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无缝钢管超声波无损检测装置设计【含4张CAD图纸+PDF图】

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无缝钢管 超声波 无损 检测 装置 设计 CAD 图纸 PDF
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内容简介:
无缝钢管超声波无损检测装置设计摘要:为了无缝钢管的检测,无缝钢管的应用涉及到的范围很大而大多数的企业没有很高的自动化技术,本文主要用的是超声波探伤的检测方法,设计出了检测的机械部分,实现了圆形钢管的自动检测,整个机械结构部分具有很方便的操作和实用性很强。第二章主要介绍了超声波监测的原理,论述了无缝钢管无损监测设备设计的关键技术和原理。介绍了超声无损监测技术在无缝钢管监测领域中的典型应用,并对超声自动监测机械结构部分就行了了分析和对比,确定了本次设计的研究内容和方向。结合现在所能应用的超声波检测装置,针对现有的检测,检测时所遇到的局部性,本次设计为了系统的简单化,并且采用的是水浸探伤的方法,所以要用到喷头,把探头和喷头放在一起,正对钢管的轴线上方,钢管浸在水中,探头不动,钢管旋转向前运动,其中探头的位置和方向是可调的。ISeamless steel tube ultrasonic nondestructive testing device designAbstract: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.II目录摘要Abstract目录1 绪论11.1 课题介绍11.2 国内外研究现状11.3 无缝钢管超声检测关键技术32 超声检测原理42.1 检测对象42.2 无缝钢管主要缺陷类型42.3 无缝钢管检测方案的选择设计52.3.1 穿透法52.3.2 脉冲反射法52.3.3 接触法与水浸法62.4 检测探头的选择72.4.1 探头类型的确定72.5 扫查方式选择72.5.1 探头进给速度92.5.2 钢管的旋转速度92.6 系统工作原理92.7 机械部分102.7.1 辊道102.7.2 超声探头102.7.3 水循环模块113 结构设计12III3.1 驱动部分设计123.2 检测部分设计143.3 钢管运动原理143.3.1 齿面接触疲劳强度计算153.3.2 确定传动主要尺寸173.3.3 齿根弯曲疲劳计算173.4 主机架设计183.5 检测机构183.6 喷头机构193.7 定位机构204 结论22参考文献23致谢25IV1 绪论1.1 课题介绍在现代的工业中,无缝钢管主要在化工、石油、船只、汽车、建筑、地质勘查、军工以及核工业等行业,涉及面很广。因此无缝钢管在现代化工业中已经占有很重要的位置。无缝钢管也经历了很长时间了,也发展了几十年了,我国在钢管的需要量上也很大、成为了最大的消费和出口的国家,但我国的钢管生产技术还很不完善;自动检测装置都是从欧美的国家引进的,创新能力不足。生产装备国产化进程缓慢。1.2 国内外研究现状目前,我国大型的钢管生产所用的检测设备主要依赖于进口。如上海宝钢使用的是德国的Mannesmarm公司设计的超声自动检测系统,天津钢管有限责任公司的则使用了德国KarlDeutsch、德国Nukem、日本三菱等公司设计的超声检测设备;武钢则引进了德国本特勒公司的检测设备。纵观整条生产线装备,“多国化”已形成基本局面。产品质量是产品立足于国内外市场的基石。国内无缝钢管行业无损检测的技术应该更加成熟起来。