关于轴承质量检测方法的研究

孟鑫

（航天精工股份有限公司，天津 300300）

0.引言

截至目前，我国在轴承质量检测方面依然使用传统的手工测量方法，不仅无法保证轴承的测量精度，还会对轴承造成二次伤害，难以保证企业生产的轴承质量符合需求，这样的轴承在实际使用过程中会出现种种问题。在信息技术、光学技术飞速发展的时代背景下，诸如激光检测技术、光谱检测技术、电涡流检测技术都得到了充足有效的发展，如何将这些技术应用到轴承质量检测当中，根据轴承的外形、结构、尺寸选择科学合理的检测方法，对轴承质量进行全面细致的检测分析，及时发现轴承中的刮痕、气孔、断裂等质量问题，及时更换轴承设备，确保机械系统的稳定可靠运转，是当下从业人员需要考虑的重要问题。

1.轴承质量的标准

轴承的加工质量对轴承的运转情况有着决定性的影响，任何一个地方出现质量缺陷，都会给轴承使用带来诸多麻烦，因此在使用轴承之前，必须对轴承质量进行严格的检测，具体的质量检测标准如下。

1.1 对于径向厚壁瓦

需要使用压铅法、抬轴法检测轴承间隙以及瓦壳过盈量，轴间隙需要符合标准要求，瓦壳过盈量应该控制在0.02mm 以下[1]。

检测轴承的外轮廓、转子、滑道等各个部位，确保轴承没有损伤与裂纹，轴瓦不能出现剥落、气孔、裂纹等问题。

检测轴瓦和轴颈的接触状态，在接触范围内要保证接触均匀，每平方厘米要有2～4个接触点，一旦出现接触不良的现象，就需要做出适当的刮研。定期清理轴承箱，保证各个油孔畅通无阻，不能出现漏油、渗液的问题。瓦背和轴承座之间应该紧密均匀贴合，接触面积不得小于50%。

1.2 对于径向薄壁瓦

轴瓦的合金层和瓦壳之间应该紧密贴合在一起，不能出现分层、脱壳等问题。合金层表面和两半瓦中的分面应该保证光滑、平整，不得出现裂纹、气孔、夹渣、划伤等问题。

瓦背和轴承座之间应该紧密贴合，使用着色法检验分析，对于内径小于180mm的轴承，接触面积应该在85mm2以上，内径大于180mm的，接触面积不得低于70mm2。

轴承装配成功后，还需要检测中分面位置的间隙，一般用0.02mm的塞尺检测，以无法塞入为合格。

1.3 对于止推轴承

轴瓦不得出现磨损、变形、裂痕、脱层、灼伤等问题，与止推盘的接触位置应该保证印痕均匀，接触面积应该在70mm2以上，圆周各个瓦块应该分布均匀；同组瓦块的厚度差不得超过0.01mm，瓦块巴氏合金应该按照旋转方向修圆进油楔，为润滑油的流入奠定良好的基础；背部承力面应该保证平整光滑。

调整垫片应该保证光滑、平整，在检测质量时可以使用厚度在0.01mm以下的垫片检测。

轴承盖装配之后需要使用推轴法检测轴承的间隙，确保间隙值在合理范围之内，该检测步骤需要多次反复进行。采用这种方法检测出来的结果应该与轴位移探头的测量结果保持一致，根据标准要求调整位移探头的零刻度位置。

轴承壳水平结合面应该保持严密，不漏油、不错位。测油温的油孔和瓦盖眼之间应该在一条直线上，不得出现倾斜、偏移的问题，还需要保证油孔畅通无阻。

2.轴承外形轮廓的质量检测技术分析

2.1 轴承外形轮廓的结构及特征

轴承通常由内圈、外圈、滚动体、保持架等几部分组成。其中内圈也可以称之为内套、内环，一般固定在轴径上，内圈与轴一起做旋转运动。内圈外表面上一般都有供滚子、滚珠运动的沟槽，称之为内沟或者内滚道。外圈也叫作外套或者外环，一般固定在轴承座或者机械设备上，主要作用是支撑滚动体。外圈表面上也有供滚子、滚珠运动的沟槽，叫作内沟或者内滚道。滚动体通常装配在外圈和内圈之间，其主要作用是传递力矩，支撑内圈和外圈的相对运动[2]。滚动体的形状、大小和数量决定了轴承所承受的压力载荷以及旋转速度。保持架是将滚动体均匀隔离开的设备，避免滚动体在运动过程中出现位移、碰撞的问题。

