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畢 業(yè) 設 計 任 務 書 1 畢業(yè)設計課題的任務和要求 該同學承擔 無縫鋼管超聲檢測裝置設計 的任務 設計要求 1 設計機構實現(xiàn)探頭沿鋼管表面轉動 2 設計機構實現(xiàn)鋼管的直線運動 3 主機架設計 2 畢業(yè)設計課題的具體工作內容 包括原始數(shù)據 技術要求 工作要求等 工作任務 1 制定總體方案 2 設計組合檢測機構 3 設計輥道機構 4 設計約束機構 5 制作機械總裝配圖及部分零件圖 6 翻譯外文資料 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 3 對畢業(yè)設計課題成果的要求 包括畢業(yè)設計 圖紙 實物樣品等 1 零件設計圖 2 張 2 機械總裝配圖 1 張 3 設計說明書 1 份 4 英文翻譯資料 1 份 4 畢業(yè)設計課題工作進度計劃 起 迄 日 期 工 作 內 容 2016 年 2 月 29 日 3 月 21 日 3 月 30 日 5 月 10 日 5 月 11 日 6 月 1 日 6 月 1 日 6 月 5 日 撰寫開題報告 確定技術方案 完成具體設計 撰寫設計說明書 畢業(yè)設計答辯 學生所在系審查意見 同意下發(fā)任務書 系主任 2016 年 2 月 29 日 I 無縫鋼管超聲波無損檢測裝置設計 摘要 為了無縫鋼管的檢測 無縫鋼管的應用涉及到的范圍很大而大多數(shù) 的企業(yè)沒有很高的自動化技術 本文主要用的是超聲波探傷的檢測方法 設計 出了檢測的機械部分 實現(xiàn)了圓形鋼管的自動檢測 整個機械結構部分具有很 方便的操作和實用性很強 第二章主要介紹了超聲波監(jiān)測的原理 論述了無縫鋼管無損監(jiān)測設備設計 的關鍵技術和原理 介紹了超聲無損監(jiān)測技術在無縫鋼管監(jiān)測領域中的典型應 用 并對超聲自動監(jiān)測機械結構部分就行了了分析和對比 確定了本次設計的 研究內容和方向 結合現(xiàn)在所能應用的超聲波檢測裝置 針對現(xiàn)有的檢測 檢測時所遇到的 局部性 本次設計為了系統(tǒng)的簡單化 并且采用的是水浸探傷的方法 所以要 用到噴頭 把探頭和噴頭放在一起 正對鋼管的軸線上方 鋼管浸在水中 探 頭不動 鋼管旋轉向前運動 其中探頭的位置和方向是可調的 II Seamless steel tube ultrasonic nondestructive testing device design Abstract Detection for seamless steel pipe seamless steel pipe application involves the scope is very big and most of the enterprises is not very high automation technology this paper mainly USES the detection method of ultrasonic flaw detection and designed the testing of the mechanical parts realizes the automatic detection of circular steel tube the mechanical structure parts has convenient operation and strong practicability The second chapter mainly introduces the principle of ultrasonic monitoring this paper discusses the key technologies of seamless steel tube nondestructive monitoring equipment design and principle Ultrasonic nondestructive monitoring technology in the measurement of the seamless steel pipe are introduced in the field of typical applications and the ultrasonic automatic monitoring mechanical structure parts are able to analysis and contrast the research content and direction of this design is determined Combined with the application of ultrasonic testing device now can in view of the existing detection detection of locality the design for the system simplification