關(guān)于軸承質(zhì)量檢測方法的研究

孟鑫

（航天精工股份有限公司，天津 300300）

0.引言

截至目前，我國在軸承質(zhì)量檢測方面依然使用傳統(tǒng)的手工測量方法，不僅無法保證軸承的測量精度，還會對軸承造成二次傷害，難以保證企業(yè)生產(chǎn)的軸承質(zhì)量符合需求，這樣的軸承在實際使用過程中會出現(xiàn)種種問題。在信息技術(shù)、光學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時代背景下，諸如激光檢測技術(shù)、光譜檢測技術(shù)、電渦流檢測技術(shù)都得到了充足有效的發(fā)展，如何將這些技術(shù)應(yīng)用到軸承質(zhì)量檢測當(dāng)中，根據(jù)軸承的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸選擇科學(xué)合理的檢測方法，對軸承質(zhì)量進(jìn)行全面細(xì)致的檢測分析，及時發(fā)現(xiàn)軸承中的刮痕、氣孔、斷裂等質(zhì)量問題，及時更換軸承設(shè)備，確保機械系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)，是當(dāng)下從業(yè)人員需要考慮的重要問題。

1.軸承質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)

軸承的加工質(zhì)量對軸承的運轉(zhuǎn)情況有著決定性的影響，任何一個地方出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，都會給軸承使用帶來諸多麻煩，因此在使用軸承之前，必須對軸承質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，具體的質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)如下。

1.1 對于徑向厚壁瓦

需要使用壓鉛法、抬軸法檢測軸承間隙以及瓦殼過盈量，軸間隙需要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，瓦殼過盈量應(yīng)該控制在0.02mm 以下[1]。

檢測軸承的外輪廓、轉(zhuǎn)子、滑道等各個部位，確保軸承沒有損傷與裂紋，軸瓦不能出現(xiàn)剝落、氣孔、裂紋等問題。

檢測軸瓦和軸頸的接觸狀態(tài)，在接觸范圍內(nèi)要保證接觸均勻，每平方厘米要有2～4個接觸點，一旦出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象，就需要做出適當(dāng)?shù)墓窝小６ㄆ谇謇磔S承箱，保證各個油孔暢通無阻，不能出現(xiàn)漏油、滲液的問題。瓦背和軸承座之間應(yīng)該緊密均勻貼合，接觸面積不得小于50%。

1.2 對于徑向薄壁瓦

軸瓦的合金層和瓦殼之間應(yīng)該緊密貼合在一起，不能出現(xiàn)分層、脫殼等問題。合金層表面和兩半瓦中的分面應(yīng)該保證光滑、平整，不得出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、劃傷等問題。

瓦背和軸承座之間應(yīng)該緊密貼合，使用著色法檢驗分析，對于內(nèi)徑小于180mm的軸承，接觸面積應(yīng)該在85mm2以上，內(nèi)徑大于180mm的，接觸面積不得低于70mm2。

軸承裝配成功后，還需要檢測中分面位置的間隙，一般用0.02mm的塞尺檢測，以無法塞入為合格。

1.3 對于止推軸承

軸瓦不得出現(xiàn)磨損、變形、裂痕、脫層、灼傷等問題，與止推盤的接觸位置應(yīng)該保證印痕均勻，接觸面積應(yīng)該在70mm2以上，圓周各個瓦塊應(yīng)該分布均勻；同組瓦塊的厚度差不得超過0.01mm，瓦塊巴氏合金應(yīng)該按照旋轉(zhuǎn)方向修圓進(jìn)油楔，為潤滑油的流入奠定良好的基礎(chǔ)；背部承力面應(yīng)該保證平整光滑。

調(diào)整墊片應(yīng)該保證光滑、平整，在檢測質(zhì)量時可以使用厚度在0.01mm以下的墊片檢測。

軸承蓋裝配之后需要使用推軸法檢測軸承的間隙，確保間隙值在合理范圍之內(nèi)，該檢測步驟需要多次反復(fù)進(jìn)行。采用這種方法檢測出來的結(jié)果應(yīng)該與軸位移探頭的測量結(jié)果保持一致，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整位移探頭的零刻度位置。

