CN102879459B - 一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统 - Google Patents

Abstract

一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统属于无损检测领域。本发明探头安装在探头卡具中；检测探头通过龙门架带动移动至待检测连杆轴颈正上方，调整相位至与待测连杆轴颈一致，而后紧贴于连杆轴颈表面；曲轴绕主轴颈中心线匀速转动，连杆轴颈偏心转动，检测探头随动并绕连杆轴颈圆周匀速转动，同时信号采集仪开始采集信号；曲轴转动一周后自动停止，信号采集仪停止采集信号，并将信号上传；工控机对信号数据进行分析，给出该连杆轴颈的疲劳损伤程度，并能对检测信号进行保存。本发明能适应曲轴连杆轴颈R角部位复杂形状，能等速采集连杆轴颈两侧R角部位易发生疲劳的三个潜在方位的损伤信号，能检测整个曲轴各连杆轴颈的损伤信号。

Description

一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统

技术领域

本发明涉及一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统，属于无损检测技术领域。

背景技术

曲轴是发动机重要的工作部件，其结构形状复杂，服役工况苛刻，工作时在轴颈和曲柄臂连接过渡圆角——R角处存在强烈的应力集中，容易造成曲轴的疲劳损坏。

由于工作条件苛刻，曲轴的质量要求高，再制造价值大。因此开展曲轴再制造是汽车再制造企业的重要工作，再制造前首先需要对再制造曲轴毛坯（即废旧曲轴）进行寿命评估，判断其再制造价值大小，进而决定该曲轴能否再制造以及采用何种方法进行再制造。

目前废旧曲轴再制造前，工厂仅采用磁粉探伤技术检测有无裂纹，无法对曲轴剩余疲劳寿命进行评估，不能保证再制造产品的质量。金属磁记忆技术是迄今为止能够对铁磁性材料的早期损伤进行诊断的唯一可行的检测技术，在再制造寿命评估方面具有极大的发展潜力。

已有的曲轴疲劳损伤无损检测装置技术文献中，仅有申请号200410067573.2，名称：汽车曲轴剩余疲劳寿命的检测装置和申请号200910312535.1，名称：汽车退役曲轴剩余疲劳寿命与尺寸精度的检测装置等两个中国发明专利提出使用磁记忆检测技术进行曲轴剩余疲劳寿命检测的装置。其中前一个专利通过调整调心卡盘的办法使待测连杆轴颈中心与卡盘中线同处一回转线上，操作复杂。后一专利则采用摇块机构，虽然解决了连杆轴颈偏心调整问题，但是该专利的探头夹具需将检测探头夹持于待测连杆轴颈上，检测连杆轴颈时需重新拆卸安装探头夹具，且摇块机构在工作过程中容易使探头夹具与检测轴颈产生相对滑动，引入检测误差。

已有的曲轴检测信号采集装置技术文献中，仅有申请号200510028443.2，名称：汽车退役曲轴磁记忆检测专用的信号采集装置，申请号201110003051.6，名称：再制造前废旧曲轴R角部位金属磁记忆信号采集装置，申请号201110307073.1，名称：一种便携式曲轴圆角部位金属磁记忆信号同步采集装置等三个中国发明专利分别设计了不同的曲轴磁记忆检测信号采集装置，这些采集装置检测信号时，探头均与连杆轴颈之间有一定的距离（即检测提离值），当连杆轴颈轻微磨损和变形时，检测提离值不是固定的，这对检测结果的评定存在影响。