and USES a water detection method so want to use sprinklers place the probe and a shower together right above the axis of the steel tube steel tube is immersed in the water probe steel pipe rotation forward movement the probe position and orientation is adjustable III 目錄 摘要 Abstract 目錄 1 緒論 1 1 1 課題介紹 1 1 2 國內外研究現(xiàn)狀 1 1 3 無縫鋼管超聲檢測關鍵技術 3 2 超聲檢測原理 4 2 1 檢測對象 4 2 2 無縫鋼管主要缺陷類型 4 2 3 無縫鋼管檢測方案的選擇設計 5 2 3 1 穿透法 5 2 3 2 脈沖反射法 5 2 3 3 接觸法與水浸法 6 2 4 檢測探頭的選擇 7 2 4 1 探頭類型的確定 7 2 5 掃查方式選擇 7 2 5 1 探頭進給速度 9 2 5 2 鋼管的旋轉速度 9 2 6 系統(tǒng)工作原理 9 2 7 機械部分 10 2 7 1 輥道 10 2 7 2 超聲探頭 10 2 7 3 水循環(huán)模塊 11 3 結構設計 12 IV 3 1 驅動部分設計 12 3 2 檢測部分設計 14 3 3 鋼管運動原理 14 3 3 1 齒面接觸疲勞強度計算 15 3 3 2 確定傳動主要尺寸 17 3 3 3 齒根彎曲疲勞計算 17 3 4 主機架設計 18 3 5 檢測機構 18 3 6 噴頭機構 19 3 7 定位機構 20 4 結論 22 參考文獻 23 致謝 25 1 1 緒論 1 1 課題介紹 在現(xiàn)代的工業(yè)中 無縫鋼管主要在化工 石油 船只 汽車 建筑 地質 勘查 軍工以及核工業(yè)等行業(yè) 涉及面很廣 因此無縫鋼管在現(xiàn)代化工業(yè)中已 經占有很重要的位置 無縫鋼管也經歷了很長時間了 也發(fā)展了幾十年了 我 國在鋼管的需要量上也很大 成為了最大的消費和出口的國家 但我國的鋼管 生產技術還很不完善 自動檢測裝置都是從歐美的國家引進的 創(chuàng)新能力不足 生產裝備國產化進程緩慢 1 2 國內外研究現(xiàn)狀 目前 我國大型的鋼管生產所用的檢測設備主要依賴于進口 如上海寶鋼 使用的是德國的 Mannesmarm 公司設計的超聲自動檢測系統(tǒng) 天津鋼管有限責任 公司的則使用了德國 KarlDeutsch 德國 Nukem 日本三菱等公司設計的超聲檢 測設備 武鋼則引進了德國本特勒公司的檢測設備 縱觀整條生產線裝備 多 國化 已形成基本局面 產品質量是產品立足于國內外市場的基石 國內無縫 鋼管行業(yè)無損檢測的技術應該更加成熟起來 一方面 受國際原材料和運輸費 用的繼續(xù)上揚 人民幣持續(xù)升值等因素的影響 國內無縫鋼管的生產成本在不 斷提升 2008 年鐵礦石基準價上漲 65 人民幣至少升值 8 一 10 我國先進的 自動無損檢測設備一般都是來自于美國 從國外買的設備一般費用高使我國的 中小企業(yè)利潤低 另一方面 國外無縫鋼管的產量和產能也在不斷提高 能源和 材料都在加快生產 而在國外的一些國家 大部分都擁有先進的自主研發(fā)的技 術裝備 生產調度靈活 設備淘汰更新較快 在這樣的比對下 我國的設備更 新代價昂貴 消化吸收慢 國產化進程緩慢 先進的檢測技術還是被美國這些 國家所掌控 隨著現(xiàn)在的國際形勢來看 我國無縫鋼管產品的質量要想在國際 市場上立足并且邁上鋼管生產強國的道路 必須加快無損檢測的技術研發(fā)設備 研制 以便于能夠降低生產成本 在近幾十年中 國外在超聲波檢測的技術方面有了較大的發(fā)展 在無縫鋼 管的檢測領域大量的采用了超聲波檢測設備 其中 國外較為成功的超聲波檢 測方法主要有兩種 探頭靜止鋼管螺旋前進式 鋼管直線進給探頭旋轉式 探頭靜止 鋼管螺旋前進式 2 這種檢測方式比較簡易 一般在設備上布置多個探頭 用水做耦合劑 鋼 管螺旋親近經過探頭進行探傷 英國 Krautkramer 公司采用的超聲波大型鋼管 檢測設備 GRP PAT 其應用方式即為這種檢測方式 GRP PAT 采用了模塊化相控振電子檢測裝置 VPA 其采用的是部分液浸探傷 技術以及螺旋式傳送方式 并配備小尺寸檢測機械裝置用于高速螺旋式鋼管傳 送 其探頭液浸器在鋼管上其導向作用 該設備不僅能夠用來檢測縱向和橫向 缺陷 測量管壁厚度以及分層缺陷 還可以用來檢測斜向缺陷 GRP PTA 只采 用了一個液浸器 這樣能夠有效的降低其切換次數(shù) 還能用來對關閉變形以及 超聲耦合進行檢驗 1 探頭旋轉 鋼管直線進給式 探頭旋轉式檢測設備對無縫鋼管的傳動裝置的要求較低 能夠比較好的避 免因鋼管旋轉而造成的震動對其超聲信號的影響 從而大大提高其檢測速度 代表著在線超聲波無損檢測系統(tǒng)的最高水平 在這一方面 國內相差甚遠 2 鋼管不旋轉直行 探頭靜止不動式 鋼管不旋轉直行 探頭靜止不動的工藝是目前國際上使用較少 僅限于直 徑在 50mm 