一方面,受国际原材料和运输费用的继续上扬、人民币持续升值等因素的影响,国内无缝钢管的生产成本在不断提升2008年铁矿石基准价上涨65%,人民币至少升值8%一10%。我国先进的自动无损检测设备一般都是来自于美国,从国外买的设备一般费用高使我国的中小企业利润低;另一方面,国外无缝钢管的产量和产能也在不断提高,能源和材料都在加快生产。而在国外的一些国家,大部分都拥有先进的自主研发的技术装备,生产调度灵活,设备淘汰更新较快。在这样的比对下,我国的设备更新代价昂贵,消化吸收慢,国产化进程缓慢,先进的检测技术还是被美国这些国家所掌控。随着现在的国际形势来看,我国无缝钢管产品的质量要想在国际市场上立足并且迈上钢管生产强国的道路,必须加快无损检测的技术研发设备研制,以便于能够降低生产成本。 在近几十年中,国外在超声波检测的技术方面有了较大的发展,在无缝钢管的检测领域大量的采用了超声波检测设备。其中,国外较为成功的超声波检测方法主要有两种:探头静止钢管螺旋前进式、钢管直线进给探头旋转式。探头静止、钢管螺旋前进式这种检测方式比较简易,一般在设备上布置多个探头,用水做耦合剂,钢管螺旋亲近经过探头进行探伤。英国Krautkramer公司采用的超声波大型钢管检测设备GRP-PAT ,其应用方式即为这种检测方式。GRP-PAT采用了模块化相控振电子检测装置VPA;其采用的是部分液浸探伤技术以及螺旋式传送方式,并配备小尺寸检测机械装置用于高速螺旋式钢管传送。其探头液浸器在钢管上其导向作用。该设备不仅能够用来检测纵向和横向缺陷、测量管壁厚度以及分层缺陷,还可以用来检测斜向缺陷。GRP-PTA只采用了一个液浸器,这样能够有效的降低其切换次数,还能用来对关闭变形以及超声耦合进行检验。(1) 探头旋转、钢管直线进给式探头旋转式检测设备对无缝钢管的传动装置的要求较低,能够比较好的避免因钢管旋转而造成的震动对其超声信号的影响,从而大大提高其检测速度。代表着在线超声波无损检测系统的最高水平,在这一方面,国内相差甚远。(2) 钢管不旋转直行,探头静止不动式钢管不旋转直行,探头静止不动的工艺是目前国际上使用较少,仅限于直径在50mm以下的工艺,其工作原理是仪器发射高平电脉冲,直接传递到探头连接线上,触发探头压电晶片产生超声波,向钢管中发射超声波,超声波遇界面返回到压电晶片,通过压电晶片产生高平电脉冲,直接将信号传回处理器。(3) 钢管原地旋转、探头沿轴线移动式钢管原地旋转、探头沿轴线移动式的工艺是在早期检测试验时使用较多的工艺,其工作原理是通过仪器发射高频电脉冲,并将其直接传递到探头连接线上,使其触发探头的压电晶片,从而产生超声波,超声波遇到界面返回到压电晶片,并通过压电晶片产生高频电脉冲,直接传回信号处理器。通过钢管绕自身轴线旋转且通过托辊带动钢管直线运动,钢管的复合运动为S形,探头均匀扫查钢管体。 我国对于超声检测方面的研究比较晚,从1973年以来,我们国家才开始大量的进行检测的技术完善,并且取得了很大的成果。主要代表是冶金钢铁研究院总院张广纯教授等,在经过30多年的深入研究与不断完善,他们通过发射机发射出大功率脉冲信号,在壁厚18mm的钢板中产生lamb波检测缺陷。从理论研究领域看,我国的研究水平与国际基本同步,但在实际应用方面,我国与国外尚存在一定差距。 1.3 无缝钢管超声检测关键技术无损检测的磁粉检测(MT)、超声检测(UT)以及涡流检测(ET)等方法,各有其优缺点11。目前超声检测技术主要有三种: 1) 电磁超声检测电流在磁场中受到洛伦兹力作用,金属在交变应力作用下就会产生应力波,当频率超过20KHz,就形成了超声波。