軸承殼水平結(jié)合面應(yīng)該保持嚴(yán)密，不漏油、不錯位。測油溫的油孔和瓦蓋眼之間應(yīng)該在一條直線上，不得出現(xiàn)傾斜、偏移的問題，還需要保證油孔暢通無阻。

2.軸承外形輪廓的質(zhì)量檢測技術(shù)分析

2.1 軸承外形輪廓的結(jié)構(gòu)及特征

軸承通常由內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架等幾部分組成。其中內(nèi)圈也可以稱之為內(nèi)套、內(nèi)環(huán)，一般固定在軸徑上，內(nèi)圈與軸一起做旋轉(zhuǎn)運動。內(nèi)圈外表面上一般都有供滾子、滾珠運動的溝槽，稱之為內(nèi)溝或者內(nèi)滾道。外圈也叫作外套或者外環(huán)，一般固定在軸承座或者機械設(shè)備上，主要作用是支撐滾動體。外圈表面上也有供滾子、滾珠運動的溝槽，叫作內(nèi)溝或者內(nèi)滾道。滾動體通常裝配在外圈和內(nèi)圈之間，其主要作用是傳遞力矩，支撐內(nèi)圈和外圈的相對運動[2]。滾動體的形狀、大小和數(shù)量決定了軸承所承受的壓力載荷以及旋轉(zhuǎn)速度。保持架是將滾動體均勻隔離開的設(shè)備，避免滾動體在運動過程中出現(xiàn)位移、碰撞的問題。

截至目前，軸承在很多行業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的普及與應(yīng)用，軸承的種類非常繁多，諸如滑動軸承、深溝球軸承、角接觸軸承、推力球軸承、滾針軸承等，不同類型的軸承在結(jié)構(gòu)上存在很大的差異，所應(yīng)用的質(zhì)量檢測方法也千差萬別。與此同時，軸承形闊的檢測內(nèi)容比較多，要求精度也比較高，具體的檢測內(nèi)容包括內(nèi)圈直徑、外圈直徑、高度尺寸、橢圓度、壁厚、平行差、滾道壁厚等，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法顯然已經(jīng)無法滿足人們的需求，因此急需一種科學(xué)先進(jìn)的檢測方法，對軸承質(zhì)量展開全面細(xì)致的檢測分析。

2.2 軸承外形輪廓的質(zhì)量檢測方法

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對軸承零件的加工精度、加工質(zhì)量提出了越來越高的要求，使得軸承的質(zhì)量檢測內(nèi)容越來越多，質(zhì)量檢測效率也進(jìn)一步提高。截至目前，過去的接觸式測量方法存在檢測結(jié)果不精準(zhǔn)、檢測效率低下、檢測內(nèi)容少等諸多問題，甚至?xí)S承造成一定的損傷，顯然已經(jīng)滿足不了工業(yè)生產(chǎn)需求，急需一種先進(jìn)合理的質(zhì)量檢測方法。除此之外，非接觸式測量方法與被測物體不發(fā)生接觸，在不破壞測試對象表面的情況下完成測量。這種測量方法有著檢測精度高、檢測速度快的優(yōu)勢特征，在機械加工、航天航空等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

非接觸式質(zhì)量檢測技術(shù)通常有微波技術(shù)、超聲波技術(shù)、光波技術(shù)等3種。其中微波檢測技術(shù)通常應(yīng)用于尺寸較大的軸承三維測量，但是艾里斑半徑比較大，角度分辨率比較低。光波測量技術(shù)的波長比較短，角度分辨率和深度分辨率非常高。超聲波檢測技術(shù)能夠洞穿金屬介質(zhì)達(dá)到無損檢測的目的，然而需要耦合介質(zhì)，導(dǎo)致檢測范圍比較狹窄。參考實際情況，與微波檢測、超聲波檢測技術(shù)相比，因為光波的波長比較短，通常在300nm到3um區(qū)間內(nèi)，光學(xué)三維傳感器的深度分辨率、角度分辨率與微波、超聲波相比高出了103個數(shù)量級，所以光波檢測技術(shù)的應(yīng)用頻率更高，接下來將詳細(xì)分析光波質(zhì)量檢測技術(shù)。