以下的工藝 其工作原理是儀器發(fā)射高平電脈沖 直接傳遞到探頭連 接線上 觸發(fā)探頭壓電晶片產生超聲波 向鋼管中發(fā)射超聲波 超聲波遇界面 返回到壓電晶片 通過壓電晶片產生高平電脈沖 直接將信號傳回處理器 3 鋼管原地旋轉 探頭沿軸線移動式 鋼管原地旋轉 探頭沿軸線移動式的工藝是在早期檢測試驗時使用較多的 工藝 其工作原理是通過儀器發(fā)射高頻電脈沖 并將其直接傳遞到探頭連接線 上 使其觸發(fā)探頭的壓電晶片 從而產生超聲波 超聲波遇到界面返回到壓電 晶片 并通過壓電晶片產生高頻電脈沖 直接傳回信號處理器 通過鋼管繞自 身軸線旋轉且通過托輥帶動鋼管直線運動 鋼管的復合運動為 S 形 探頭均勻 掃查鋼管體 我國對于超聲檢測方面的研究比較晚 從 1973 年以來 我們國家才開始大 量的進行檢測的技術完善 并且取得了很大的成果 主要代表是冶金鋼鐵研究 院總院張廣純教授等 在經過 30 多年的深入研究與不斷完善 他們通過發(fā)射 機發(fā)射出大功率脈沖信號 在壁厚 18mm 的鋼板中產生 lamb 波檢測缺陷 從理 3 論研究領域看 我國的研究水平與國際基本同步 但在實際應用方面 我國與 國外尚存在一定差距 1 3 無縫鋼管超聲檢測關鍵技術 無損檢測的磁粉檢測 MT 超聲檢測 UT 以及渦流檢測 ET 等方法 各有其優(yōu)缺點 11 目前超聲檢測技術主要有三種 1 電磁超聲檢測 電流在磁場中受到洛倫茲力作用 金屬在交變應力作用下就會產生應力波 當 頻率超過 20KHz 就形成了超聲波 從電磁超聲產生的機理可以看出 該種檢 測方法也是一種非接觸式超聲檢測 由于橫波聲速較縱波聲速小 可用于測量 厚度較薄 13 的金屬試件 且精度更高 在工業(yè)實際中 電磁超聲探傷在無縫鋼 管的缺陷檢測中運用極廣 2 空氣耦合的超聲檢測 一般情況下 在鋼管實際檢測中 藕和劑尤其是水盡可能不出現(xiàn)在檢測現(xiàn)場 但是近年來逐漸得到重視 尤其是在材料無損檢測 14 領域 超聲波在空氣中的 衰減厲害 早期缺乏合適的換能器 主要進行低頻超聲和導波檢測技術 現(xiàn)在 美國 QMI 公司已研制出商品化的空氣耦合超聲探傷儀 3 組合式檢測使無損檢測 任何一種無損檢測技術都只能檢測材料中某些特定的缺陷 對于鋼管中的各 類型缺陷 其檢測種類多 形式各樣 檢測難度大 一般需采用組合式檢測方 法來檢測鋼管的內部缺陷 例如在油管檢測過程中 典型的組合是漏磁和超聲 組合 實現(xiàn)縱 橫缺陷檢測及測厚功能 對于高壓輸送管道 某些化工用管一 般采用渦流 超聲組合 基于以上方法的比較與分析 本文以無縫鋼管的出廠質量檢測為研究對象 可確定本文的研究方法為基于水介質超聲波檢測法 4 2 超聲檢測原理 2 1 檢測對象 本系統(tǒng)的檢測對象為無縫鋼管 無縫鋼管是一種管狀工件 在實際生產中 無縫鋼管的缺陷主要是形式是 外折 凹坑 壁厚不均勻以及鋼管裂紋等 17 根據其缺陷的方向 又可以分為軸向缺陷 徑向缺陷和折疊缺陷三種 三種缺 陷的特點不同 其有效檢測方式也不同 根據實際要求 本實驗系統(tǒng)機械結構 能夠檢測的規(guī)格范圍如下 1 材質 低碳合金鋼 2 鋼管直徑 140 200mm 3 鋼管壁厚 g 14mm 4 管長 480 785mm 5 彎曲度 2mm m 6 表面特性 矯直 輥軋 實際檢測中 為了使得監(jiān)測系統(tǒng)的達到要求 采用兩中極端狀態(tài)參數(shù)的鋼管 其規(guī)格參數(shù)如下 l 號鋼管 外徑 140mm 壁厚 8mm 管長 480mm 2 號鋼管 外徑 200ram 壁厚 14ram 管長 785mm 2 2 無法鋼管主要缺陷類型 經過人們的總結 無縫鋼管缺陷大致分為以下幾種 1 內折 鋼管生產過程中中心疏松 芯部縮孔以及柱狀晶在鑄坯內的存在 很容易造成內折缺陷的產生 這是由于管坯中心疏松在穿孔的探入階段會造成 芯部開裂并在后續(xù)的穿孔 輾壓過程中形成內折 管壁中的縮孔受熱時內表面 氧化 穿孔時又不能被焊合 同時在縱向剖開鑄坯時發(fā)現(xiàn)縮孔在鑄坯內是不連續(xù) 的 縮孔的這一系列性質 導致鋼管內折缺陷的形成 2 外折 外折是指在無縫鋼管的外表面上與鋼管軸線形成一定角度的折疊 3 扎折 扎折是指鋼管表面凹陷皺褶狀的缺陷 在連軋過程中機架之間的 金屬秒流量不等是 特別容易造成扎折缺陷的產生 4 壁厚不均勻 壁厚不均勻 是指鋼管壁厚的跳動誤差超出了國標定義的最大壁厚公差值的 造成壁厚不均 5 勻的因素比較多 使連軋孔型形狀改變而增加金屬橫向寬展或孔型發(fā)送歪斜以及 增大軋制過程中金屬的流動不均勻都會影響鋼管的壁厚精度 其中連軋管機組 在穿孔過程中與軋制中心線不夠吻合是造成壁厚不均勻的最主要原因 除了上述四種缺陷外無縫鋼管的缺陷還包括結疤 內麻坑 內直道 發(fā)紋 劃傷 青線等 但是超聲檢測一般只能對上述缺陷中屬于裂紋 折疊以及壁厚 不均勻這樣的缺陷才具有檢出能力 而對包括鋼管表面劃傷等缺陷卻無能為力 所以以下討論的缺陷也以裂紋 折疊以及壁厚不均勻缺陷的檢出為主 2 3 無縫鋼管檢測方案的選擇設計 下面針對鋼管具體檢測實際 查閱現(xiàn)有的常用的檢測手段 并根據無縫鋼 