CN102507723A - 一种滚动轴承残余奥氏体的电磁在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动轴承残余奥氏体的电磁法在线检测方法，包括：1)建立交流桥式电路构建磁回路的等效电路；2)恒流源提供励磁电流信号；3)恒流源将励磁电流输入至励磁回路；4)电阻器和基准探头、测量探头构成交流桥式电路的4个臂，基准探头和测量探头检测被测材料；5)电阻器连接一互感器将输出电流信号送入数据采集卡至计算机；6)基准探头和与测量探头间连接另一互感器将不平衡电流信号送入数据采集卡至计算机；7)计算机据根据输入的激励电流调整交流桥式电路达到最大灵敏度，由不平衡电流信号计算被测件的残余奥氏体含量。该法灵敏度高、重复性好，操作方便，检测速度快，与X射线法的结果吻合较好，适合在线检测、推广使用。

Description

一种滚动轴承残余奥氏体的电磁在线检测方法

技术领域

本发明涉及用U型传感器和交流桥式电路检测轴承产品残余奥氏体含量的一种新方法，特别是根据试件磁回路强磁体磁阻的变化来表征残奥体积变化的方法。

背景技术

轴承钢中残余奥氏体的数量，对轴承的机械性能、尺寸稳定性有决定性影响。与轴承材料的抗拉强度、冲击韧性和疲劳强度往往存在对应关系。为保证轴承的质量，国外对轴承产品残余奥氏体的含量有着明确的规定，超出规定的范围，轴承就成为不合格产品。目前国内对轴承产品的要求也越来越严格，也提出了对轴承产品的残奥含量不能超出一定范围的要求。但到目前为止，国内外还没有一种在线检测轴承产品的方法。一般都在实验室对试样用X射线法或金相法进行检测。这两种方法都存在检测速度慢、重现性差等缺点，不可能在现场进行大面积在线检测。

国内外用电磁法对产品质量进行评价已较普遍。美国利用巴克豪森效应对材料进行评价[庄又青，利用巴克豪森效应综合评价材料表面质量，无损检测，(02)(1994)41-43]。日本吉永等利用磁致伸缩效应检查钢材的热处理状态和含碳量[遠藤和芳，吉永昭男，磁気的方法にょる鋼材の材料評価の-考察，非破壊検查，40(8)(1991)552-557。]。北川等用涡流检测钢材表面的马氏体含量[日本非破壊計測研究所，北川茂，新方式の材质·亀裂チュツカ-について，内外技术ニュ-ス，(351)(1990)]，均得到较好的结果。

国内甘宅平等用磁法检测高铬铸铁残奥含量[甘宅平，高铬铸铁残余奥氏体测定的探讨，理化检验(物理分册)，43(11)(2007)571-574.]；肖柯则等用磁法测定球墨铸铁中的残奥值[肖柯则，乐茂康，马庆国，磁性法与X光衍射分析等淬贝氏体球墨铸铁中残余奥氏体，现代铸铁，(3)(1989)38-42；刘红樱，王海华，王程，基于单片机的残余奥氏体磁性测量法，(12)(2007)35-38.]。这些方法有制备试样慢，测量误差大等缺点，和传统的X射线法的结果相比相差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服X射线法、金相法、磁性法等现有技术的不足，提出了一种基于电路及磁路分析，利用U形传感器直接与待测试件接触测定奥氏体的新方法，国内外还没有先例。它有快速(每点测量速度小于1分钟)、准确(与X射线相差小于1％)，重复性好(重复测量误差小于0.5％)等优点，特别适合在现场在线检测。

为达到上述目的，本发明采取如下解决方案。

一种滚动轴承残余奥氏体的电磁法在线检测方法，该方法包括下述步骤：

1)首先，建立交流桥式电路用以构建在线检测磁回路的等效电路；

2)交流桥式电路由计算机通过控制正弦波信号发生器向交流桥式电路中的恒流源提供励磁电流信号；

3)恒流源将励磁电流信号分别输入至连接在恒流源的一端的可调电阻器上，恒流源的另一端接在由第一电阻器、第二电阻器、基准探头、测量探头以及可调电阻器构成的交流桥式电路的励磁回路上；

