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        薄環(huán)開口零件中空氣間隙對(duì)磁粉檢測(cè)結(jié)果的影響

        2018-01-18 07:10:09
        無(wú)損檢測(cè) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:擋圈磁路磁場(chǎng)強(qiáng)度

        (中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司,常州 213022)

        對(duì)于結(jié)構(gòu)閉合的環(huán)狀零件,通常采用中心導(dǎo)體法對(duì)其進(jìn)行磁粉檢測(cè),其磁場(chǎng)強(qiáng)度也采用經(jīng)典方法進(jìn)行計(jì)算。

        但在生產(chǎn)中,常遇到另一類環(huán)狀零件,其結(jié)構(gòu)并不完全閉合,而留有一個(gè)較大的空氣間隙。由于空氣間隙的存在,零件磁路結(jié)構(gòu)的參數(shù)會(huì)發(fā)生較大的變化。如果采用常規(guī)的磁化方法,則會(huì)因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度太小,使得缺陷處的磁痕顯示不清晰[1]。

        生產(chǎn)中遇到這種情況時(shí),必須根據(jù)零件的使用要求,找出影響磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的因素并改變磁粉檢測(cè)工藝,才能滿足零件磁粉檢測(cè)的要求。

        筆者以某產(chǎn)品擋圈零件的磁粉檢測(cè)為例進(jìn)行說(shuō)明,得出空氣間隙對(duì)其磁粉檢測(cè)結(jié)果的影響,并提出了解決辦法。

        1 磁路分析

        薄環(huán)開口擋圈零件的結(jié)構(gòu)如圖1所示[2],其為一個(gè)中間有較大空氣間隙的薄形環(huán)狀零件。該擋圈零件的作用是在軸上固定其他組合零件,防止其他零件在使用中產(chǎn)生滑移。根據(jù)產(chǎn)品要求的不同,擋圈零件最大直徑在100 mm左右,厚度均在5 mm左右。其材料為65Mn彈簧鋼,熱處理工藝為820 ℃油淬,420 ℃回火[3]。

        圖1 薄環(huán)開口擋圈零件結(jié)構(gòu)示意

        從零件使用要求可以看出,影響產(chǎn)品失效的原因是斷裂。這種斷裂的方向通常是徑向的,即缺陷與圓環(huán)的切線方向垂直或成一個(gè)較大的角度。為此,檢測(cè)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該與缺陷垂直或成一個(gè)較大的角度[4]。對(duì)該薄環(huán)開口擋圈零件來(lái)說(shuō),應(yīng)該采用與環(huán)方向一致的中心導(dǎo)體周向磁化方法,這種磁化方法能發(fā)現(xiàn)環(huán)面內(nèi)外壁上的縱向缺陷和環(huán)側(cè)壁上的徑向缺陷[5]。

        但是,開口或不開口的零件不能采用相同的磁化規(guī)范,而且兩者之間還存在著相當(dāng)大的差異。

        用磁路對(duì)圖1所示的薄環(huán)開口擋圈零件進(jìn)行分析,磁路上各段的長(zhǎng)度L與其磁場(chǎng)強(qiáng)度H的乘積為磁壓,并且各分段磁壓之和與磁路中電流產(chǎn)生的磁勢(shì)Fm相等,即

        H1L1+H2L2+…+HnLn=NI(1)

        ∑HiLi=Fm(2)

        式中:N為線圈的匝數(shù);I為線圈的電流。

        依據(jù)以上原理,對(duì)開口擋圈進(jìn)行中心導(dǎo)體法磁化,再對(duì)整個(gè)磁路進(jìn)行分析。設(shè)開口擋圈空氣間隙為12 mm,厚度為2 mm。其磁路總長(zhǎng)度L按外徑近似計(jì)算為0.157 m。

        (1) 如果擋圈沒(méi)有12 mm的空氣間隙, 整個(gè)零件是閉合回路, 標(biāo)準(zhǔn)GJB 2028-1994《磁粉檢驗(yàn)》中規(guī)定“當(dāng)連續(xù)檢查時(shí),施加在零件上任何部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度切向分量應(yīng)達(dá)到2.4 kA/m”,選擇的磁化規(guī)范應(yīng)為I=8D=400 A。依據(jù)式(2)可知