管的具體情況以及本設計所要達到的設計要求 選擇設計出本實驗系統(tǒng)的機械 部分 2 3 1 穿透法 如圖 2 1 穿透法是利用電磁波激發(fā)設備和接收設備來監(jiān)測無縫鋼管內部缺 陷的 電磁激發(fā)設備發(fā)射的電磁波以波的形式穿過鋼管體 當電磁波穿過有缺 陷的鋼管截面時 波的傳播形式會發(fā)生改變 一部分波會被反射回來 利用這 個波的傳播特性來監(jiān)測鋼管內部缺陷 圖 2 1 2 3 2 脈沖反射法 如圖 2 2 反射法是將脈沖超聲波入射至被檢測件后 傳播到有缺陷的截面 時 產生反射聲波 波在被檢測件的反射狀況就會以一定形式放映 根據反射 6 的時間及形狀來判斷被檢測件內部缺陷及材料性質的方法 反射法既可以采用 發(fā)射和接收兩個獨立的探頭進行檢測 也可以使用一個集發(fā)射和接收功能于一 體的探頭 18 圖 2 2 由上述對比可以發(fā)現(xiàn) 相對于反射法而言 穿透法具有如下缺點 1 兩探頭位置必須相互對準以保證接收正常 探頭定位相對困難 2 探頭與試樣的接觸狀態(tài)會影響檢測波的狀態(tài) 3 當兩探頭之間波的共振容易而影響測量結果 在超聲檢測發(fā)展的最初階段 穿透法是種較為有效的監(jiān)測手段 同時針于無 縫鋼管來說 在管壁內外各安裝一個探頭也是不現(xiàn)實的 既不能滿足自動化檢 測的要求 也加大了安裝難度 從而使檢測精度難以控制 因此 本實驗系統(tǒng) 選用脈沖反射法 2 3 3 接觸法與水浸法 根據超聲探頭與被檢測件之間的耦合方式的不同 超聲檢測法又可以分為接 觸法和水浸法兩種 下面分別進行簡單介紹并選擇出本系統(tǒng)使用的方法 1 接觸法 如圖 2 3 接觸法是指探頭與被檢測件表面之間經一層很薄的耦合劑或不用任 何耦合直接接觸進行檢測的方法 其中耦合劑主要起傳遞超聲波能量作用 這 種方法操作簡單 但是要求探頭與鋼管表面直接接觸且需保證二者之間的間隙 不超過某一值 因此對與鋼管的表面粗糙度精度等級要求比較高 7 圖 2 3 2 水浸法 如圖 2 4 水浸法又叫作液浸法 是指將超聲波探頭與被檢測的無縫鋼管全部 浸入液體 或探頭與被檢測件之間局部充滿液體進行檢測的一種方法 其中作 為耦合液一般用水 因此通常又稱為水浸法 圖 2 4 根據兩種方法的原理可知 水浸法與接觸法相比較 有如下優(yōu)點 1 超聲波探頭與被檢測鋼管表面不直接接觸 超聲波的發(fā)射與接收信號較 為穩(wěn)定 被檢測件表面粗糙度對檢測效果的影響不大 2 探頭發(fā)射的超聲波束相對于被檢測件受檢面的取向是可以自由改變的 可以比較容易的實現(xiàn)斜入射檢測 3 由于被檢測件的界面回波寬度比發(fā)射脈沖寬度窄 可以縮小盲區(qū) 從而 使檢測較薄的被檢測件成為可能 4 由于探頭不直接接觸被檢測件 對探頭和晶體電路損壞的可能性小 從 而可以采用工作頻率較高的薄晶片 從而提高檢測的分辨率 正是因為上述特點 由于本實驗系統(tǒng)是基于工業(yè)自動化檢測方向的 因此選 用水浸法能夠得到更好的效果 2 4 檢測探頭的選擇 8 2 4 1 探頭類型的確定 超聲波由于其波長的不同 其在水中和鋼管中的傳播速度 傳播方式都有差 異 對于不同的缺陷類型 根據缺陷情況的差異其波的波動變化是不用的 對 這種差異進行數(shù)據處理和歸類 不同的缺陷情況下檢測結果也不一樣 因此針 對不同的缺陷類型 要選用不同類型的超聲探頭及檢測波型 由 2 3 節(jié)可知 無縫鋼管中存在的缺陷主要分為軸向缺陷 徑向缺陷和折 疊缺陷三種 對于徑向探頭 探頭超聲波信號發(fā)送器置于鋼管上方 徑向方向 布置方式 其發(fā)射的超聲波信號經水介質折射到鋼管 其折射角為 在經鋼 管內部反射 通過信號收集器采集數(shù)據 若鋼管徑向存在內部缺陷 其采集的 超聲波信號會發(fā)生異常變化 根據變化特征來識別缺陷類型 對于軸線探頭 其布置方式為圖 b 探頭置于鋼管上方 其發(fā)射的超聲波信號經水介質折射到 鋼管 其折射角為 在經鋼管內部反射 通過信號收集器采集數(shù)據 若鋼管 徑向存在內部缺陷 其采集的超聲波信號會發(fā)生異常變化 根據變化特征來識 別缺陷類型 對于直探頭 其發(fā)射的超聲波信號經水介質折射到鋼管 其入射 角為 在經鋼管內部反射 通過信號收集器采集數(shù)據 若鋼管徑向存在內09 部缺陷 其采集的超聲波信號會發(fā)生異常變化 同樣根據變化特征來識別缺陷 類型 三種探頭的檢測過程以及原理如下圖 a b c 所示 2 5 掃查方式選擇 9 掃查方式就是指 超聲探頭和被檢測鋼管之間的相對運動方式 掃查方式是 進行無縫鋼管檢測的關鍵 良好的掃查方式能夠準確 全面的能夠的完成對整 個鋼管檢測單元的掃查 其漏查率和準確度亦可得到極大的提高 針對無縫鋼 管這一特殊構建 查閱大量資料以及借鑒國外先進設計思路 選定超聲探頭和 鋼管之間的相對運動方式為螺旋式 理論上已經證明螺旋式掃查方式能保證在 相對短的時間內掃查整個鋼管的外表面掃查效率極高 而不本設計考慮到探頭 若做選擇運動的話 其附加的動力部分 機械結構部分的增加 無疑會造成生 產成本的提高 運動構建的復雜 實際是不必要的 通過研究這個掃描原理可 