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無縫鋼管超聲波無損檢測裝置設(shè)計
摘要：為了無縫鋼管的檢測，無縫鋼管的應(yīng)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(shù)，本文主要用的是超聲波探傷的檢測方法，設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和原理。介紹了超聲無損監(jiān)測技術(shù)在無縫鋼管監(jiān)測領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，并對超聲自動監(jiān)測機械結(jié)構(gòu)部分就行了了分析和對比，確定了本次設(shè)計的研究內(nèi)容和方向。
結(jié)合現(xiàn)在所能應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)向前運動，其中探頭的位置和方向是可調(diào)的。
I
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.
II
目錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目錄 Ⅲ
1 緒論 1
1.1 課題介紹 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 無縫鋼管超聲檢測關(guān)鍵技術(shù) 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(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計 12
III
3.1 驅(qū)動部分設(shè)計 12
3.2 檢測部分設(shè)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(shè)計 18
3.5 檢測機構(gòu) 18
3.6 噴頭機構(gòu) 19
3.7 定位機構(gòu) 20
4 結(jié)論 22
參考文獻 23
致謝 25
IV
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(zhì)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(jīng)占有很重要的位置。無縫鋼管也經(jīng)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(chǎn)技術(shù)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(chǎn)裝備國產(chǎn)化進程緩慢。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，我國大型的鋼管生產(chǎn)所用的檢測設(shè)備主要依賴于進口。如上海寶鋼使用的是德國的Mannesmarm公司設(shè)計的超聲自動檢測系統(tǒng)，天津鋼管有限責(zé)任公司的則使用了德國KarlDeutsch、德國Nukem、日本三菱等公司設(shè)計的超聲檢測設(shè)備；武鋼則引進了德國本特勒公司的檢測設(shè)備。縱觀整條生產(chǎn)線裝備，“多國化”已形成基本局面。產(chǎn)品質(zhì)量是產(chǎn)品立足于國內(nèi)外市場的基石。國內(nèi)無縫鋼管行業(yè)無損檢測的技術(shù)應(yīng)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(nèi)無縫鋼管的生產(chǎn)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(shè)備一般都是來自于美國，從國外買的設(shè)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(chǎn)量和產(chǎn)能也在不斷提高，能源和材料都在加快生產(chǎn)。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(shù)裝備，生產(chǎn)調(diào)度靈活，設(shè)備淘汰更新較快。在這樣的比對下，我國的設(shè)備更新代價昂貴，消化吸收慢，國產(chǎn)化進程緩慢，先進的檢測技術(shù)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(chǎn)品的質(zhì)量要想在國際市場上立足并且邁上鋼管生產(chǎn)強國的道路，必須加快無損檢測的技術(shù)研發(fā)設(shè)備研制，以便于能夠降低生產(chǎn)成本。
在近幾十年中，國外在超聲波檢測的技術(shù)方面有了較大的發(fā)展，在無縫鋼管的檢測領(lǐng)域大量的采用了超聲波檢測設(shè)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(zhuǎn)式。
探頭靜止、鋼管螺旋前進式
這種檢測方式比較簡易，一般在設(shè)備上布置多個探頭，用水做耦合劑，鋼管螺旋親近經(jīng)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(shè)備GRP-PAT ,其應(yīng)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(shù)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(dǎo)向作用。該設(shè)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(guān)閉變形以及超聲耦合進行檢驗。
（1） 探頭旋轉(zhuǎn)、鋼管直線進給式
探頭旋轉(zhuǎn)式檢測設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)相差甚遠。
（2） 鋼管不旋轉(zhuǎn)直行，探頭靜止不動式
鋼管不旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生高平電脈沖，直接將信號傳回處理器。
（3） 鋼管原地旋轉(zhuǎn)、探頭沿軸線移動式
鋼管原地旋轉(zhuǎn)、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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)且通過托輥帶動鋼管直線運動，鋼管的復(fù)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(shù)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(jīng)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(chǎn)生lamb波檢測缺陷。從理論研究領(lǐng)域看，我國的研究水平與國際基本同步，但在實際應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)
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(shù)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(yīng)力作用下就會產(chǎn)生應(yīng)力波，當頻率超過20KHz，就形成了超聲波。從電磁超聲產(chǎn)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(lǐng)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(dǎo)波檢測技術(shù)，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(shù)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(nèi)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(zhì)量檢測為研究對象，可確定本文的研究方法為基于水介質(zhì)超聲波檢測法。
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(chǎn)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(jù)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(jù)實際要求，本實驗系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)能夠檢測的規(guī)格范圍如下：
1) 材質(zhì)：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(jīng)過人們的總結(jié),無縫鋼管缺陷大致分為以下幾種:
1) 內(nèi)折。鋼管生產(chǎn)過程中中心疏松、芯部縮孔以及柱狀晶在鑄坯內(nèi)的存在很容易造成內(nèi)折缺陷的產(chǎn)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(nèi)折；管壁中的縮孔受熱時內(nèi)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(nèi)是不連續(xù)的；縮孔的這一系列性質(zhì)，導(dǎo)致鋼管內(nèi)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(chǎn)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。造成壁厚不均勻的因素比較多,使連軋孔型形狀改變而增加金屬橫向?qū)捳够蚩仔桶l(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(jié)疤、內(nèi)麻坑、內(nèi)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(shè)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(jù)無縫鋼管的具體情況以及本設(shè)計所要達到的設(shè)計要求，選擇設(shè)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(shè)備和接收設(shè)備來監(jiān)測無縫鋼管內(nèi)部缺陷的，電磁激發(fā)設(shè)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(nèi)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(chǎn)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(jù)反射的時間及形狀來判斷被檢測件內(nèi)部缺陷及材料性質(zhì)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(jié)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(nèi)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(jù)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(jīng)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。
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(jù)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
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(jù)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(jù)處理和歸類，不同的缺陷情況下檢測結(jié)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(jīng)水介質(zhì)折射到鋼管，其折射角為，在經(jīng)鋼管內(nèi)部反射，通過信號收集器采集數(shù)據(jù)，若鋼管徑向存在內(nèi)部缺陷，其采集的超聲波信號會發(fā)生異常變化，根據(jù)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(jīng)水介質(zhì)折射到鋼管，其折射角為，在經(jīng)鋼管內(nèi)部反射，通過信號收集器采集數(shù)據(jù)，若鋼管徑向存在內(nèi)部缺陷，其采集的超聲波信號會發(fā)生異常變化，根據(jù)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(jīng)水介質(zhì)折射到鋼管，其入射角為，在經(jīng)鋼管內(nèi)部反射，通過信號收集器采集數(shù)據(jù)，若鋼管徑向存在內(nèi)部缺陷，其采集的超聲波信號會發(fā)生異常變化，同樣根據(jù)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
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(guān)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(gòu)建，查閱大量資料以及借鑒國外先進設(shè)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(jīng)證明螺旋式掃查方式能保證在相對短的時間內(nèi)掃查整個鋼管的外表面掃查效率極高。而不本設(shè)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(jié)構(gòu)部分的增加，無疑會造成生產(chǎn)成本的提高，運動構(gòu)建的復(fù)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(jīng)繞自身旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(zhuǎn)速度
同樣從實際檢測和理論基礎(chǔ)上，鋼管繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)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(quán)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(jīng)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(jù)式計算得出鋼管旋轉(zhuǎn)速度為300～1200rpm。這一參數(shù)同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(nèi)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(jù)，進行數(shù)據(jù)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(jù)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(gòu)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(shè)備,根據(jù)鋼管的產(chǎn)能按一定的速度一根接一根的生產(chǎn)出來通過鋼管廠的傳送設(shè)備傳送到無縫鋼管在線檢測設(shè)備前面,所以該設(shè)備也必須設(shè)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(nèi)進行探傷。更具需求我們設(shè)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(zé)將鋼管向前傳送,鋼管在前進的過程中并無旋轉(zhuǎn),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(zhuǎn)。
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(shè)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(dǎo)入檢測單元二次使用。
圖2.6
圖2.6所示為本系統(tǒng)所設(shè)計的水循環(huán)系統(tǒng)。在每個超聲檢測單元的側(cè)壁都開有進水口,水管由進水口插入。經(jīng)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(dǎo)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(chǎn)生的水泡可由擋板擠壓破裂,這樣就避免了檢測過程中檢測單元內(nèi)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(wǎng)和濾紙雙重過濾掉水中的顆粒物雜質(zhì)(直徑比較大的顆粒物雜質(zhì)會對檢測產(chǎn)生影響,細小的雜質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 驅(qū)動部分設(shè)計
圖3.1
本機械部分設(shè)計由設(shè)計要求可知，如圖3.1中鋼管運動方式為旋轉(zhuǎn)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(fù)監(jiān)測缺陷，所以本次設(shè)計采用電機作為動力源，電機軸要求可以正反轉(zhuǎn)，電機的控制就應(yīng)該有連續(xù)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、點動正反轉(zhuǎn)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(shè)計可以對不同直徑的管件進行檢查，松開螺母，適當調(diào)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：
式（3.1）
式中， 電機工作效率；
式（3.2）
電機所需的輸出功率為：
式中：為電機至工作臺主動軸之間的總效率。齒輪：；軸承：
蝸桿；。因此 式（3.3）
一般電機的額定功率
式（3.4）
考慮電機同時驅(qū)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：。
3） 轉(zhuǎn)矩
由后面齒輪的轉(zhuǎn)矩可得：
式（3.5）
4） 確定電機轉(zhuǎn)速
由文獻[2]表1-8推薦的各種機構(gòu)傳動范圍為，?。?