从电磁超声产生的机理可以看出,该种检测方法也是一种非接触式超声检测。由于横波声速较纵波声速小,可用于测量厚度较薄13的金属试件,且精度更高。在工业实际中,电磁超声探伤在无缝钢管的缺陷检测中运用极广。 2) 空气耦合的超声检测 一般情况下,在钢管实际检测中,藕和剂尤其是水尽可能不出现在检测现场。但是近年来逐渐得到重视,尤其是在材料无损检测14领域。超声波在空气中的衰减厉害,早期缺乏合适的换能器,主要进行低频超声和导波检测技术,现在美国QMI公司已研制出商品化的空气耦合超声探伤仪。 3) 组合式检测使无损检测 任何一种无损检测技术都只能检测材料中某些特定的缺陷。对于钢管中的各类型缺陷,其检测种类多,形式各样,检测难度大。一般需采用组合式检测方法来检测钢管的内部缺陷。例如在油管检测过程中,典型的组合是漏磁和超声组合,实现纵、横缺陷检测及测厚功能,对于高压输送管道、某些化工用管一般采用涡流、超声组合。基于以上方法的比较与分析,本文以无缝钢管的出厂质量检测为研究对象,可确定本文的研究方法为基于水介质超声波检测法。2 超声检测原理2.1 检测对象 本系统的检测对象为无缝钢管。无缝钢管是一种管状工件。在实际生产中,无缝钢管的缺陷主要是形式是:外折、凹坑、壁厚不均匀以及钢管裂纹等17。根据其缺陷的方向,又可以分为轴向缺陷、径向缺陷和折叠缺陷三种。三种缺陷的特点不同,其有效检测方式也不同。根据实际要求,本实验系统机械结构能够检测的规格范围如下: 1) 材质:低碳合金钢: 2) 钢管直径:140200mm; 3) 钢管壁厚:g-14mm; 4) 管长:480,-785mm; 5) 弯曲度:2mmm; 6) 表面特性:矫直,辊轧。实际检测中,为了使得监测系统的达到要求,采用两中极端状态参数的钢管,其规格参数如下。l号钢管:外径140mm,壁厚8mm,管长480mm;2号钢管:外径200ram,壁厚14ram,管长785mm。2.2 无法钢管主要缺陷类型经过人们的总结,无缝钢管缺陷大致分为以下几种:1) 内折。钢管生产过程中中心疏松、芯部缩孔以及柱状晶在铸坯内的存在很容易造成内折缺陷的产生。这是由于管坯中心疏松在穿孔的探入阶段会造成芯部开裂并在后续的穿孔、辗压过程中形成内折;管壁中的缩孔受热时内表面氧化,穿孔时又不能被焊合,同时在纵向剖开铸坯时发现缩孔在铸坯内是不连续的;缩孔的这一系列性质,导致钢管内折缺陷的形成。2) 外折。外折是指在无缝钢管的外表面上与钢管轴线形成一定角度的折叠。 3) 扎折。扎折是指钢管表面凹陷皱褶状的缺陷。在连轧过程中机架之间的金属秒流量不等是,特别容易造成扎折缺陷的产生。4)壁厚不均匀。壁厚不均匀是指钢管壁厚的跳动误差超出了国标定义的最大壁厚公差值的。造成壁厚不均匀的因素比较多,使连轧孔型形状改变而增加金属横向宽展或孔型发送歪斜以及增大轧制过程中金属的流动不均匀都会影响钢管的壁厚精度。其中连轧管机组在穿孔过程中与轧制中心线不够吻合是造成壁厚不均匀的最主要原因。 除了上述四种缺陷外无缝钢管的缺陷还包括结疤、内麻坑、内直道、发纹、划伤、青线等。但是超声检测一般只能对上述缺陷中属于裂纹、折叠以及壁厚不均匀这样的缺陷才具有检出能力,而对包括钢管表面划伤等缺陷却无能为力,所以以下讨论的缺陷也以裂纹、折叠以及壁厚不均匀缺陷的检出为主。2.3 无缝钢管检测方案的选择设计下面针对钢管具体检测实际,查阅现有的常用的检测手段,并根据无缝钢管的具体情况以及本设计所要达到的设计要求,选择设计出本实验系统的机械部分。2.3.1 穿透法如图2.1穿透法是利用电磁波激发设备和接收设备来监测无缝钢管内部缺陷的,电磁激发设备发射的电磁波以波的形式穿过钢管体,当电磁波穿过有缺陷的钢管截面时,波的传播形式会发生改变,一部分波会被反射回来,利用这个波的传播特性来监测钢管内部缺陷。