知道 實現(xiàn)螺旋試的掃描 可以讓探頭靜止不懂 鋼管不經繞自身旋轉運動 利用同一套動力系統(tǒng)可以讓鋼管保持較為穩(wěn)定的直線進給運動 這樣不僅有利 于探頭布置 減少了機械結構 利用同一套動力系統(tǒng) 節(jié)能環(huán)保 2 5 1 探頭進給速度 從現(xiàn)場實際工作的情況看 工廠的標準一般是要求鋼管的檢測速度達到 0 1 加 0 4m s 但是在現(xiàn)場的實際應用中 為了提高檢測速度 一般會采用 四組或者四組以上同類型的探頭同時工作 因此首先可以確定探頭進給速度為 25 100mm s 這一參數(shù)是不隨檢測對象的改變而改變的 2 5 2 鋼管的旋轉速度 同樣從實際檢測和理論基礎上 鋼管繞自身軸線的旋轉速度越快 其掃查覆 蓋率越大 檢測精度也越高 但對探頭靈敏度的要求也會提高 因此須權衡考 慮使的整個系統(tǒng)的配合 在滿足掃查全面覆蓋的前提下 其決定因素有兩個 一是探頭的直線進給速度 這個參數(shù)已經確定 二是探頭超聲波發(fā)射面積 所 選探頭的發(fā)射面積為 8mm 6mm 為了保證檢測的有效性 還必須對掃查面積保 有余量 因此可以根據式計算得出鋼管旋轉速度為 300 1200rpm 這一參數(shù)同 10 樣也不隨檢測對象的改變而改變 2 6 系統(tǒng)工作原理 該系統(tǒng)采用橫波脈沖反射法對鋼管進行探傷 其探傷原理 圖 2 5 中 F 為探 頭焦距 尹為鋼管內半徑 R 為鋼管外半徑 D 為鋼管直徑 D ZR T 為鋼管壁厚 a 為人射角 X 為探頭偏離鋼管中心的距離 圖 2 5 為保證超聲波聲束入射角差別最小 識別能力強 對于探頭入射角度有較高要求 不同入射角度對于超聲波接受的型號有一定的差別 對于收集到數(shù)據 進行數(shù) 據識別 包括發(fā)射波 界面波 缺陷波以及二次界面波的識別 準確識別 避 免誤判是數(shù)據處理的核心 2 7 機械部分 整個無縫鋼管在線檢測系統(tǒng)的機械部分主要包括輸送輥道 擺動輥道 水循 環(huán)模塊 探傷機架 探頭架組 噴頭單元等 這些機械子系統(tǒng)構成了探傷系統(tǒng) 的 整體 2 7 1 輥道 本系統(tǒng)是作為無縫鋼管軋制流水線上的一套設備 根據鋼管的產能按一定的 速度一根接一根的生產出來通過鋼管廠的傳送設備傳送到無縫鋼管在線檢測設 備前面 所以該設備也必須設計一套輥道用來把到位的鋼管以一定的速度平穩(wěn)傳 送到探傷本體內進行探傷 更具需求我們設計了兩套輥道 每套輥道由若干個輥 道單元組成 分為傳輸輥道和擺動輥道 兩套輥道間隔安裝 傳輸輥道只負責將 11 鋼管向前傳送 鋼管在前進的過程中并無旋轉 所以傳輸輥道上的輥子只需選用 V 型或梯型輥子 這是因為鋼管到位以后離探傷本體還有一定的距離 在這段距 離的傳輸并不需鋼管的旋轉 2 7 2 超聲探頭 超聲探頭必須成組的安裝在探頭架上 橫向缺陷 縱向缺陷 壁厚缺陷三個 檢測單元各占一個探頭架組 三個探頭架組依次安裝在探傷本體上 待檢測鋼管 從輥道上螺旋傳輸過來的時候三個探頭架組依次由氣缸從下面頂上來貼在鋼管 上進行橫向缺陷 縱向缺陷 壁厚缺陷的檢測 2 7 3 水循環(huán)模塊 本系統(tǒng)采用的超聲禍合劑是水 在超聲檢測的過程中要不斷往超聲檢測單元 中注入水 使得鋼管始終浸泡在水中 考慮到中國是個缺水的國家 水資源并不 豐富 所以如果不斷注水 然后用過的水直接排放掉則會造成的水資源的浪費 不 符合我國現(xiàn)在實行的節(jié)能減排的政策 所以有必要設計一套水循環(huán)裝置 收集從 超聲檢測單元溢出來的水 過濾后重新導入檢測單元二次使用 圖 2 6 圖 2 6 所示為本系統(tǒng)所設計的水循環(huán)系統(tǒng) 在每個超聲檢測單元的側壁都 開有進水口 水管由進水口插入 經試驗發(fā)現(xiàn) 如果水直接由水管注入 則在注入 時會造成大量的氣泡 而氣泡在檢測過程中是要嚴格控制的 一旦出現(xiàn)氣泡 則會 導致鋼管檢測的勿報警 增大系統(tǒng)的勿報率 所以在水管口安裝一個擋板 擋板 的作用是擠壓水泡 水管注水時產生的水泡可由擋板擠壓破裂 這樣就避免了檢 12 測過程中檢測單元內的水泡問題 如圖所示 檢測單元中溢出的水由水槽流入水 循環(huán)模塊 系統(tǒng)使用濾網和濾紙雙重過濾掉水中的顆粒物雜質 直徑比較大的顆 粒物雜質會對檢測產生影響 細小的雜質則不影響檢測 過濾后的水由水泵抽 入檢測單元再次利用 3 超聲檢測系統(tǒng)機械結構設計 3 1 驅動部分設計 圖 3 1 本機械部分設計由設計要求可知 如圖 3 1 中鋼管運動方式為旋轉和直線 運動 在個別敏感區(qū)域需要特別仔細檢查的時候 需要人工手動進行反復監(jiān)測 缺陷 所以本次設計采用電機作為動力源 電機軸要求可以正反轉 電機的控 制就應該有連續(xù)正轉 反轉 點動正反轉以及啟動 急停等幾個操作 電機與減 速器之間用聯(lián)軸器連接 減速器和鋼管的兩托輥軸用錐齒輪進行動力傳動 鋼 件的檢測長度一般在 2 4 米左右 所以只靠四個相互錯開的橡膠滾輪帶動是不 夠的 其鋼管行走的直線度不能保證 