2.2.1 激光三角法

激光三角法是典型的主動視覺測量方法，主要是借助光源、光敏元件的位置、角度來測量分析測試對象表面的位置信息，在測量過程中會用到激光器、匯聚透鏡、光電探測器等設(shè)備。具體做法是將一束激光以特定角度照射到被測物體表面，激光在測試對象表面發(fā)生反射，在光電探測器上顯示出來。成像點在光電探測器上發(fā)生的位移和實際位移存在特定的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而利用光電探測器上的相移來核算出真實的位移，并根據(jù)位移的大小來判斷測試對象表面的光滑度。

2.2.2 飛行時間法

飛行時間法是利用發(fā)射器發(fā)出一束激光，經(jīng)過測試對象反射之后被接收器接收，利用軟件計算出激光從發(fā)射器發(fā)出到接收器接收之間的時間，進(jìn)而計算出被測對象的距離數(shù)據(jù)。飛行時間法還擁有配套的掃描設(shè)施來繪制被測對象的三維輪廓信息。飛行時間法的原理比較簡單，能夠測量尺寸較大的物體，用這種方法測量軸承表面的光滑度、裂紋等質(zhì)量問題是非常合適的。另一方面，由于飛行時間法是利用激光發(fā)出與接收之間的時間差來檢測輪廓質(zhì)量，要想得到高精度的測量結(jié)果需要非常高的分辨率，這對飛行時間法的應(yīng)用與普及造成了一定的不利影響。

2.2.3 投影條紋法

投影條紋法是利用調(diào)整光束的光學(xué)特性、投影角度來獲取目標(biāo)圖像，有著測量效率高、技術(shù)含量高、柔性好的優(yōu)勢特征。以投影條紋法為基礎(chǔ)的測量方法可以分為兩種：一種是葉輪廓術(shù)；另一種是位像測量輪廓術(shù)。其中葉輪廓術(shù)是利用傅里葉變換把空間信息傳輸?shù)筋l域上來處理，把條紋映射到物體表面，獲取變形的條紋圖并實施傅里葉變換、逆變換等，得到條紋相位信息，進(jìn)而得到測試對象的輪廓信息。相位測量輪廓術(shù)利用相位和高度的對應(yīng)關(guān)系測量投影到物體上的變形條紋像的相位進(jìn)而得到測試對象的三維圖像。

2.2.4 光譜共焦法

光譜共焦顯微技術(shù)是20世紀(jì)50年代由Minsky創(chuàng)新發(fā)明的，光譜共焦技術(shù)發(fā)明初期主要應(yīng)用到顯微鏡技術(shù)當(dāng)中。在信息技術(shù)高度發(fā)展的時代背景下，光譜共焦技術(shù)的測量精度越來越高、分辨率不斷提升，而且擁有了三維數(shù)字化成像技術(shù)，在微觀形廓精密測量作業(yè)中得到了廣泛的普及與應(yīng)用。因此在軸承質(zhì)量檢測過程中，可以使用光譜共焦法測量軸承外形輪廓的質(zhì)量問題。根據(jù)《幾何產(chǎn)品參數(shù)-表面微觀形廓》的內(nèi)容，光譜共焦法是微觀形廓測量中最為重要的測量設(shè)備，測量精度已經(jīng)達(dá)到了nm的級別。光譜共焦位移傳感器的光源會發(fā)出一束光譜較寬的復(fù)色光，利用傳感器內(nèi)部的色散鏡頭形成光譜色散，進(jìn)而形成與不同測量距離值一一對應(yīng)的單色光。傳感設(shè)備利用內(nèi)部光譜儀接收單色光波長，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理進(jìn)而得到測量對象表面的距離信息。光譜共焦法除了能夠測量位移信息之外，還可以檢測一些細(xì)微的、難以測量的微小結(jié)構(gòu)信息，因此光譜共焦法能夠很好地測量出軸承外表面的凹陷、劃痕等質(zhì)量問題。

3.渦流檢測技術(shù)的原理及應(yīng)用

渦流檢測技術(shù)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理而創(chuàng)新設(shè)計出來的新型檢測技術(shù)，通常應(yīng)用于機械設(shè)備的無損檢測、位移檢測當(dāng)中。無損檢測對應(yīng)的電渦流傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)兩種非接觸式測量。