由于曲轴结构形状复杂，待检测的六个连杆轴颈与主轴颈具有一定的偏心距及三个不同的相位，如何适应连杆轴颈R角部位的复杂形状，实现废旧曲轴快速可靠地检测评估，满足曲轴再制造生产线的全自动化评估要求是研制曲轴检测评估系统必须解决的难题。以上列举的所有中国发明专利均需手动操作更换待测连杆轴颈，手动操作确定检测检测起始点，保证检测连杆轴颈相位相同；所有专利只是对连杆轴颈R角部位磁记忆信号进行采集，没有给出损伤评判准则；所有专利采用的探头均为单点式探头，每次只能对连杆轴颈单侧的R角部位进行检测，检测效率低，检测范围小，不能完全覆盖连杆轴颈R角处所有可能产生疲劳裂纹的位置，容易造成漏检。不能适应再制造工厂自动化、快速、高效检测评估的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有曲轴检测设备的不足，提供一种操作简单、多通道全方位、适用范围广、检测速度快的曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统，包括：底座1、驱动电机2、头架卡盘3、龙门架4、探头卡具5、活动弹簧6、检测探头7、尾架顶尖8、导轨9、信号采集仪10、工控机11。驱动电机2置于底座1的头架内部，头架卡盘3与头架相连，尾架顶尖8置于底座1的尾架上，导轨9位于底座1上，头架卡盘3和尾架顶尖8之间，龙门架4位于导轨9之上，检测探头7通过活动弹簧6固定探头卡具5上，探头卡具5固定在龙门架4上。信号采集仪10通过数据线于检测探头7相连，通过网线与工控机11相连。

所述的龙门架包括：竖直进给电动机12、水平进给电动机13、竖直丝杠14、水平丝杠15、水平限位开关16、竖直限位开关17、护罩18、立柱19、导轨套20。其中：竖直进给电动机12和水平进给电动机13分别位于护罩18的顶端和右侧，竖直丝杠14和水平丝杠15分别置于护罩内部的竖直和水平位置，水平限位开关16置于水平丝杠15的左侧，竖直限位开关17置于竖直丝杠14底端，护罩18置于立柱19上方，立柱19置于导轨套20上方。

所述的检测探头7，其特征在于：底部为上凹圆弧，其弧度半径与连杆轴颈半径相同，能够与连杆轴颈完全贴合，宽度与连杆轴颈的档宽相同，能够包覆整个可能产生疲劳裂纹的R角区域，两侧传感器对称布置，每侧各布置3路磁性传感器，3路磁性传感器分别垂直于连杆轴颈、R角部位和扇板，可同时检测连杆轴颈左右两侧R角部位，由活动弹簧安装于探头卡具上，可以自动调整角度以适应少量磨损、变形的连杆轴颈，检测探头采集的是待测连杆轴颈双侧R角部位的6路损伤信号。

水平限位开关16位于水平丝杆15的最左侧，竖直限位开关17位于竖直丝杆14的最下侧；信号采集仪10通过网线将检测探头7采集的信号传至工控机11，工控机11对检测信号进行处理，评估曲轴损伤状况并给出结果，并能够对信号进行保存以便于日后调用。

所述的头架卡盘3和尾架顶尖8用于安装待测曲轴，检测时驱动电机2驱动头架卡盘3转动，带动曲轴绕其主轴颈回转中心匀速转动。

所述的检测探头7底部为上凹圆弧，其弧度半径与连杆轴颈半径相同，能够与连杆轴颈完全贴合，宽度与连杆轴颈的档宽相同，能够包覆整个可能产生疲劳裂纹的R角区域，两侧传感器对称布置，每侧各布置3路磁性传感器，3路磁性传感器分别垂直于连杆轴颈、R角部位和扇板，可同时检测连杆轴颈左右两侧R角部位，采集的是待测连杆轴颈双侧R角部位的6路损伤信号。

所述的龙门架4通过导轨套20可在导轨9上双向移动，能够按照工控机命令驱动竖直进给电动机12、水平进给电动机13、水平限位开关16、竖直限位开关17动作，带动检测探头7到达指定的检测位置，使其自动确定检测起始点，匀速绕曲轴连杆轴颈旋转一周，并采集待测连杆轴颈双侧R角部位的6路损伤信号。

