应用于驱动轮轴磁粉检测设备的技术改造

应用于驱动轮轴磁粉检测设备的技术改造

■鲍伟宏，刘书铎，赵振凯，孔春花

摘要：驱动轮轴由于长度较长，应用原有探伤机进行磁粉检测时，其杆部正中位置的检测灵敏度无法满足技术要求。通过研究，采用交流纵向闭路磁轭法对探伤机进行技术改造后，使检测灵敏度达到工艺要求。结果表明：应用交流纵向闭路磁轭法对现有磁粉探伤机进行技术改造，可有效提高长度较长零件的磁粉检测灵敏度。

关键词：驱动轮轴；磁粉检测；技术改造

一、问题的提出

磁粉检测是目前机械加工行业公认的一种经济可行的检测铁磁性金属零部件表面及近表面缺陷的方法，它是根据电磁原理用磁粉探伤机对铁磁性金属零部件进行磁化，在探伤机磁化磁场的直接作用或工件磁化后所具备的剩磁的作用下对施加在工件表面的磁粉产生作用，如果工件表面存在缺陷就会产生漏磁场，使磁粉发生聚集堆积作用，形成缺陷磁痕，检验人员可以依据磁痕特征和验收标准对缺陷进行评估和判定。

磁粉检测的核心关键技术就是磁化方法，通过研制适当的磁化装置来实现所需的磁化方法。利用磁化装置使工件表面产生有效的磁场，确保有危害性的缺陷部位的漏磁场具备可靠的吸附磁粉的能力，保证检测的最终效果，防止漏检的发生，是磁粉探伤机功能设计的终极目标。

在科研项目中，我们需要对一种经过感应热处理后的驱动轮轴进行磁粉检测。其总长度为925mm，直径最大处为100mm。

在使用试验室现有的交直流磁粉探伤机检测时，由于零件长度较长，其杆部正中位置磁化效果较差，A1-30/100标准灵敏度试片显示模糊。

为了解决该驱动轮轴磁粉检测灵敏度不足的问题，我们决定对CEW-4000探伤机进行技术改造。

对现有探伤机的磁化装置结构进行深入分析， 原探伤机的结构形式如图1所示。

这种结构形式可描述为 “交流轴向通电周向磁化装置”加“直流电磁轭纵向整体磁化”，其磁化原理是：对工件1周向磁化的实现是通过磁化夹头2a和2b沿工件的轴向按照检测规范要求通一定大小的交流电，由于电磁感应作用，在工件表面产生沿着工件圆周方向的磁场；对工件的纵向磁化属于闭路磁轭磁化，直流纵向磁化线圈4a和4b通电后，产生沿工件1纵向的磁场，对工件实现纵向磁化，该磁场通过前磁化夹头2a、工件1、后磁化夹头2b、后线圈铁心3b、导磁导轨5、前线圈铁心3a、前磁化夹头2a形成闭合磁路。

这种结构形式的复合磁化装置的特点在于：纵向磁化磁通损失小，对工件磁化效果好；采用这种磁化技术的设备，纵向磁化线圈4a和4b分别置于磁化夹头2a和2b两侧，便于工件的快速装卸，操作方便，检测效率高，适用于大批量工件的检测。由于采用直流进行纵向磁化，所以磁化深度较深，有利于发现距工件表面较深的近表面不开口的缺陷。因此这种结构形式的复合磁化装置在对于机械加工的中小型零件，尤其是铸造类零件的磁粉检测中，其检测效果较好，并得到广泛的推广和应用。

然而，其不足之处在于：由于纵向磁化线圈置于磁化夹头2a和2b两侧，距离工件较远，对工件中部的磁化效果较差。随着零件长度的增加，设备检测灵敏度显著下降，因此这种磁化装置仅适用于中小型零件的检测，对于长度1000mm以上的大型工件的检测能力不足；由于纵向磁化采用直流电，磁场渗入工件深度较深，工件剩磁较大，造成退磁难度增大；最为关键的一点是，对于表面结构复杂以及截面变化较多的零件，其导磁效果较差，且零件长度增长时，零件中部的横向缺陷的检测灵敏度明显下降；由于有导磁导轨结构，制造成本较高。