图2.12.3.2 脉冲反射法 如图2.2反射法是将脉冲超声波入射至被检测件后,传播到有缺陷的截面时,产生反射声波,波在被检测件的反射状况就会以一定形式放映,根据反射的时间及形状来判断被检测件内部缺陷及材料性质的方法。反射法既可以采用发射和接收两个独立的探头进行检测,也可以使用一个集发射和接收功能于一体的探头18。图2.2由上述对比可以发现,相对于反射法而言,穿透法具有如下缺点:1) 两探头位置必须相互对准以保证接收正常,探头定位相对困难;2) 探头与试样的接触状态会影响检测波的状态;3) 当两探头之间波的共振容易而影响测量结果。 在超声检测发展的最初阶段,穿透法是种较为有效的监测手段;同时针于无缝钢管来说,在管壁内外各安装一个探头也是不现实的。既不能满足自动化检测的要求,也加大了安装难度,从而使检测精度难以控制。因此,本实验系统选用脉冲反射法。2.3.3 接触法与水浸法 根据超声探头与被检测件之间的耦合方式的不同,超声检测法又可以分为接触法和水浸法两种,下面分别进行简单介绍并选择出本系统使用的方法。1. 接触法 如图2.3接触法是指探头与被检测件表面之间经一层很薄的耦合剂或不用任何耦合直接接触进行检测的方法(其中耦合剂主要起传递超声波能量作用)。这种方法操作简单,但是要求探头与钢管表面直接接触且需保证二者之间的间隙不超过某一值,因此对与钢管的表面粗糙度精度等级要求比较高。图2.32. 水浸法 如图2.4水浸法又叫作液浸法。是指将超声波探头与被检测的无缝钢管全部浸入液体,或探头与被检测件之间局部充满液体进行检测的一种方法。其中作为耦合液一般用水,因此通常又称为水浸法。图2.4根据两种方法的原理可知,水浸法与接触法相比较,有如下优点:1) 超声波探头与被检测钢管表面不直接接触,超声波的发射与接收信号较为稳定,被检测件表面粗糙度对检测效果的影响不大;2) 探头发射的超声波束相对于被检测件受检面的取向是可以自由改变的,可以比较容易的实现斜入射检测。3) 由于被检测件的界面回波宽度比发射脉冲宽度窄,可以缩小盲区,从而使检测较薄的被检测件成为可能:4) 由于探头不直接接触被检测件,对探头和晶体电路损坏的可能性小,从而可以采用工作频率较高的薄晶片,从而提高检测的分辨率。 正是因为上述特点,由于本实验系统是基于工业自动化检测方向的,因此选用水浸法能够得到更好的效果。2.4 检测探头的选择2.4.1 探头类型的确定 超声波由于其波长的不同,其在水中和钢管中的传播速度、传播方式都有差异,对于不同的缺陷类型,根据缺陷情况的差异其波的波动变化是不用的。对这种差异进行数据处理和归类,不同的缺陷情况下检测结果也不一样。因此针对不同的缺陷类型,要选用不同类型的超声探头及检测波型。由2.3节可知,无缝钢管中存在的缺陷主要分为轴向缺陷、径向缺陷和折叠缺陷三种。对于径向探头,探头超声波信号发送器置于钢管上方,径向方向布置方式,其发射的超声波信号经水介质折射到钢管,其折射角为,在经钢管内部反射,通过信号收集器采集数据,若钢管径向存在内部缺陷,其采集的超声波信号会发生异常变化,根据变化特征来识别缺陷类型;对于轴线探头,其布置方式为图(b),探头置于钢管上方,其发射的超声波信号经水介质折射到钢管,其折射角为,在经钢管内部反射,通过信号收集器采集数据,若钢管径向存在内部缺陷,其采集的超声波信号会发生异常变化,根据变化特征来识别缺陷类型;对于直探头,其发射的超声波信号经水介质折射到钢管,其入射角为,在经钢管内部反射,通过信号收集器采集数据,若钢管径向存在内部缺陷,其采集的超声波信号会发生异常变化,同样根据变化特征来识别缺陷类型;三种探头的检测过程以及原理如下图(a)、(b)、(c)所示。.2.5扫查方式选择 扫查方式就是指,超声探头和被检测钢管之间的相对运动方式。