需要對其進行輔助定位 保證在鋼管監(jiān) 測是其工作位置不會因為管件過程而出現(xiàn)擺動 其定位夾持件有 V 型塊 連桿 組成 鋼管在滾輪上可以自由滾動 管件上方為一個類似于 V 型塊的部件 它 13 與鋼管有一定的間隙 可以阻止鋼管出現(xiàn)較大的擺動 V 型塊有一帶有兩個孔 的桿件連接 定位和擰緊有螺栓來保證 所以該設計可以對不同直徑的管件進 行檢查 松開螺母 適當調整 V 型塊的位置便可 1 電機的選擇 按照工作要求和條件選擇普通的三項異步電機 2 功率 工作所需功率為 nPT61095 式 3 1 實 際 式中 電機工作效率 mNT 160in 50r 97 0 式 3 2 8 97 5 實 際P 電機所需的輸出功率為 總實 際電 式中 為電機至工作臺主動軸之間的總效率 齒輪 軸承 97 01 9 02 蝸桿 因此 式 3 3 8 3 89 073321 總7 總 KWP2 1 實 際電 一般電機的額定功率 式 3 4 51 電Pm 考慮電機同時驅動兩軸聯(lián)動工作 故考慮將電機功率取大一些 取電機額定功 率為 kwm2 3 轉矩 由后面齒輪的轉矩可得 14 式 3 5 mNnPTm 7 25601 9105 9 6min 8 91 6ax 4 確定電機轉速 由文獻 2 表1 8推薦的各種機構傳動范圍為 取 錐齒輪齒輪傳動比 3 5 減速器傳動比 5 12 則總的傳動范圍為 15 60 21i 電機轉速的范圍為 min 21605436 05 rnNm 為降低電機的重量和價格 選用JZR2 YZ系類電機 功率2KW 鼠籠型電機 環(huán) 境溫度40度 F 級絕緣 同步轉速 1000r min 工作制為S3 S5 3 2 檢測部分設計 圖 3 2 圖 3 3 由圖 3 2 和圖 3 3 可知本次設計采用浸水 選購的電機最高速度為 1000r min 經減速器和傳動鏈以后 輸送帶的周向速度最高為 50r min 系統(tǒng) 控制電機轉動方向和轉速來控制鋼管的運動 在鋼管的移動過程中 如果缺陷 由工控機通過通信件缺陷信號位移輸入控制器 有控制器根據當前速度值和探 頭打點器距離值計算沿時時間 延時時間一到 說明缺陷已處在打點氣位置處 有打點器做記號 并有報警器提醒工作人員 另外因為是水浸探傷 所以需要 15 潛水泵為水箱注水 3 3 鋼管運動原理 圖 3 4 由圖 3 4 可以看出機架 其主要作用時固定其他組成部分以及電機等 同 時能夠在內部充滿耦合劑 說以保證鋼管以及探頭底部完成浸入水中 檢測機構 其主要作用是將探頭水平固定并做水平直線運動 同時由于鋼管的直 徑是一個范圍 所以為了保證對于不同直徑的鋼管探頭檢測的有效性 必須實 現(xiàn)探頭的高度可調節(jié)的功能 為了實現(xiàn)對于不同直徑長度的無縫鋼管檢測 完 成了定位機構和鋼管的復合螺旋掃描運動傳動機構設計 本文為了實行托輥帶動無縫鋼管的直線運動 由于是兩個托輥軸同時聯(lián)動 故而設計了錐齒輪機構如下圖 3 5 實現(xiàn)了一軸驅動兩托輥軸的旋轉運動 圖 3 5 16 設計的直齒錐齒輪傳動 軸交角 小齒輪懸臂支撐 大齒輪兩端o90 支撐 傳遞功率 P 2Kw 小齒輪轉速 320r min 傳動比 i 3 電機通過減速器驅 動 工作載荷穩(wěn)定而平穩(wěn) 長期單向回轉 可不考慮壽命因素 直齒錐齒輪加 工多為刨齒 筆譯采用硬齒面 小齒輪材料 調制處理 硬度 250HB Cr40 300HB 取平局硬度 260HB 大齒輪 調質處理 硬度為 200 250HB SiMn2 取平局硬度 230HB 設計計算步驟為 3 3 1 齒面接觸疲勞強度計算 齒數(shù) Z 和精度等級 取 Z1 24 724312 iz 初步 由表 12 6 查的其精度等級為 9 級smv 8 0 使用壽命 由表 12 9 選 1 0AKAK 動載系數(shù) 由表 12 9 選 1 17V V 齒間載荷分配系數(shù) 由表 12 10 估計Ha 95 01cos 1021 umNbFKtA 3 cos2 u 253 07cos 6 9 42211 Zvv 74 1cos 8121 vav Z 8 0374 4 avZ 2 1 KHa 齒向載荷分布系數(shù) 由表 12 20 級標注 3 取 1 9 K 載荷系數(shù) K 9 HaVA 17 轉矩 T1 mNnPT 974032105 9105 9661 彈性系數(shù) 由表 12 12 EZMaZE8 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由表 12 16 H52H 接觸疲勞極限 由表 12 17c min PaPH680 7102limlim 接觸最小安全系數(shù) 由表 12 14 取 1 05 iSinS 接觸壽命系數(shù)由設計要求可知取 1NZ 需用接觸應力 式 3 6 H MPaSHN64805 17 min2l2il1 小輪大端分度圓直徑 取1d3 0R 式 3 7 m ZuKTdHERR28 96487 052 193 0513074 4 223 2211 3 3 2 確定傳動主要尺寸 大端模數(shù) m 取 m 4mm93 