截至目前，轴承在很多行业领域中都得到了广泛的普及与应用，轴承的种类非常繁多，诸如滑动轴承、深沟球轴承、角接触轴承、推力球轴承、滚针轴承等，不同类型的轴承在结构上存在很大的差异，所应用的质量检测方法也千差万别。与此同时，轴承形阔的检测内容比较多，要求精度也比较高，具体的检测内容包括内圈直径、外圈直径、高度尺寸、椭圆度、壁厚、平行差、滚道壁厚等，传统的质量检测方法显然已经无法满足人们的需求，因此急需一种科学先进的检测方法，对轴承质量展开全面细致的检测分析。

2.2 轴承外形轮廓的质量检测方法

随着工业技术的飞速发展，人们对轴承零件的加工精度、加工质量提出了越来越高的要求，使得轴承的质量检测内容越来越多，质量检测效率也进一步提高。截至目前，过去的接触式测量方法存在检测结果不精准、检测效率低下、检测内容少等诸多问题，甚至会对轴承造成一定的损伤，显然已经满足不了工业生产需求，急需一种先进合理的质量检测方法。除此之外，非接触式测量方法与被测物体不发生接触，在不破坏测试对象表面的情况下完成测量。这种测量方法有着检测精度高、检测速度快的优势特征，在机械加工、航天航空等诸多领域得到了广泛的应用[3]。

非接触式质量检测技术通常有微波技术、超声波技术、光波技术等3种。其中微波检测技术通常应用于尺寸较大的轴承三维测量，但是艾里斑半径比较大，角度分辨率比较低。光波测量技术的波长比较短，角度分辨率和深度分辨率非常高。超声波检测技术能够洞穿金属介质达到无损检测的目的，然而需要耦合介质，导致检测范围比较狭窄。参考实际情况，与微波检测、超声波检测技术相比，因为光波的波长比较短，通常在300nm到3um区间内，光学三维传感器的深度分辨率、角度分辨率与微波、超声波相比高出了103个数量级，所以光波检测技术的应用频率更高，接下来将详细分析光波质量检测技术。

2.2.1 激光三角法

激光三角法是典型的主动视觉测量方法，主要是借助光源、光敏元件的位置、角度来测量分析测试对象表面的位置信息，在测量过程中会用到激光器、汇聚透镜、光电探测器等设备。具体做法是将一束激光以特定角度照射到被测物体表面，激光在测试对象表面发生反射，在光电探测器上显示出来。成像点在光电探测器上发生的位移和实际位移存在特定的数据关系，从而利用光电探测器上的相移来核算出真实的位移，并根据位移的大小来判断测试对象表面的光滑度。

2.2.2 飞行时间法

飞行时间法是利用发射器发出一束激光，经过测试对象反射之后被接收器接收，利用软件计算出激光从发射器发出到接收器接收之间的时间，进而计算出被测对象的距离数据。飞行时间法还拥有配套的扫描设施来绘制被测对象的三维轮廓信息。飞行时间法的原理比较简单，能够测量尺寸较大的物体，用这种方法测量轴承表面的光滑度、裂纹等质量问题是非常合适的。另一方面，由于飞行时间法是利用激光发出与接收之间的时间差来检测轮廓质量，要想得到高精度的测量结果需要非常高的分辨率，这对飞行时间法的应用与普及造成了一定的不利影响。

2.2.3 投影条纹法

投影条纹法是利用调整光束的光学特性、投影角度来获取目标图像，有着测量效率高、技术含量高、柔性好的优势特征。以投影条纹法为基础的测量方法可以分为两种：一种是叶轮廓术；另一种是位像测量轮廓术。其中叶轮廓术是利用傅里叶变换把空间信息传输到频域上来处理，把条纹映射到物体表面，获取变形的条纹图并实施傅里叶变换、逆变换等，得到条纹相位信息，进而得到测试对象的轮廓信息。相位测量轮廓术利用相位和高度的对应关系测量投影到物体上的变形条纹像的相位进而得到测试对象的三维图像。