扫查方式是进行无缝钢管检测的关键,良好的扫查方式能够准确、全面的能够的完成对整个钢管检测单元的扫查,其漏查率和准确度亦可得到极大的提高。针对无缝钢管这一特殊构建,查阅大量资料以及借鉴国外先进设计思路,选定超声探头和钢管之间的相对运动方式为螺旋式,理论上已经证明螺旋式扫查方式能保证在相对短的时间内扫查整个钢管的外表面扫查效率极高。而不本设计考虑到探头若做选择运动的话,其附加的动力部分,机械结构部分的增加,无疑会造成生产成本的提高,运动构建的复杂,实际是不必要的,通过研究这个扫描原理可知道,实现螺旋试的扫描,可以让探头静止不懂,钢管不经绕自身旋转运动,利用同一套动力系统可以让钢管保持较为稳定的直线进给运动。这样不仅有利于探头布置,减少了机械结构,利用同一套动力系统,节能环保。2.5.1 探头进给速度 从现场实际工作的情况看,工厂的标准一般是要求钢管的检测速度达到01加04ms。但是在现场的实际应用中,为了提高检测速度,一般会采用四组或者四组以上同类型的探头同时工作,因此首先可以确定探头进给速度为25100mms,这一参数是不随检测对象的改变而改变的。2.5.2 钢管的旋转速度 同样从实际检测和理论基础上,钢管绕自身轴线的旋转速度越快,其扫查覆盖率越大,检测精度也越高;但对探头灵敏度的要求也会提高,因此须权衡考虑使的整个系统的配合。在满足扫查全面覆盖的前提下,其决定因素有两个:一是探头的直线进给速度,这个参数已经确定;二是探头超声波发射面积,所选探头的发射面积为8mm6mm。为了保证检测的有效性,还必须对扫查面积保有余量,因此可以根据式计算得出钢管旋转速度为3001200rpm。这一参数同样也不随检测对象的改变而改变。2.6系统工作原理 该系统采用横波脉冲反射法对钢管进行探伤,其探伤原理:图2.5中F为探头焦距;尹为钢管内半径;R为钢管外半径;D为钢管直径,D=ZR;T为钢管壁厚;a为人射角;X为探头偏离钢管中心的距离。图2.5为保证超声波声束入射角差别最小,识别能力强,对于探头入射角度有较高要求,不同入射角度对于超声波接受的型号有一定的差别,对于收集到数据,进行数据识别,包括发射波、界面波。缺陷波以及二次界面波的识别,准确识别,避免误判是数据处理的核心。2.7 机械部分 整个无缝钢管在线检测系统的机械部分主要包括输送辊道、摆动辊道、水循环模块、探伤机架、探头架组、喷头单元等。这些机械子系统构成了探伤系统的整体。2.7.1 辊道 本系统是作为无缝钢管轧制流水线上的一套设备,根据钢管的产能按一定的速度一根接一根的生产出来通过钢管厂的传送设备传送到无缝钢管在线检测设备前面,所以该设备也必须设计一套辊道用来把到位的钢管以一定的速度平稳传送到探伤本体内进行探伤。更具需求我们设计了两套辊道,每套辊道由若干个辊道单元组成,分为传输辊道和摆动辊道,两套辊道间隔安装。传输辊道只负责将钢管向前传送,钢管在前进的过程中并无旋转,所以传输辊道上的辊子只需选用V型或梯型辊子。这是因为钢管到位以后离探伤本体还有一定的距离,在这段距离的传输并不需钢管的旋转。2.7.2 超声探头 超声探头必须成组的安装在探头架上。横向缺陷、纵向缺陷、壁厚缺陷三个检测单元各占一个探头架组。三个探头架组依次安装在探伤本体上,待检测钢管从辊道上螺旋传输过来的时候三个探头架组依次由气缸从下面顶上来贴在钢管上进行横向缺陷、纵向缺陷、壁厚缺陷的检测。2.7.3水循环模块 本系统采用的超声祸合剂是水,在超声检测的过程中要不断往超声检测单元中注入水,使得钢管始终浸泡在水中。