248 1 zZd 實際大端分度圓直徑 d m7621 錐距 R ZR9 511 齒寬 b b 43 0 3 3 3 齒根彎曲疲勞計算 齒形系數(shù) 由圖 12 30 2 73 2 15FaY1FaY2Fa 應力修正系數(shù) 由圖 12 31 07 64 SS 18 重合度系數(shù) 式 3 8 Y 68 074 152 075 2 0 avY 齒間載荷分配系數(shù) 由表 12 10 FaK YKF 載荷系數(shù) K 27 391471 aVA 彎曲疲勞極限 由圖 12 23C 查出 limF MPaF60lim 52li 彎曲最小安全系數(shù) 由表 12 14 得出 1 25inFSinFS 彎曲壽命系數(shù) 由設計要求的NY121 NY 尺寸系數(shù) 由圖 12 25 0 X 許用彎曲應力 F MPaSFNF 48025 16min1l1 YFX6 70in2l2 驗算 式 3 9 15 0142312 uZKTRRSaF 帶入個參數(shù)得出 15 80FFMP 同理得出 224 79Fa 3 4 主機架設計 主機架是檢測機構主要的承重部件 主要起著擔負支撐和固定電機以及其 他機械結構的任務 具有一定的機械強度和穩(wěn)定性 設計的主機架的幾個要點 1 較大的容積以保證水層高度的同時 主機架水箱的地步安裝一個閥門以方便 耦合水的更換 2 在一般性的四腳支撐結構的基礎上上 在結構中增加一對支撐腳 并在所有 支撐腳上安裝地腳螺釘 保證電機在運行過程中機械結構的穩(wěn)定性 3 在檢測擊鼓的頂部安裝檔板 不僅可以防止鋼管旋轉時的水花四濺影響檢測 結果 而且還能在鋼管旋轉時失控時保證人員安全 4 通過錐齒輪傳動機構 實現(xiàn)雙抽同時轉動 帶動鋼管直線運動 通過橡膠托 19 輥機構實現(xiàn)鋼管繞自身軸線的選擇運動 橡膠托輥可有效減少鋼管的二次損傷 3 5 檢測機構 在第二章中 選用了 WT L T 即直探頭 經向探頭和軸向探頭三種個一 個組成組合檢測機構 考慮各個探頭檢測原理得差異以及空間布置的合理性 可以將其排列為圖 3 6 所示方式 圖 3 6 檢測機構的主要作用是將探頭固定在距離被檢測鋼管一定蓋度的位置上 并能沿鋼管軸線方向直線運動 結構分為 3 大部分 機構下端的探頭固定裝置 機構上部分的水平移動裝置和連接兩者的支撐管裝置其特點為 1 探頭固定裝置浸入水中的部分所有連都須密封 保證其防水性能 以免探頭 數(shù)據線被水浸濕 2 水平移動裝置采用平行導軌進行傳動 也可利用滾珠絲杠副將電機的旋轉運 動轉換為裝置的水平運動 3 6 噴頭機構 本文章采用鋼管浸水的方法來監(jiān)測其內部缺陷 故而需要為剛體提供水環(huán)境 本部分設計為 讓鋼管直線運動穿過水槽 鋼管正上方設置出水噴頭 設計具 有優(yōu)良性能的噴頭結構 噴出均勻的液體水 從而保證了鋼管表層時刻覆蓋有 水膜 進一步保證了監(jiān)測的準確性 而且在軌道下設計了一個水箱 使其讓噴 頭噴完的水流到水箱內 這樣可以做到水循環(huán)利用 可以裝一個液壓泵抽水 可以設定噴水的比例 設計泵體的數(shù)據使用 這樣設計可以使噴頭 噴下的水 不亂流 保證工廠的干凈 具體噴頭結構如圖 3 7 所示 20 圖 3 7 1 上端蓋 2 螺旋閥芯 3 緊固螺栓 4 墊片 5 中間振蕩腔 6 噴嘴 由圖 3 7 所示該裝置包括上端蓋 帶有螺旋和中心錐孔的螺旋閥芯 具有調 節(jié)和密封功能的墊片 中間振蕩腔體 弧形噴嘴 上端蓋進水 外圈設置螺紋 接頭 內圈設置臺階 臺階的臺階面具有一定的傾角 螺旋閥芯中間孔設置錐 形孔 左大右小 有利于增加水壓力 外圈螺紋橫截面為矩形螺旋孔 出口設 置為扇形 在上端體和中間混合振動腔體間設置有調節(jié)墊片 錐形激振塊位與 噴嘴做成一體 該螺旋式液體流場是利用直線型水流和螺旋式高壓液體流形成 混合流場方式 二者通過中間混合振蕩腔 最終使水流均勻噴出實現(xiàn)對被監(jiān)測 鋼管的水膜覆蓋 該結構簡單 易于控制和調節(jié) 效果好 制造和使用方便 實用性強 安全可靠 3 7 定位機構 鋼管缺陷的監(jiān)測的掃查方式決定了鋼管的運動形式 掃查是指超聲探探頭 和被檢測件之問的相對運動方式 為了實現(xiàn)鋼管掃查出均勻的 S 曲線 本設計 鋼管的直線運動和繞自身軸線的回轉運動 同樣為了保證曲線的均勻性 需要 保證直線運動的直線度和回轉運動的穩(wěn)定性 為此本設計設計了專門的定位零 件 其結構如圖 3 8 所示 該定位元件由一個 V 型塊 連桿 螺栓和一塊焊接板組成 鋼管的長度一 般是在 2m 以上 所以其運動的直線度靠支架尾部兩個橡膠滾子是無法保證其 21 直線度要求的 需要對其進行輔助定位 鋼管在支承托輥上可以自由滾動 鋼 管上方是一個 V 型塊部件 V 型塊部件可以設置為大小可調節(jié) 這樣就可以實 現(xiàn)對不同直徑大小的鋼管進行定位 V 型塊和鋼管有一定的間隙 當鋼管出現(xiàn) 較大的跑偏時 V 型塊便會對鋼管進行輔助糾偏 V 型塊高低通過連桿和螺母 可調 螺母擰緊 連桿被固定 螺母放松 連桿可調 從而實現(xiàn)對不同直徑的 無縫鋼管監(jiān)測定位 