所述的活动弹簧6可柔性调整检测探头7的角度并将其压紧，保证检测探头7与待测连杆轴颈表面完全贴合，使其能够检测具有一定磨损和变形程度的曲轴连杆轴颈。

所述的护罩18可将保护竖直丝杆14、水平丝杆15完全覆盖，保证丝杠传动精度。

所述的信号采集仪10接收并传递检测探头7采集的信号，同时按照工控机11的指令动作。

所述的工控机11可控制驱动电机2及龙门架4运动，处理信号采集仪10传送的数据，评价待测曲轴早期疲劳损伤程度，并能够保存检测信号，以便于日后调用。

检测曲轴连杆轴颈的R角部位时，待测曲轴水平固定于头架卡盘3和尾架顶尖8之间；检测探头7在龙门架4的带动下沿导轨9移动至待检测连杆轴颈的上方位置，而后通过水平限位开关16、竖直限位开关17的定位作用调整检测探头7的相位与待测连杆轴颈相位一致，在竖直进给电机12及活动弹簧6的控制下紧密贴合于待测连杆轴颈表面；驱动电机2驱动头架卡盘3转动，带动曲轴绕其主轴颈回转中心匀速转动；此时连杆轴颈绕主轴颈回转中心偏心转动；同时，竖直进给电动机12和水平进给电动机13控制检测探头7沿竖直丝杠14和水平丝杠15运动，按照设定的插补算法，一方面检测探头7按与连杆轴颈相同的偏心距绕主轴颈回转中心偏心转动，另一方面检测探头7与待测连杆轴颈保持相对匀速运动，等速采集连杆轴颈表面两侧R角圆周一周的信号；曲轴转动的同时，工控机11发送指令给信号采集仪10开始采集数据，在曲轴停止运动时停止采集数据，而后将采集数据上传；工控机11对检测信号进行处理，评估曲轴损伤状况并给出结果，根据操作人员需要对检测数据进行保存。而后检测探头7在龙门架4的带动下沿导轨9移动至下一待检测连杆轴颈的上方位置，驱动电机2驱动曲轴旋转到检测起始位置，重复上述步骤即可实现对下一待测连杆轴颈的损伤检测及评估。

本发明的优势一在于将二轴插补运动算法与磁记忆检测技术相结合，在曲轴绕主轴颈轴线转动、连杆轴颈偏心转动时，实现检测探头伴随连杆轴颈转动，同时匀速采集连杆轴颈R角部位损伤信号；本发明的优势二在于能够实现检测探头自适应调节以检测变形及磨损的连杆轴颈；本发明的优势三在于采用特殊结构形式的曲轴专用检测探头，可同时采集6路信号，实现了对连杆轴颈两侧R角部位的大范围包覆，避免了漏检；检测过程中探头紧贴于连杆轴颈表面，克服探头提离值的影响；本发明的优势四在于自动化程度高，实现了完全自动化采集曲轴6个连杆轴颈的损伤信号，减少了人为操作误差。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明探头装卡示意图。

图3为本发明检测探头运动控制系统组成示意图。

图4为本发明探头尺寸结构示意图。其中，图（a）为检测探头正视图，（b）为检测探头底面视图，（c）为检测探头侧视图。

图5为本发明的探头运动学分析示意图。其中，R为连杆轴颈的半径，L为连杆轴颈的偏心距，ω为曲轴转动角速度，θ为曲轴转过的角度。

图6为本发明废旧曲轴第二连杆轴颈R角检测数据结果。其中，（a）~（f）分别为6个通道采集的损伤信号。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明本发明内容，本实施例在本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本方面的保护范围不限于下述实施例。在具体实施方式中，被检测曲轴选用一汽重载汽车发动机的斯太尔WD615.68曲轴。

如图1和图2所示，本实施例包括：底座1、驱动电机2、头架卡盘3、龙门架4、探头卡具5、活动弹簧6、检测探头7、尾架顶尖8、导轨9、信号采集仪10、工控机11组成。驱动电机2置于底座1的头架内部，头架卡盘3与头架相连，尾架顶尖8置于底座1的尾架上，导轨9位于底座1上，头架卡盘3和尾架顶尖8之间，龙门架4位于导轨9之上，检测探头7通过活动弹簧6固定探头卡具5上，探头卡具5固定在龙门架4上。信号采集仪10通过数据线与检测探头7相连，通过网线与工控机11相连。

如图3所示，龙门架4包括：竖直进给电动机12、水平进给电动机13、竖直丝杠14、水平丝杠15、水平限位开关16、竖直限位开关17、护罩18、立柱19、导轨套20。其中：竖直进给电动机12和水平进给电动机13分别位于护罩18的顶端和右侧，竖直丝杠14和水平丝杠15分别置于护罩内部的竖直和水平位置，水平限位开关16置于水平丝杠15的左侧，竖直限位开关17置于竖直丝杠14底端，护罩18置于立柱19上方，立柱19置于导轨套20上方。