考虑到中国是个缺水的国家,水资源并不丰富,所以如果不断注水,然后用过的水直接排放掉则会造成的水资源的浪费,不符合我国现在实行的节能减排的政策。所以有必要设计一套水循环装置,收集从超声检测单元溢出来的水,过滤后重新导入检测单元二次使用。图2.6图2.6所示为本系统所设计的水循环系统。在每个超声检测单元的侧壁都开有进水口,水管由进水口插入。经试验发现,如果水直接由水管注入,则在注入时会造成大量的气泡,而气泡在检测过程中是要严格控制的,一旦出现气泡,则会导致钢管检测的勿报警,增大系统的勿报率。所以在水管口安装一个挡板,挡板的作用是挤压水泡,水管注水时产生的水泡可由挡板挤压破裂,这样就避免了检测过程中检测单元内的水泡问题。如图所示,检测单元中溢出的水由水槽流入水循环模块,系统使用滤网和滤纸双重过滤掉水中的颗粒物杂质(直径比较大的颗粒物杂质会对检测产生影响,细小的杂质则不影响检测)。过滤后的水由水泵抽入检测单元再次利用。3 超声检测系统机械结构设计3.1 驱动部分设计图3.1本机械部分设计由设计要求可知,如图3.1中钢管运动方式为旋转和直线运动,在个别敏感区域需要特别仔细检查的时候,需要人工手动进行反复监测缺陷,所以本次设计采用电机作为动力源,电机轴要求可以正反转,电机的控制就应该有连续正转/反转、点动正反转以及启动、急停等几个操作。电机与减速器之间用联轴器连接,减速器和钢管的两托辊轴用锥齿轮进行动力传动。钢件的检测长度一般在2-4米左右,所以只靠四个相互错开的橡胶滚轮带动是不够的,其钢管行走的直线度不能保证,需要对其进行辅助定位,保证在钢管监测是其工作位置不会因为管件过程而出现摆动。其定位夹持件有V型块、连杆组成,钢管在滚轮上可以自由滚动,管件上方为一个类似于V型块的部件,它与钢管有一定的间隙,可以阻止钢管出现较大的摆动。V型块有一带有两个孔的杆件连接,定位和拧紧有螺栓来保证,所以该设计可以对不同直径的管件进行检查,松开螺母,适当调整V型块的位置便可。1) 电机的选择按照工作要求和条件选择普通的三项异步电机2) 功率工作所需功率为: 式(3.1) 式中, 电机工作效率; 式(3.2) 电机所需的输出功率为:式中:为电机至工作台主动轴之间的总效率。齿轮:;轴承:蜗杆;。因此 式(3.3)一般电机的额定功率 式(3.4)考虑电机同时驱动两轴联动工作,故考虑将电机功率取大一些,取电机额定功率为:。3) 转矩由后面齿轮的转矩可得: 式(3.5)4) 确定电机转速由文献2表1-8推荐的各种机构传动范围为,取:锥齿轮齿轮传动比:3-5,减速器传动比:5-12,则总的传动范围为:15-60电机转速的范围为为降低电机的重量和价格。选用JZR2 YZ系类电机 功率2KW,鼠笼型电机,环境温度40度,F级绝缘。同步转速1000r/min,工作制为S3-S5。3.2 检测部分设计图3.2 图3.3由图3.2和图3.3可知本次设计采用浸水,选购的电机最高速度为1000r/min,经减速器和传动链以后,输送带的周向速度最高为50r/min;系统控制电机转动方向和转速来控制钢管的运动,在钢管的移动过程中,如果缺陷由工控机通过通信件缺陷信号位移输入控制器,有控制器根据当前速度值和探头打点器距离值计算沿时时间,延时时间一到,说明缺陷已处在打点气位置处,有打点器做记号,并有报警器提醒工作人员,另外因为是水浸探伤,所以需要潜水泵为水箱注水。