经过上述分析，我们可以知道，要解决目前驱动轮轴检测灵敏度不足的问题必须要扬长避短，保留其优点的同时，引入新的结构要素，方能达到目的。

二、确定整体改造思路

1. 交流纵向闭路磁轭磁化法的技术原理

根据以上分析，经过对设备基本状况的确认，我们根据驱动轮轴的结构特点，准备采用交流纵向闭路磁轭磁化法对现有设备进行技术改造。

图2所示交流纵向闭路磁轭磁化法的结构原理如下：交流纵向磁化线圈4a和4b通电后，产生沿工件1纵向的磁场，对工件1实现交流纵向闭路磁轭磁化，该磁场通过左磁化夹头2a、工件1、右磁化夹头2b、右线圈铁心3b、导磁导轨5、左线圈铁心3a、左磁化夹头2a形成了闭合磁路。

2. 技术改造方案的构思

（1）增加设计2个交流纵向磁化线圈，直接安装于磁化夹头芯轴上，使其更加接近工件，从而增加磁化线圈的有效磁化区域，有效改善对驱动轮轴等轴向长度较长零件的磁化效果。

（2）增加设计交流纵向磁化变压器，为交流纵向磁化线圈提供低电压、大电流的电源供应。 由于交流电的趋肤效应，较之直流电其磁化深度小，工件剩磁减小，可以大大减小工件的退磁难度。

图1 现有设备磁化装置结构原理
1. 工件 2a、2b、2c、2d. 磁化夹头 3a、3b. 线圈铁心 4a、4b. 磁化线圈 5. 导磁导轨

（3）在保留原探伤机交直流磁化、磁悬液喷淋的基本功能的基础上，增加设计交流纵向磁化及退磁功能，实现在本机上退磁。增加设计磁化功能主控电路，实现多功能选择、协调及联锁控制，可以在同一台探伤机上根据检测零件的特征和缺陷的类型自由选择，灵活实现多种磁化方式：“交流轴向通电周向磁化”加“直流电磁轭整体闭路磁化”复合磁化、“交流轴向通电周向磁化”加“交流电磁轭整体闭路磁化”复合磁化、交流轴向通电周向磁化、直流电磁轭整体闭路纵向磁化、交流电磁轭整体闭路纵向磁化。

（4）电气控制系统采用可编程序控制器作为核心，通过编制PLC控制程序实现总体控制及不同零件的检测需求，提高控制的可扩展灵活性及可靠性。

（5）交流周向、直流纵向及新增的交流纵向磁化控制电流电路均采用晶闸管调压控制电路。

（6）重新设计电气控制操作面板，增加交流纵向电流表、交流纵向电流调节旋钮、控制按钮、手动自动选择、磁化方式选择等元件。

（7）对机械传动机构进行修复保养，使传动结构及夹紧机构达到出厂时状态。

（8）原设备置有导磁效果好且剩磁低的低碳钢制成的导轨，该导轨轻微磨损，仍可继续使用，使其成为实现交流闭路磁轭磁化的重要组成部分。

（9）所有分系统准备就绪后，完成对设备的安装及整体系统调试。

（10）对改造后的设备进行实际检测效果验证。

三、具体改造实施过程

1. 机械传动部分

机械传动部分修复保养过程从略。

2.电气控制部分

（1）设计、制作交流纵向磁化变压器。根据原交直流磁粉探伤机的规格容量、检测范围以及使用需求，增加设计、制作合适规格的交流纵向磁化变压器；委托专业厂家制作交流纵向磁化变压器。

（2）设计、制作交流纵向磁化线圈。根据原交直流磁粉探伤机的规格容量、检测范围以及使用需求，以及设计选择的交流纵向磁化变压器的变压比和负载容量，增加设计、制作交流纵向磁化线圈：交流纵向磁化线圈的设计数量为2只，分别用以安装在磁化夹头的铁心上；交流纵向磁化线圈绕制好后用绝缘材料固封成形，根据原交直流磁粉探伤机磁化夹头的心轴直径尺寸来确定线圈的绝缘外壳内径尺寸，保证纵向磁化线圈其绝缘外壳内径尺寸能够使磁化夹头的心轴顺利穿过，并为线圈内孔与心轴之间加垫绝缘缓冲垫留出10mm左右的间隙；根据磁化夹头的心轴轴向伸出长度来确定线圈绝缘外壳轴向宽度尺寸，委托专业厂家制作交流纵向磁化线圈。