如图4所示，检测探头7底部为上凹圆弧，其弧度半径与连杆轴颈半径相同，能够与连杆轴颈完全贴合，宽度与连杆轴颈的档宽相同，能够包覆整个可能产生疲劳裂纹的R角区域，两侧传感器对称布置，每侧各布置3路磁性传感器，每个磁性传感器的大小相同，3路磁性传感器分别垂直于连杆轴颈、R角部位和扇板可同时检测连杆轴颈左右两侧R角部位，检测过程中检测探头7由活动弹簧安装于探头卡具上，可以自动调整角度以适应少量磨损、变形的连杆轴颈，采集的是待测连杆轴颈双侧R角部位的6路损伤信号。

如图5所示，当曲轴以主轴线为中心，以角速度ω匀速旋转，检测探头以距主轴实际回转中心的偏心距离为曲轴连杆轴颈的半径为R位置为理论回转中心，回转半径为偏心距L，以相同的角速度ω匀速旋转时，检测探头相对于连杆轴颈也以相同角速度ω匀速旋转一周。检测探头旋转一周时，其运动轨迹形成一个封闭的圆形。

当检测再制造前曲轴连杆轴颈剩余疲劳寿命时，将曲轴牢固装卡于头架卡盘3和尾架顶尖8之间；检测探头7通过活动弹簧6固定于探头卡具5，而后固定于竖直丝杆14，通过导线与信号采集仪10连接；接通电源，启动工控机11；控制检测探头7移动到待测连杆轴颈的正上方，调整其相位与待测连杆轴颈一致，竖直进给电机12向下运动，活动弹簧6压紧检测探头7，使其与连杆轴颈表面紧密贴合；工控机11控制驱动电机2驱动曲轴匀速转动，此时连杆轴颈偏心转动，检测探头7随动并绕连杆轴颈圆周匀速转动，同时信号采集仪10开始采集数据，曲轴停止转动时，信号采集仪10停止采集数据；采集停止后，信号采集仪10将检测数据上传，工控机11对检测数据分析处理，得到该连杆轴颈的疲劳损伤程度状况，并给出评判结果；工控机11控制龙门架4沿导轨9运动，带动检测探头7移动到下一个待测连杆轴颈的正上方，继续试验。

本发明的检测装置操作简单、检测速度快、自动化程度高、重复性好，为准确采集废旧曲轴连杆轴颈处R角的损伤信号、预测其剩余疲劳寿命提供了一种新的手段。

Claims (1)

1.一种再制造前曲轴早期疲劳损伤自动化检测评估系统，包括底座、驱动电机、头架卡盘、尾架顶尖，头架卡盘与头架相连，尾架顶尖置于底座的尾架上；其特征在于还包括：龙门架、探头卡具、活动弹簧、检测探头、导轨、信号采集仪和工控机；驱动电机置于底座的头架内部，导轨位于底座上，头架卡盘和尾架顶尖之间，龙门架位于导轨之上，检测探头通过活动弹簧固定探头卡具上，探头卡具固定在龙门架上；信号采集仪通过数据线 与检测探头相连，通过网线与工控机相连；

所述的龙门架包括：竖直进给电动机、水平进给电动机、竖直丝杠、水平丝杠、水平限位开关、竖直限位开关、护罩、立柱、导轨套；其中：竖直进给电动机和水平进给电动机分别位于护罩的顶端和右侧，竖直丝杠和水平丝杠分别置于护罩内部的竖直和水平位置，水平限位开关置于水平丝杠的左侧，竖直限位开关置于竖直丝杠底端，护罩置于立柱上方，立柱置于导轨套上方；

所述的检测探头：底部为上凹圆弧，其弧度半径与连杆轴颈半径相同，能够与连杆轴颈完全贴合，宽度与连杆轴颈的档宽相同，能够包覆整个可能产生疲劳裂纹的R角区域，两侧传感器对称布置，每侧各布置3路磁性传感器，3路磁性传感器分别垂直于连杆轴颈、R角部位和扇板，同时检测连杆轴颈左右两侧R角部位，由活动弹簧安装于探头卡具上，自动调整角度以适应少量磨损、变形的连杆轴颈，检测探头采集的是待测连杆轴颈双侧R角部位的6路损伤信号。