3.3 钢管运动原理图3.4由图3.4可以看出机架,其主要作用时固定其他组成部分以及电机等,同时能够在内部充满耦合剂-说以保证钢管以及探头底部完成浸入水中检测机构 其主要作用是将探头水平固定并做水平直线运动,同时由于钢管的直径是一个范围,所以为了保证对于不同直径的钢管探头检测的有效性,必须实现探头的高度可调节的功能,为了实现对于不同直径长度的无缝钢管检测,完成了定位机构和钢管的复合螺旋扫描运动传动机构设计: 本文为了实行托辊带动无缝钢管的直线运动,由于是两个托辊轴同时联动,故而设计了锥齿轮机构如下图3.5,实现了一轴驱动两托辊轴的旋转运动。图3.5设计的直齿锥齿轮传动,轴交角,小齿轮悬臂支撑,大齿轮两端支撑,传递功率P=2Kw,小齿轮转速320r/min,传动比i=3,电机通过减速器驱动,工作载荷稳定而平稳,长期单向回转,可不考虑寿命因素。直齿锥齿轮加工多为刨齿,笔译采用硬齿面。小齿轮材料,调制处理,硬度250HB-300HB,取平局硬度260HB;大齿轮,调质处理,硬度为200-250HB,取平局硬度230HB,设计计算步骤为:3.3.1 齿面接触疲劳强度计算齿数Z和精度等级 取Z1=24, 初步,由表12.6查的其精度等级为9级使用寿命 由表12.9 ,选=1.0动载系数 由表12.9,选=1.17齿间载荷分配系数 由表12.10,估计 , 齿向载荷分布系数 由表12.20级标注3,取=1.9,载荷系数K 转矩T1 弹性系数 由表12.12 节点区域系数 由表12.16 接触疲劳极限 由表12.17c,接触最小安全系数 由表12.14 取=1.05、接触寿命系数由设计要求可知取需用接触应力 式(3.6)小轮大端分度圆直径 取 式(3.7)3.3.2 确定传动主要尺寸大端模数m ,取m=4mm实际大端分度圆直径d 锥距R 齿宽b b=3.3.3 齿根弯曲疲劳计算齿形系数 由图12.30 =2.73 ,=2.15应力修正系数 由图12.31,重合度系数 式(3.8)齿间载荷分配系数 由表12.10,载荷系数K 弯曲疲劳极限 由图12.23C查出 弯曲最小安全系数 由表12.14得出=1.25弯曲寿命系数 由设计要求的尺寸系数 由图12.25 许用弯曲应力 验算 式(3.9) 带入个参数得出: 同理得出3.4 主机架设计 主机架是检测机构主要的承重部件 ,主要起着担负支撑和固定电机以及其他机械结构的任务,具有一定的机械强度和稳定性,设计的主机架的几个要点:1、 较大的容积以保证水层高度的同时,主机架水箱的地步安装一个阀门以方便耦合水的更换2、 在一般性的四脚支撑结构的基础上上,在结构中增加一对支撑脚,并在所有支撑脚上安装地脚螺钉,保证电机在运行过程中机械结构的稳定性。3、 在检测击鼓的顶部安装档板,不仅可以防止钢管旋转时的水花四溅影响检测结果,而且还能在钢管旋转时失控时保证人员安全4、 通过锥齿轮传动机构,实现双抽同时转动,带动钢管直线运动,通过橡胶托辊机构实现钢管绕自身轴线的选择运动,橡胶托辊可有效减少钢管的二次损伤。3.5 检测机构在第二章中,选用了WT、L、T(即直探头、经向探头和轴向探头三种个一个组成组合检测机构,考虑各个探头检测原理得差异以及空间布置的合理性,可以将其排列为图3.6所示方式)图3.6检测机构的主要作用是将探头固定在距离被检测钢管一定盖度的位置上,并能沿钢管轴线方向直线运动,结构分为3大部分:机构下端的探头固定装置,机构上部分的水平移动装置和连接两者的支撑管装置其特点为:1、探头固定装置浸入水中的部分所有连都须密封,保证其防水性能,以免探头数据线被水浸湿。2、水平移动装置采用平行导轨进行传动,也可利用滚珠丝杠副将电机的旋转运动转换为装置的水平运动。3.6 喷头机构 本文章采用钢管浸水的方法来监测其内部缺陷,故而需要为刚体提供水环境,本部分设计为:让钢管直线运动穿过水槽,钢管正上方设置出水喷头,设计具有优良性能的喷头结构,喷出均匀的液体水,从而保证了钢管表层时刻覆盖有水膜,进一步保证了监测的准确性。