2.2.4 光谱共焦法

光谱共焦显微技术是20世纪50年代由Minsky创新发明的，光谱共焦技术发明初期主要应用到显微镜技术当中。在信息技术高度发展的时代背景下，光谱共焦技术的测量精度越来越高、分辨率不断提升，而且拥有了三维数字化成像技术，在微观形廓精密测量作业中得到了广泛的普及与应用。因此在轴承质量检测过程中，可以使用光谱共焦法测量轴承外形轮廓的质量问题。根据《几何产品参数-表面微观形廓》的内容，光谱共焦法是微观形廓测量中最为重要的测量设备，测量精度已经达到了nm的级别。光谱共焦位移传感器的光源会发出一束光谱较宽的复色光，利用传感器内部的色散镜头形成光谱色散，进而形成与不同测量距离值一一对应的单色光。传感设备利用内部光谱仪接收单色光波长，经过一系列的数据处理进而得到测量对象表面的距离信息。光谱共焦法除了能够测量位移信息之外，还可以检测一些细微的、难以测量的微小结构信息，因此光谱共焦法能够很好地测量出轴承外表面的凹陷、划痕等质量问题。

3.涡流检测技术的原理及应用

涡流检测技术是根据电磁感应原理而创新设计出来的新型检测技术，通常应用于机械设备的无损检测、位移检测当中。无损检测对应的电涡流传感器能够实现静态、动态两种非接触式测量。

涡流检测技术原理：该技术是以电磁学为基础，属于典型的非接触式无损测量手段，有着检测效率高、智能化水平高、无需耦合剂、可检测小型零件、支持高温检测等多种优点，但是也存在一定的缺陷与不足，涡轮检测只能检测导电材料的近距离表面检测[4]。一个线圈两端施加一个交流电压激励信号，因为电磁感应原理会使得线圈周围形成一个不断变化的磁场，磁场中的导电材料会形成涡流，进而产生一个磁场。涡流形成的反作用磁场能够反应出导电材料的好坏。因此当轴承材料内部出现裂痕、空洞、气泡等质量问题时，利用涡流检测技术可以轻松地识别出来。

涡流检测技术的涡流探头可以分为两种：一种是自感式，另一种是互感式。其中自感式探头的检测信号是线圈阻抗的变化情况，探头内部配备了一个线圈，该线圈兼具激励线圈和检测线圈两种属性。互感式探头的检测信号是线圈中的感应电压，探头内配置了两组线圈，其中一个是激励线圈，在激励信号的影响下探头周围会形成不断变化的磁场；另一组是检测线圈，在测试对象电涡流的影响下会形成感应电压。

涡流探头主要分为两种：一种是绝对式，另一种是差动式。其中绝对式涡流探头有一个检测线圈，能够快速测量线圈的阻抗变化，从而获取检测信号，检测时把测量对象的阻抗值和标准件阻抗进行对比分析，假如两者的阻抗值相同，说明被测物体质量合格，不然的话说明被测物体的质量有缺陷[5]。差动式探头的内部线圈是由两个线圈反接而成的，进而实现差动的效果，参考线圈的连接方式，差动式探头又细分为标准比较式、自比较式两种。其中标准比较式将两个一模一样的线圈反接在一起，一个线圈放在标准试件的上部，另一个线圈放在被测物体的上方。如果被测物体的表面存在划痕、损伤、裂纹等问题时，其电涡流就会发生变化，两个线圈的阻抗也会有所不同，这样一来就可以判断轴承的加工质量是否达到既定标准。自比较式探头属于变异的标准比较式，与被测物体进行对比的信号来自于被测物体本身，使用两个相互靠近的线圈对被测物体的相邻部位进行测量。一般情况下被测物体相邻位置的属性结构应该是接近的，两个线圈的差动连接不会出现太大的变化，但是当线圈检测到被测物体有缺陷时，两个相邻线圈的阻抗就会发生变化，进而输出质量缺陷的警报信号。

4.总结

轴承是机械系统中的重要零部件，其运转状态对整个机械系统的运转情况、整体性能有着不可忽视的影响。但是由于轴承加工技术的限制，导致部分轴承出现了裂纹、灼伤、刮痕、气孔、夹渣等多种问题，这些质量不达标的轴承是不适合应用到机械系统中的，特别是一些精度要求高、稳定性要求高的机械系统。因此在轴承加工以及使用过程中，人们要高度重视轴承的质量检测，综合使用着色法、激光三角法、飞行时间法、投影条纹法、光谱共焦法、涡流检测技术等对轴承的外轮廓、内部缺陷进行全面细致的检测分析，充分保证轴承质量符合要求，从而维护机械系统的平稳运转。