圖 3 8 定機構有定位 V 型塊 螺栓以及連桿組成 螺栓 V 型塊 連桿 22 4 結論 根據實際需要 設計了可以滿足多種型號 多種管徑的無縫鋼管在線監(jiān)測 系統(tǒng)的機械部分 掙個系統(tǒng)具備設計精巧 操作簡單實用 精度較高的特點 通過對機架部分 動力部分選擇 傳功機構的設計等環(huán)節(jié) 實現(xiàn)了無縫鋼管的 直線運動和繞軸線的回轉運動 并設計了專用的定位夾具 保證鋼管直線運動 的直線度要求 此外 通過進一步設計水流碰嘴 實現(xiàn)了對鋼管表面的水層覆 蓋 保證了鋼管缺陷檢測的準確性 動力傳動系統(tǒng)中 設計的星型錐齒輪結構 解決了一軸帶動多軸的動力傳功問題 設計的回轉橡膠滾輪結構 利用接觸摩 擦力 實現(xiàn)了鋼管繞自身軸線的回轉運動而且避免了鋼管的二次擦傷 總的來 說 該本次設計實現(xiàn)了鋼管在線監(jiān)測機械部分的設計要求 每個尺寸的確定 每張 CAD 圖紙的完成 都使得我對機械行業(yè)有了進一步更深的認識 同時也極 大的提高了自己的繪圖和系統(tǒng)設計能力 23 參 考 文 獻 1 張元奇 基于超聲技術的無縫鋼管缺陷檢測系統(tǒng)的設計 D 青島科技大學 2012 2 李楊輝 無縫鋼管超聲波測厚工藝及裝置研究 D 昆明理工大學 2006 3 涂君 鋼管水浸超聲自動檢測的關鍵工藝參數(shù) D 華中科技大學 2009 4 杜瑞濤 無縫鋼管在線超聲無損檢測系統(tǒng)的研制 D 浙江大學 2011 5 黨玉春 無逢鋼管在線超聲波自動測厚裝置研制 D 四川大學 2006 6 鄭熙 侯力 王裕林 楊英琴 厚壁無縫鋼管的超聲波檢測系統(tǒng) J 機械設計與制造 2010 07 90 92 7 舒飏 無縫鋼管超聲檢測實驗系統(tǒng)的研制與開發(fā) D 浙江大學 2006 8 方文平 無縫鋼管超聲自動檢測關鍵技術研究 D 浙江大學 2010 9 白仁昭 無縫鋼管超聲波自動檢測系統(tǒng)研制 J 機電工程 2006 05 56 58 10 胡均平 尹中榮 張令山 鄭杰 吳楊寶 新型無縫鋼管的超聲波自動探傷系統(tǒng) J 中南工業(yè)大學學報 自然科學版 1999 02 84 87 11 胡建凱 張謙琳 超聲檢測原理和方法 M 中國科學技術大學出版社 2006 12 卓東妮 無縫鋼管探傷方法探討 J 特鋼技術 2009 3 48 50 13 尹中榮 鄭杰 張令山等 新型大口徑無縫鋼管超聲波自動探傷系統(tǒng)的研制 J 無損檢 測 2006 1 14 方文平 無縫鋼管超聲波自動檢測相關關鍵技術研究 D 浙江大學碩士學位論文 2010 1 15 趙華 2009 年無縫鋼管市場情況與 2010 年展望 J 鋼管 2010 2 69 73 16 張俊哲 無損檢測技術及其應用 M 北京 科學出版社 1993 17 盧杉 無損檢測技術及其進展 J 焦作大學學報 2004 l 73 一 74 18 冉啟芳 無損檢測方法的分類及其特征簡介 J 無損檢測 1999 21 2 75 一 80 19 喬華偉 檢測聲學信號智能處理技術的研究 D 杭州 浙江大學碩士學位文 2008 20 楊文華 三峽電站排砂鋼管超聲檢測 J 無損探傷 2002 3 18 一 20 21 呂慶功 李霞 朱景清 無縫鋼管壁厚精度的解釋結構模型 J 軋鋼 2000 17 2 10 一 13 24 22 李清華 鋼管壁厚在線自動檢測方法研究 D 武漢 華中科技大學碩士學位論文 2007 23 馮諾 超聲手冊 M 南京 南京大學出版社 1999 24 K H Beck Cost effective ultrasonic inspection of tubes J Tube Pipe Technology 1988 1 5 31 25 J Krautkaramer H Krautkramer Ultrasonic testing of materials Berlin Springer Verlag 1997 178 179 26 Zhang Nan Zhang Li Application of ultrasonic automatic testing equipment in large steel plate 3500 mm production line in Tian Gang J Tianjin Metallurgical 2009 4 50 52 27 Yue Linping Diao Lunan Ran Aiwen Application of the ultrasonic detector in heavy plate mill of Jigang J Application research 2007 9 65 66 28 Zhu jixiang Wang xiaowu Guo jinhua Analyses to several UT scanning methods to steel plate used by large longitudinal welded pipe 2007 Wuhan Hubei NDT conference proceedings 1 5 25 致 謝