4)第一电阻器和基准探头构成交流桥式电路同侧的2个臂，第二电阻器和测量探头构成交流桥式电路同侧的另2个臂，基准探头和测量探头用于检测被测材料；

5)可调电阻器的输入端连接有第一互感器，第一互感器测量激励电流的大小，并输出与电流大小成正比的电压信号送入数据采集卡，数据采集卡将与电压信号相应的数字信号送入计算机；

6)基准探头和第一电阻器的第一连接点与测量探头和第二电阻器的第二连接点间连接有第二互感器，第二互感器测量交流桥式电路的不平衡电流的大小，并将该不平衡电流信号送入数据采集卡，数据采集卡将与不平衡电流信号相应的数字信号送入计算机；

7)计算机根据步骤5)输入的激励电流(100～200mA)调整交流桥式电路达到最大灵敏度，由步骤6)输入的交流桥式电路不平衡电流数字信号计算被测件的残余奥氏体含量。

本发明进一步的特征在于：

所述残余奥氏体含量按照下式计算：

$m=\frac{\left|I\right|}{a-b\left|I\right|}$

式中，m为实测的残余奥氏体含量；|I|为实测的交流桥式电路不平衡电流值；a、b为常数。

所述常数a、b根据标定试验法得到，分别制备两对不同残奥含量的经热处理钢材，一种含量为实际值，另一为100％残余奥氏体的钢材标定电流值，按照下式计算：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -I_{\max }\\ m_1& -I_1{m}_1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}{I}_{\max }\\ I_1\end{array}\right]$

式中，m₁为用X射线法或金相法测出残余奥氏体的标准含量，I₁为测定出交流桥式电路不平衡电流的电流实际值，I_max为100％残余奥氏体的钢材标定电流值。

本发明有益效果：

轴承钢经处理后残余奥氏体的含量，直接控制轴承的质量。残奥过高，则影响其尺寸稳定性和抗拉强度；过低则降低冲击韧性。对某一些产品，残余奥氏体需限制在一定范围之内；过高过低都是不允许的。出口产品必须控制残余奥氏体的范围。因残余奥氏体不合要求而退货者有之。在国内已推出要测定残余奥氏体的标准。拟把磁性法作为检测残余奥氏体的标准方法之一。所以残余奥氏体测量方法和仪器的开发有巨大的经济效益和学术意义。目前国内外尚没有一种可靠的准确的方法、快速检测残余奥氏体值。

此方法市场前景可观，全国有上千家轴承企业，都需要对残余奥氏体测量。磁测设备价格只是X射线的1/5～1/10。磁测可在线检测，X射线检测慢。测一点需几个小时，不可能在生产线上应用。估计产品批量生产后，年销量在100台左右，产值在千万元以上。具有巨大的经济效益，并有可能打入国际市场。

附图说明

图1为本发明U型探头及其磁回路示意图。

图2为本发明等效电路图。

图3为根据本发明测量滚子的残奥值与X射线法对比结果。

图4为根据本发明测量套圈的残奥值与X射线法对比结果。

图中：1、线圈；2、铁芯；3、被测材料(碳钢)；4、恒流源；5、可调电阻器；6、可调电阻器左部分；7、可调电阻器右部分；8、第一互感器；9、第一电阻器；10、第二电阻器；11、基准探头；12、测量探头；13、第一连接点；14、第二连接点；15、第二互感器；16、数据采集卡；17、计算机。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

首先由设计的U型探头(如图1所示)与被测碳钢(如滚动轴承的内外套圈等)接触形成磁回路。该U型探头由线圈1，铁芯2构成，与相接触的被测材料(碳钢)3形成磁回路。

然后根据1)中的磁回路建立交流桥式电路的等效电路(如图2所示)。

该方法包括下述步骤：

1)首先，建立交流桥式电路用以构建在线检测磁回路的等效电路；

2)交流桥式电路由计算机17通过控制正弦波信号发生器向交流桥式电路中的恒流源4提供励磁电流信号；

3)恒流源4将励磁电流信号分别输入至连接在恒流源4的一端的可调电阻器5(Rz)上，因而可调电阻器5被分为可调电阻器左部分6和可调电阻器右部分7，恒流源4的另一端接在由第一电阻器9、第二电阻器10、基准探头11、测量探头12以及可调电阻器5构成的交流桥式电路的励磁回路上；