（3）确定控制电路总容量。

（4）确定电气系统总体控制方式为可编程序控制器系统。

（5）确定电气控制功能。保留交流周向磁化控制功能；保留直流纵向磁化控制功能；保留磁悬液搅拌、喷淋控制功能；增加设计交流纵向磁化控制功能；增加设计主控电路功能。

（6）确定磁化电流调节实现电路。交流周向、直流纵向及新增的交流纵向磁化磁化电流调节电路均采用晶闸管调压控制技术，安装于电气控制面板的交流纵向电流指示电流表通过交流纵向互感器进行电流采样，并通过电气控制面板的控制旋钮及开关实现。

图2 交流纵向闭路磁轭磁化装置结构原理图
1. 工件 2a、2b. 磁化夹头 3a、3b. 线圈铁心 4a、4b. 磁化线圈 5. 导磁导轨

（7）确定保护电路的配置。

（8）根据整体设计方案绘制电气控制原理图和电气安装盘布置图。

（9）电气控制面板的设计和制作。

（10）电气配盘。

（11）安装电气控制面板。

（12）安装交流纵向变压器。

将交流纵向磁化变压器安装于设备床身合适部位，使输出铜排朝向设备后侧便于引出电缆以使电缆布置于不影响设备操作的床身后侧。

（13）安装交流纵向磁化电流互感器。使交流纵向磁化电流互感器的感应线圈穿过交流纵向磁化电流变压器次级输出其中一端的铜排，且使铜排位于线圈中心位置，调整好位置后将电流互感器固定在床身上。

（14）安装交流纵向磁化线圈：将探伤机的前后磁化夹头拆下；将两个交流纵向磁化线圈按照正确出线方向分别套在前后磁化夹头心轴的轴颈上；将磁化夹头装回探伤机，在磁化线圈内孔与心轴之间加垫6mm厚度的橡胶皮作为绝缘缓冲垫。通过此方式将两个交流纵向磁化线圈安全可靠地分别固定在前后磁化夹头的心轴上，防止它们之间产生轴向及周向的相对运动。

（15）探伤机床身部分布线。

（16）控制电柜总电源及接地系统的安装。

（17）根据设备功能编制PLC控制程序，并使用笔记本式计算机将程序传输至可编程序控制器。

四、改造效果验证

技术改造完成后，我们使用该设备对驱动轮轴进行磁粉检测工艺试验：在零件中部粘贴A1-30/100标准灵敏度试片，采用周向1200A、纵向2600A的磁化电流进行磁化后，人工刻槽磁痕显示清晰完整，如图3、图4所示。

图3 在驱动轮轴中部粘贴A1-30/100标准灵敏度试片

图4 A1-30/100标准灵敏度试片的人工刻槽磁痕显示清晰完整

因为增加设计的2个交流纵向磁化线圈直接安装于磁化夹头心轴上，较之原直流纵向磁化线圈更加接近工件，能够增加磁化线圈的有效磁化区域，有效改善长度较长零件的磁化效果，加之交流电的趋肤效应，可使纵向磁场有效地分布于工件表面，对其齿条和花键结构内的缺陷有较高的检出灵敏度。在零件中部粘贴A1-30/100标准灵敏度试片，采用周向1200A、纵向2600A的磁化电流进行磁化后，人工槽磁痕显示清晰完整。经过批量检测验证，证明改造后的探伤机能够有效检测出分布于驱动轮轴各部位的表面缺陷，对于长度较长的零件检测能力有显著提高。

五、结语

通过此次技术改造，我们得到以下研究结论：

（1）采用交流闭路磁轭磁化方式，磁通损失小，磁化效果好，同时，由于交流电的趋肤效应，可使纵向磁场有效地分布于工件表面，适应工件表面的复杂变化，有效改善了长度较长零件的磁化效果。

（2）增加的交流闭路磁轭磁化功能，由于交流电的趋肤效应，其磁化深度小，工件剩磁减小，可以大大减小工件的退磁难度，一般情况下，在本机上退磁即可使剩磁下降到工艺要求的范围内，而不需调运到专门的退磁机上退磁，这样可以大大降低在检测大型零件时的劳动强度。

（3）本改造方法简单易行，制造成本低，可满足在资金有限但需要增加检测零件种类和检测部位的情况下，对现有的设备进行改造，不需再购置其他设备，可以节约投资，适宜推广。

20170326

作者简介：鲍伟宏，工程师，第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所，从事无损检测工艺技术研发及管理工作。刘书铎、赵振凯、孔春花，第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所。