        Fm=NI=HiLi=2 400πD(3)

        式中:D為圖1中的φ50 mm。

        中心導(dǎo)體磁化可視為1匝線圈對(duì)零件的磁化,則I也約為400 A。從材料的磁化曲線中查得,此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B約為1.2 T,相對(duì)磁導(dǎo)率μr約為400。

        相應(yīng)的磁化磁動(dòng)勢(shì)為380 A·匝(中心導(dǎo)體磁化可視為單匝線圈對(duì)零件的磁化),與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定相符。

        (2) 該擋圈磁路中有12 mm的空氣間隙,則整個(gè)磁路參數(shù)就發(fā)生了大的變化。磁路由原來(lái)的單一材料變成了兩種。磁路長(zhǎng)度也變成了L=L1+L0,其中L1=L-L0=0.145 m(L0=0.012 m)。

        設(shè)空氣間隙中的磁場(chǎng)近似均勻,則:B0≈B1。由于空氣間隙的相對(duì)磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率相近,故μr0=1,材料磁導(dǎo)率的比值為1/400。

        要使空氣間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0也達(dá)到擋圈材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1,也就是說(shuō)空氣間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0[6]應(yīng)為

        H0μr0=H1μr=B1(4)

        加在空氣間隙上的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

        H0=H1μr/μr0=9.6×105(5)

        而此時(shí)的總磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)為

        Fm=H1L1+H0L0=11 868(6)

        若采用中心導(dǎo)體法,則要約12 000 A電流才能滿足檢測(cè)要求,該電流約為原來(lái)電流的30倍。若仍采用原I=8D的方法計(jì)算,則圖1所示的薄環(huán)開口擋圈零件部分磁化將嚴(yán)重不足,會(huì)使缺陷處的磁痕顯示不清晰,甚至可能造成漏檢。其原因是空氣間隙造成了大的磁阻,消耗了過(guò)多的磁能量,造成薄環(huán)開口擋圈零件得不到充分的磁化。另外,設(shè)備也無(wú)法滿足磁化的要求。

        2 磁化工藝優(yōu)化

        由于磁化能量消耗主要是由空氣間隙影響的,因此可以設(shè)想采用鐵磁材料填充空間,以縮短空氣間隙長(zhǎng)度的方法來(lái)改變磁阻,進(jìn)一步優(yōu)化磁化參數(shù)。

        以鐵磁材料穿過(guò)兩孔連接零件,使薄環(huán)開口擋圈零件形成一閉合鐵磁回路(忽略連接處的間隙),應(yīng)該是能改善磁化參數(shù)的。

        用線切割的方法在擋圈零件上制作了7條人工缺陷,人工缺陷的位置及深度示意如圖2所示??紤]薄環(huán)開口擋圈零件的表面狀態(tài),采用連續(xù)法熒光磁粉檢測(cè)。

        圖2 擋圈零件上人工缺陷的位置及深度示意

        (1) 采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的I=8D=8×50=400 A,對(duì)薄環(huán)開口擋圈零件(不閉合狀態(tài))用中心導(dǎo)體法磁化,在暗室中觀察,得到1,7號(hào)缺陷不顯示,2,3號(hào)缺陷顯示不清晰,4,5,6號(hào)顯示比較清晰的結(jié)果。

        (2) 用鐵絲將間斷處連接起來(lái),仍采用I=400 A對(duì)閉合擋圈零件進(jìn)行中心導(dǎo)體法磁化,在暗室中觀察的結(jié)果是1~7號(hào)缺陷均顯示清晰。

        (3) 采用同樣的方法對(duì)不同直徑的擋圈制作同樣的人工缺陷,得到的結(jié)果是相同的。

        FENDT 2018 主導(dǎo)科技學(xué)生優(yōu)秀論文征集通知

        為鼓勵(lì)更多青年學(xué)生致力于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)研究,發(fā)表高質(zhì)量的學(xué)術(shù)文章,2018年遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇將繼續(xù)設(shè)立“主導(dǎo)科技學(xué)生優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”。