可调电阻器5连接在第一电阻器9和第二电阻器10间，以平衡第一电阻器9和第二电阻器10的不平衡量。

4)第一电阻器9和基准探头11构成交流桥式电路同侧的2个臂，第二电阻器10和测量探头12构成交流桥式电路同侧的另2个臂；基准探头11和测量探头12均为感性元件，用于检测被测材料(碳钢)3；

5)可调电阻器5的输入端连接有第一互感器8，第一互感器8测量激励电流的大小，并输出与电流大小成正比的电压信号送入数据采集卡16，数据采集卡16将与电压信号相应的数字信号送入计算机17；

6)基准探头11和第一电阻器9的第一连接点13与测量探头12和第二电阻器10的第二连接点14间连接有第二互感器15，第二互感器15用来平衡基准探头11和测量探头12的电感不平衡量，第二互感器15测量交流桥式电路的不平衡电流的大小，并将该不平衡电流信号送入数据采集卡16，数据采集卡16将与不平衡电流信号相应的数字信号送入计算机17；

7)计算机17根据步骤5)输入的激励电流(100～200mA)调整交流桥式电路达到最大灵敏度，由步骤6)输入的交流桥式电路不平衡电流数字信号计算被测件的残余奥氏体含量。

上述步骤7)中，残余奥氏体含量按照下式计算：

$m=\frac{\left|I\right|}{a-b\left|I\right|}$

式中，m为实测的残余奥氏体含量；|I|为实测的交流桥式电路不平衡电流值；a、b为常数。

上述常数a、b根据标定试验法得到，分别制备两对不同残奥含量的经热处理钢材，一种含量为实际值，另一为100％残余奥氏体的钢材标定电流值，按照下式计算：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -I_{\max }\\ m_1& -I_1{m}_1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}{I}_{\max }\\ I_1\end{array}\right]$

式中，m₁为用X射线法或金相法测出残余奥氏体的标准含量，I₁为测定出交流桥式电路不平衡电流的电流实际值，I_max为100％残余奥氏体的钢材标定电流值。

本发明的技术方案中，计算机17通过USB接口控制正弦波信号发生器向交流桥式电路中的恒流源4提供励磁电流信号，使恒流源4电流的大小与输入信号成正比，恒流源4输出电流的频率与输入信号相同。该恒流源4加在桥路上，驱动交流桥式电路。互感器8用于测量激励电流的大小，并输出与电流大小成正比的电压信号送入数据采集卡16，数据采集卡16将相应的数字信号送入计算机17，并实时显示激励电流的波形。第二互感器15用于测量交流桥式电路的不平衡电流的大小，并将相应的不平衡电流信号送入数据采集卡16，数据采集卡16将相应的数字信号送入计算机17。依照下节给出的残余奥氏体含量计算方法(式(7))，计算机根据输入的激励电流(100～200mA)调整交流桥式电路达到最大灵敏度，由桥路不平衡电流可计算出被测件的残余奥氏体含量。

本发明残余奥氏体含量计算方法是按照下述方法计算的：

轴承钢为二相体：铁磁相和非铁磁相。残余奥氏体为非铁磁相，其磁导率和空气差不多，其相对磁导率μ_r≈1.0，其中的碳化物也是非铁磁相，在轴承钢中的含量变化不大(5～6％)。

取一单元体，设轴承钢的总体V₁＝a₁b₁l₁，其中铁磁相的体积为V₂＝a₂b₂l₂，则铁磁相的含量

α＝V₂/V₁＝a₂b₂l₂/a₁b₁l₁

V₂＝a₂b₂l₂＝αa₁b₁l₁

若残余奥氏体的含量是均匀的，a₂＝α^1/3a₁，b₂＝α^1/3b₁，l₂＝α^1/3l₁.