而且在轨道下设计了一个水箱,使其让喷头喷完的水流到水箱内,这样可以做到水循环利用,可以装一个液压泵抽水,可以设定喷水的比例,设计泵体的数据使用。这样设计可以使喷头,喷下的水不乱流,保证工厂的干净。 具体喷头结构如图3.7所示图3.71-上端盖;2-螺旋阀芯;3-紧固螺栓;4-垫片;5-中间振荡腔;6-喷嘴; 由图3.7所示该装置包括上端盖、带有螺旋和中心锥孔的螺旋阀芯、具有调节和密封功能的垫片、中间振荡腔体、弧形喷嘴。上端盖进水,外圈设置螺纹接头、内圈设置台阶,台阶的台阶面具有一定的倾角,螺旋阀芯中间孔设置锥形孔(左大右小,有利于增加水压力)、外圈螺纹横截面为矩形螺旋孔,出口设置为扇形。在上端体和中间混合振动腔体间设置有调节垫片,锥形激振块位与喷嘴做成一体。该螺旋式液体流场是利用直线型水流和螺旋式高压液体流形成混合流场方式,二者通过中间混合振荡腔,最终使水流均匀喷出实现对被监测钢管的水膜覆盖。该结构简单,易于控制和调节,效果好,制造和使用方便,实用性强,安全可靠。3.7定位机构钢管缺陷的监测的扫查方式决定了钢管的运动形式,扫查是指超声探探头和被检测件之问的相对运动方式。为了实现钢管扫查出均匀的S曲线,本设计钢管的直线运动和绕自身轴线的回转运动,同样为了保证曲线的均匀性,需要保证直线运动的直线度和回转运动的稳定性,为此本设计设计了专门的定位零件,其结构如图3.8所示。该定位元件由一个V型块、连杆、螺栓和一块焊接板组成,钢管的长度一般是在2m以上,所以其运动的直线度靠支架尾部两个橡胶滚子是无法保证其直线度要求的,需要对其进行辅助定位,钢管在支承托辊上可以自由滚动,钢管上方是一个V型块部件,V型块部件可以设置为大小可调节,这样就可以实现对不同直径大小的钢管进行定位。V型块和钢管有一定的间隙,当钢管出现较大的跑偏时,V型块便会对钢管进行辅助纠偏,V型块高低通过连杆和螺母可调。螺母拧紧,连杆被固定,螺母放松,连杆可调,从而实现对不同直径的无缝钢管监测定位。螺栓连杆V型块图3.8定机构有定位V型块,螺栓以及连杆组成。4 结论 根据实际需要,设计了可以满足多种型号、多种管径的无缝钢管在线监测系统的机械部分,挣个系统具备设计精巧,操作简单实用,精度较高的特点,通过对机架部分、动力部分选择、传功机构的设计等环节,实现了无缝钢管的直线运动和绕轴线的回转运动,并设计了专用的定位夹具,保证钢管直线运动的直线度要求,此外,通过进一步设计水流碰嘴,实现了对钢管表面的水层覆盖,保证了钢管缺陷检测的准确性。动力传动系统中,设计的星型锥齿轮结构解决了一轴带动多轴的动力传功问题,设计的回转橡胶滚轮结构,利用接触摩擦力,实现了钢管绕自身轴线的回转运动而且避免了钢管的二次擦伤。总的来说,该本次设计实现了钢管在线监测机械部分的设计要求,每个尺寸的确定,每张CAD图纸的完成,都使得我对机械行业有了进一步更深的认识,同时也极大的提高了自己的绘图和系统设计能力。参 考 文 献1 张元奇. 基于超声技术的无缝钢管缺陷检测系统的设计D.青岛科技大学,2012.2 李杨辉. 无缝钢管超声波测厚工艺及装置研究D.昆明理工大学,2006.3 涂君. 钢管水浸超声自动检测的关键工艺参数D.华中科技大学,2009.4 杜瑞涛. 无缝钢管在线超声无损检测系统的研制D.浙江大学,2011.5 党玉春. 无逢钢管在线超声波自动测厚装置研制D.四川大学,2006.6 郑熙,
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