        “主導(dǎo)科技學(xué)生優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”將由遠(yuǎn)東論壇學(xué)術(shù)委員會(huì)牽頭成立的評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)按照中英文文章分類評(píng)獎(jiǎng),分別設(shè)立:中文論文一等獎(jiǎng)1名,獎(jiǎng)金3 000元;二等獎(jiǎng)3名,獎(jiǎng)金1 500元;三等獎(jiǎng)6名,獎(jiǎng)金1 000元。英文論文一等獎(jiǎng)1名,獎(jiǎng)金5 000元;二等獎(jiǎng)3名,獎(jiǎng)金2 000元;三等獎(jiǎng)6名,獎(jiǎng)金1 500元。獲獎(jiǎng)?wù)撐暮蛯W(xué)生名單將在FENDT 2018大會(huì)開幕式中宣布,并頒發(fā)獎(jiǎng)金及證書。

        “主導(dǎo)科技學(xué)生優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”由成都主導(dǎo)科技有限責(zé)任公司于2014年設(shè)立并冠名贊助,截至2017年共有60多名海內(nèi)外學(xué)生獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。

        主導(dǎo)科技成立于2000年,專注于超聲、相控陣超聲、光電和圖像檢測(cè)技術(shù)在鐵路安全關(guān)鍵部件的檢測(cè)研究,生產(chǎn)的系列自動(dòng)化檢測(cè)和探傷設(shè)備廣泛應(yīng)用于鐵路軌邊檢測(cè)、在役輪軸檢測(cè)和廠修落輪檢測(cè)中,是鐵路行業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的領(lǐng)先者和主要監(jiān)測(cè)設(shè)備供應(yīng)商。主導(dǎo)科技與西南交通大學(xué)無(wú)損檢測(cè)研究中心和光電工程研究所密切合作,為中國(guó)高鐵、機(jī)車、車輛和地鐵提供可靠的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)服務(wù)。

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        通過(guò)以上試驗(yàn)可以說(shuō)明:開口環(huán)形零件在磁化時(shí),應(yīng)該考慮空氣間隙對(duì)磁化結(jié)果的影響。由于空氣間隙的存在,增大了磁路的磁阻,在間隙處產(chǎn)生了大的磁壓降,造成零件上的磁化不足,使得某些細(xì)微缺陷不能很好地檢測(cè)出來(lái)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1) 文中的磁路計(jì)算是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的,由于磁路計(jì)算不能像電路計(jì)算那樣精確,影響因素也較多,故結(jié)果只能在磁粉檢測(cè)的磁化工藝分析時(shí)用作參考。

        (2) 由于受到加工人工缺陷設(shè)備局限性的影響,如線切割的鉬絲直徑太大,而無(wú)法制作出更精確的人工缺陷,空氣間隙對(duì)磁路中的磁動(dòng)勢(shì)影響的試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果要小。

        [1] 竇華梅. 退磁場(chǎng)對(duì)磁粉探傷結(jié)果的影響[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2004,26 (1):44-45.

        [2] 于洋, 董志, 張磊. 某典型第七鉸鏈零件的加工方案論證[J]. 裝備制造技術(shù), 2015(10):229-230.

        [3] 潘廣明, 衛(wèi)廣智, 朱海寧. 51CrV4彈簧鋼熱處理工藝的研究[J]. 現(xiàn)代機(jī)械, 2012(1):74-76.

        [4] 劉樂(lè)樂(lè), 蔣成虎, 郭軍衛(wèi). 磁粉檢測(cè)簡(jiǎn)介及其在電廠設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2016(24):156.

        [5] 孫金立, 陳新波, 李小麗. 航空維修用小型化多功能磁粉探傷儀的研制[J]. 無(wú)損探傷, 2014(3):31-33.

        [6] 呂憶玲, 張曉明, 陳國(guó)彬, 等. T形磁通集聚器磁場(chǎng)放大特性及影響因素研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2015(11):1614-1619.

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