磁路截面积    a₂b₂＝α^2/3  a₁b₁             (1)

磁路长度      l₂＝α^1/3l₁

残余奥氏体m＝(V₁-V₂)/V₁＝1-V₂/V₁＝1-α

α＝1-m                                     (2)

(2)式代入(1)式：

S₂＝a₂b₂＝(1-m)^2/3a₁b₁

l₂＝(1-m)^1/3l₁                              (3)

电路中，桥路电流经简化， $\left|I\right|=I_{e0}\frac{L_1-L_2}{L_1+L_2}{I}_{e0}$

标准探头电感： $L_1=N^2\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_1}}$

测量探头电感 $L_2=N^2\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_1{\mathrm{\α}}^{1/3}}+\frac{l_2(1-{\mathrm{\α}}^{1/3})}{{\mathrm{\μ}}_{0}S}}{I}_{e0}$

间隙很小时，S＝A_c1

桥路中不平衡电流

$\left|I\right|=I_{e0}\frac{L_1-L_2}{L_1+L_2}$

${=I}_{e0}\frac{[\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2}}-\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2{\mathrm{\α}}^{1/3}}+\frac{l_2(1-{\mathrm{\α}}^{1/3})}{{\mathrm{\μ}}_{0}S}}]}{\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2}}+\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2{\mathrm{\α}}^{1/3}}+\frac{l_2(1-{\mathrm{\α}}^{1/3})}{{\mathrm{\μ}}_{0}S}}}---\left(4\right)$

(2)代入(4)式：

$\left|I\right|=\frac{[\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2}}-\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2{(1-m)}^{1/3}}+\frac{l_2(1-{(1-m)}^{1/3})}{{\mathrm{\μ}}_{0}S}}]}{\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2}}+\frac{1}{\frac{l_1}{{\mathrm{\μ}}_1{A}_{c1}}+\frac{l_2}{\mathrm{\μ}{S}_2{(1-m)}^{1/3}}+\frac{l_2(1-{(1-m)}^{1/3})}{{\mathrm{\μ}}_{0}S}}}{I}_{e0}---\left(5\right)$

(5)式建立了桥路不平衡电流|I|与残余奥氏体m的数学表达式。该方程为一非线性方程。经理论分析和标定试验，该方程可简化为

$\left|I\right|=\frac{\mathrm{am}}{1+\mathrm{bm}}---\left(6\right)$

a、b为常数，与探头的尺寸及μ₁、试件材质等因素有关。测试装置一定，待测产品一定，a、b为常数可根据标定试验确定。根据实测的不平衡电流|I|，可根据下式(7)确定残余奥氏体m值：

$m=\frac{\left|I\right|}{a-b\left|I\right|}---\left(7\right)$

可根据测得|I|值，直接输出m(100％)。

确定a、b常数可根据标定试验(两点法)

分别制备两对不同残余奥氏体含量的钢材(经热处理)试样即一种含量为实际值，另一为纯的即100％残余奥氏体的钢材。一对试样用现有成熟方法测定如X射线法测出残余奥氏体的含量即m₁，相应地用本发明的方法测定出的电流值I₁。另一对试样用本发明的方法测定出残余奥氏体的含量100％时的电流值I_max。按下式 $\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -I_{\max }\\ m_1& -I_1{m}_1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}{I}_{\max }\\ I_1\end{array}\right]$ 求出a、b常数。

