較大；霍爾元件靈敏度較高，但達到飽和狀態時需要添加偏置磁場穩定其基準電壓，整體磁場和缺陷漏磁場同樣會受到偏置磁場的影響而發生變化，影響檢測結果。因此，選用差分式磁敏電阻作為檢測元件[11]，其優勢在于：1)抗外界干擾能力強，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)穩定性高，阻值隨著磁場強度的增大而增大，受運動狀態影響較小；4)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組成，可根據工件形狀進行仿形設計。

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

為保證微細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，采用仿形探頭結構，將內外檢探頭前端根據套圈內徑和外徑分別加工成外凸形和內凹形，減小提離從而增強檢測信號強度，且在檢測不同規格的套圈時更換對應規格探頭即可。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，同時采用跟蹤裝置保證上下料時探頭收起，以避免工件的撞擊。

圖7 探頭結構示意圖Fig.7 Structure diagram of probes

探頭包括內檢探頭和外檢探頭，探頭均由10個通道組成，每個套圈的內、外表面分別對應內外檢探頭的1個通道。其由10個通道組成，每個通道分別對應1個套圈。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磁漏磁檢測方法中強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象[13-14]，同時在通道間添加隔離片進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，主要包括檢測運動系統、漏磁檢測單機、運動控制系統以及計算機信號處理系統，實現軸承套圈從上料到產品檢測、分選全過程的自動化。

圖8 檢測運動系統示意圖Fig.8 Diagram of detection motion system

2.1 檢測運動系統

檢測運動系統主要包括上料機構、旋轉機構以及分選裝置。上料機構包括上料滑道、上料氣缸以及上料滾筒。套圈通過上料滑道依次進入上料滾筒并由上料氣缸推入導桿，導桿套滿工件后由旋轉機構驅動檢測單機中的滾筒轉動，從而實現多套圈組件的檢測。通過控制電動機轉速，保證套圈在2 s檢測時間內旋轉6圈，保證缺陷信號的重復次數。完成檢測的套圈組件由推料機構帶至分選機構，并通過擋料器將套圈依次擋入分選裝置，分選機構通過漏磁檢測單機和計算機信號處理系統的判斷結果對軸承套圈進行自動分選。各個組件相互配合，裝置可以精準控制檢測速度，保證了漏磁檢測的穩定性和可靠性。

2.2 運動控制系統

運動控制系統是實現自動化檢測的重要環節，通過PLC進行控制，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

為進一步提高系統穩定性，降低外界電磁干擾、機械抖動等問題所產生干擾信號導致的誤報現象，進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檢測時間內，缺陷信號呈周期性分布，峰值近似等距出現6次且波形峰值等特征穩定，而干擾信號出現位置隨機且出現頻率低。基于以上信號特征，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 誤報信號情況Fig.10 False alarm signal condition

1)完成2 s內所有檢測數據樣本X的采集；

2)將X等分為6塊并提取信號峰值Ai及其橫坐標ai(i=1，2，…，6)。

3)設定峰值門限A，若Ai

4)若Ai超過A的次數不大于2，則消除誤判信號，進入合格區；否則,進入下一步。

5)統計信號峰值滿足Ai≈Ai+1≈Ai+2且出現位置ai+1-ai≈ai+2-ai+1滿足的次數N，若N<1則消除誤判信號，進入合格區；若N≥1則進入不合格區。

3 測試與應用

由于套圈采用內外壁雙面檢測，所以內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準傷,長、寬、深分別為(10±0.5) mm,(0.2±0.01) mm,(0.1±0.01) mm。對刻有標準傷的樣件進行檢測，通過調整增益，使得標準傷信號峰值為2.5V，設定報警門限為2 V。將信號峰值高于報警門限的漏磁檢測信號定為報警信號，結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 標準傷及檢測信號Fig.11 Standard damage and detection signals

對軸承套圈進行批量檢測，選取軸承套圈50個，其中46個為合格產品，4個為帶傷樣件，循環進行10次試驗，即累計檢測數量為500。軸承套圈自然缺陷及檢測信號波形如圖12所示。結果表明該系統可精準檢測出軸承套圈上存在的自然傷及其信號，樣傷件無漏報；由于信號擾動、設備抖動等原因導致誤報，但誤報率僅為1%，在允許范圍內。

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 結束語

設計了用于軸承套圈無損探傷的漏磁檢測裝置，實現了軸承套圈上料、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構及控制系統顯著提高了套圈檢測速度以及穩定性；采用磁屏蔽式仿形磁敏電阻陣列探頭拾取微細裂紋產生的漏磁場以及可以減少誤判的信號處理系統則滿足了高速、高精的漏磁檢測需求。另外，檢測過程可以實時控制，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，但在實際實用中可考慮增加周向裂紋和端面裂紋進行復合檢測，以進一步提高檢測的可靠性。