渦流檢測技術(shù)原理：該技術(shù)是以電磁學(xué)為基礎(chǔ)，屬于典型的非接觸式無損測量手段，有著檢測效率高、智能化水平高、無需耦合劑、可檢測小型零件、支持高溫檢測等多種優(yōu)點，但是也存在一定的缺陷與不足，渦輪檢測只能檢測導(dǎo)電材料的近距離表面檢測[4]。一個線圈兩端施加一個交流電壓激勵信號，因為電磁感應(yīng)原理會使得線圈周圍形成一個不斷變化的磁場，磁場中的導(dǎo)電材料會形成渦流，進(jìn)而產(chǎn)生一個磁場。渦流形成的反作用磁場能夠反應(yīng)出導(dǎo)電材料的好壞。因此當(dāng)軸承材料內(nèi)部出現(xiàn)裂痕、空洞、氣泡等質(zhì)量問題時，利用渦流檢測技術(shù)可以輕松地識別出來。

渦流檢測技術(shù)的渦流探頭可以分為兩種：一種是自感式，另一種是互感式。其中自感式探頭的檢測信號是線圈阻抗的變化情況，探頭內(nèi)部配備了一個線圈，該線圈兼具激勵線圈和檢測線圈兩種屬性。互感式探頭的檢測信號是線圈中的感應(yīng)電壓，探頭內(nèi)配置了兩組線圈，其中一個是激勵線圈，在激勵信號的影響下探頭周圍會形成不斷變化的磁場；另一組是檢測線圈，在測試對象電渦流的影響下會形成感應(yīng)電壓。

渦流探頭主要分為兩種：一種是絕對式，另一種是差動式。其中絕對式渦流探頭有一個檢測線圈，能夠快速測量線圈的阻抗變化，從而獲取檢測信號，檢測時把測量對象的阻抗值和標(biāo)準(zhǔn)件阻抗進(jìn)行對比分析，假如兩者的阻抗值相同，說明被測物體質(zhì)量合格，不然的話說明被測物體的質(zhì)量有缺陷[5]。差動式探頭的內(nèi)部線圈是由兩個線圈反接而成的，進(jìn)而實現(xiàn)差動的效果，參考線圈的連接方式，差動式探頭又細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)比較式、自比較式兩種。其中標(biāo)準(zhǔn)比較式將兩個一模一樣的線圈反接在一起，一個線圈放在標(biāo)準(zhǔn)試件的上部，另一個線圈放在被測物體的上方。如果被測物體的表面存在劃痕、損傷、裂紋等問題時，其電渦流就會發(fā)生變化，兩個線圈的阻抗也會有所不同，這樣一來就可以判斷軸承的加工質(zhì)量是否達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)。自比較式探頭屬于變異的標(biāo)準(zhǔn)比較式，與被測物體進(jìn)行對比的信號來自于被測物體本身，使用兩個相互靠近的線圈對被測物體的相鄰部位進(jìn)行測量。一般情況下被測物體相鄰位置的屬性結(jié)構(gòu)應(yīng)該是接近的，兩個線圈的差動連接不會出現(xiàn)太大的變化，但是當(dāng)線圈檢測到被測物體有缺陷時，兩個相鄰線圈的阻抗就會發(fā)生變化，進(jìn)而輸出質(zhì)量缺陷的警報信號。

4.總結(jié)

軸承是機械系統(tǒng)中的重要零部件，其運轉(zhuǎn)狀態(tài)對整個機械系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況、整體性能有著不可忽視的影響。但是由于軸承加工技術(shù)的限制，導(dǎo)致部分軸承出現(xiàn)了裂紋、灼傷、刮痕、氣孔、夾渣等多種問題，這些質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的軸承是不適合應(yīng)用到機械系統(tǒng)中的，特別是一些精度要求高、穩(wěn)定性要求高的機械系統(tǒng)。因此在軸承加工以及使用過程中，人們要高度重視軸承的質(zhì)量檢測，綜合使用著色法、激光三角法、飛行時間法、投影條紋法、光譜共焦法、渦流檢測技術(shù)等對軸承的外輪廓、內(nèi)部缺陷進(jìn)行全面細(xì)致的檢測分析，充分保證軸承質(zhì)量符合要求，從而維護(hù)機械系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。