测量步骤：

1.按照上述标定方法取得的标定值输入仪器中存储供下一步测量时使用。

2.将探头与待测试试件接触即可由联接的计算机系统瞬时给出残余奥氏体值，并可打印出结果报表。

3.探头安装在自动的生产线上时，探头表面涂抹机油，防止探头磨损。

实施例1

滚子的测试

图3为根据本方法测量滚子的残奥值与X射线法对比结果。

取一直径φ＝20mm轴承滚柱，其测量结果如表1和图4所示。

表1  滚子残奥含量

图3(a)为测试不平衡电流与残奥含量的关系，图3(b)为残奥含量与测试不平衡电流的关系。由图3可得本发明的方法测量滚子的残奥值与X射线法的残奥值(■)对比结果。

实施例2

轴承套圈

表2  轴承套圈残奥含量

取一直径φ＝78mm轴承套圈，其测量结果如表2和图4所示。残余奥氏体含量小于18.5％，时，和X射线法相差均小于1％。

图4(a)为测试不平衡电流与残奥含量的关系，图4(b)为残奥含量与测试不平衡电流的关系。由图4可得本发明方法测量套圈的残奥值与X射线法的残奥值(■)对比结果。

实施例3

现场测量

在洛阳轴承研究所和洛阳轴滚厂，对各型号的轴承圈和滚柱进行了残奥的电磁法和X射线法测定，其结果如表3～6所示。

由X射线结果可以看出，同种类试样，同一试样多次测量，分散性较大。7011三个试样最大相差3.9％，7215二个试样相差2.2％。磁测结果7010与均值最大偏差0.15％。

表3

表4  7010轴承外圈

表5  7011轴承外圈

表6  7521轴承滚子

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种滚动轴承残余奥氏体的电磁法在线检测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1)首先，建立交流桥式电路用以构建在线检测磁回路的等效电路；

2)交流桥式电路由计算机(17)通过控制正弦波信号发生器向交流桥式电路中的恒流源(4)提供励磁电流信号；

3)恒流源(4)将励磁电流信号分别输入至连接在恒流源(4)的一端的可调电阻器(5)上，恒流源(4)的另一端接在由第一电阻器(9)、第二电阻器(10)、基准探头(11)、测量探头(12)以及可调电阻器(5)构成的交流桥式电路的励磁回路上；

4)第一电阻器(9)和基准探头(11)构成交流桥式电路同侧的2个臂，第二电阻器(10)和测量探头(12)构成交流桥式电路同侧的另2个臂，基准探头(11)和测量探头(12)用于检测被测材料(3)；

5)可调电阻器(5)的输入端连接有第一互感器(8)，第一互感器(8)测量激励电流的大小，并输出与电流大小成正比的电压信号送入数据采集卡(16)，数据采集卡(16)将与电压信号相应的数字信号送入计算机(17)；

6)基准探头(11)和第一电阻器(9)的第一连接点(13)与测量探头(12)和第二电阻器(10)的第二连接点(14)间连接有第二互感器(15)，第二互感器(15)测量交流桥式电路的不平衡电流的大小，并将该不平衡电流信号送入数据采集卡(16)，数据采集卡(16)将与不平衡电流信号相应的数字信号送入计算机(17)；

7)计算机(17)根据步骤5)输入的激励电流调整交流桥式电路达到最大灵敏度，由步骤6)输入的交流桥式电路不平衡电流数字信号计算被测件的残余奥氏体含量。

2.根据权利要求1所述的一种滚动轴承残余奥氏体的电磁法在线检测方法，其特征在于，所述残余奥氏体含量按照下式计算：

$m=\frac{\left|I\right|}{a-b\left|I\right|}$

式中，m为实测的残余奥氏体含量；|I|为实测的交流桥式电路不平衡电流值；a、b为常数。

3.根据权利要求1或2所述的一种滚动轴承残余奥氏体的电磁法在线检测方法，其特征在于，所述常数a、b根据标定试验法得到，分别制备两对不同残奥含量的经热处理钢材，一种含量为实际值，另一为100％残余奥氏体的钢材标定电流值，按照下式计算：

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& -I_{\max }\\ m_1& -I_1{m}_1\end{array}\right]\backslash \left[\begin{array}{c}{I}_{\max }\\ I_1\end{array}\right]$

式中，m₁为用X射线法或金相法测出残余奥氏体的含量，I₁为测定出交流桥式电路不平衡电流的电流实际值，I_max为100％残余奥氏体的钢材标定电流值。

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