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
電機轉(zhuǎn)速的范圍為
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(xiàn)級絕緣。同步轉(zhuǎn)速1000r/min，工作制為S3-S5。
3.2 檢測部分設(shè)計
圖3.2 圖3.3
由圖3.2和圖3.3可知本次設(shè)計采用浸水，選購的電機最高速度為1000r/min，經(jīng)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(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)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(jù)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(nèi)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(gòu) 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(diào)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(gòu)和鋼管的復(fù)合螺旋掃描運動傳動機構(gòu)設(shè)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(shè)計了錐齒輪機構(gòu)如下圖3.5，實現(xiàn)了一軸驅(qū)動兩托輥軸的旋轉(zhuǎn)運動。
圖3.5
設(shè)計的直齒錐齒輪傳動，軸交角，小齒輪懸臂支撐，大齒輪兩端支撐，傳遞功率P=2Kw，小齒輪轉(zhuǎn)速320r/min，傳動比i=3，電機通過減速器驅(qū)動，工作載荷穩(wěn)定而平穩(wěn)，長期單向回轉(zhuǎn)，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(diào)制處理，硬度250HB-300HB，取平局硬度260HB；大齒輪，調(diào)質(zhì)處理，硬度為200-250HB，取平局硬度230HB，設(shè)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，
初步，由表12.6查的其精度等級為9級
使用壽命 由表12.9 ，選=1.0
動載系數(shù) 由表12.9，選=1.17
齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，估計
，
齒向載荷分布系數(shù) 由表12.20級標注3，取=1.9,
載荷系數(shù)K
轉(zhuǎn)矩T1
彈性系數(shù) 由表12.12
節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由表12.16
接觸疲勞極限 由表12.17c，
接觸最小安全系數(shù) 由表12.14 取=1.05、
接觸壽命系數(shù)由設(shè)計要求可知取
需用接觸應(yīng)力 式（3.6）
小輪大端分度圓直徑 取
式（3.7）
3.3.2 確定傳動主要尺寸
大端模數(shù)m ，取m=4mm
實際大端分度圓直徑d
錐距R
齒寬b b=
3.3.3 齒根彎曲疲勞計算
齒形系數(shù) 由圖12.30 =2.73 ，=2.15
應(yīng)力修正系數(shù) 由圖12.31，
重合度系數(shù) 式（3.8）
齒間載荷分配系數(shù) 由表12.10，
載荷系數(shù)K
彎曲疲勞極限 由圖12.23C查出
彎曲最小安全系數(shù) 由表12.14得出=1.25
彎曲壽命系數(shù) 由設(shè)計要求的
尺寸系數(shù) 由圖12.25
許用彎曲應(yīng)力
驗算 式（3.9）
帶入個參數(shù)得出：
同理得出
3.4 主機架設(shè)計
主機架是檢測機構(gòu)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(jié)構(gòu)的任務(wù)，具有一定的機械強度和穩(wěn)定性，設(shè)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上上，在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)時的水花四濺影響檢測結(jié)果，而且還能在鋼管旋轉(zhuǎn)時失控時保證人員安全
4、 通過錐齒輪傳動機構(gòu)，實現(xiàn)雙抽同時轉(zhuǎn)動，帶動鋼管直線運動，通過橡膠托輥機構(gòu)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(gòu)
在第二章中，選用了WT、L、T（即直探頭、經(jīng)向探頭和軸向探頭三種個一個組成組合檢測機構(gòu)，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(gòu)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(jié)構(gòu)分為3大部分：機構(gòu)下端的探頭固定裝置，機構(gòu)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(jù)線被水浸濕。
2、水平移動裝置采用平行導(dǎo)軌進行傳動，也可利用滾珠絲杠副將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為裝置的水平運動。
3.6 噴頭機構(gòu)
本文章采用鋼管浸水的方法來監(jiān)測其內(nèi)部缺陷，故而需要為剛體提供水環(huán)境，本部分設(shè)計為：讓鋼管直線運動穿過水槽，鋼管正上方設(shè)置出水噴頭，設(shè)計具有優(yōu)良性能的噴頭結(jié)構(gòu)，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(shè)計了一個水箱，使其讓噴頭噴完的水流到水箱內(nèi)，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(shè)定噴水的比例，設(shè)計泵體的數(shù)據(jù)使用。這樣設(shè)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(jié)構(gòu)如圖3.7所示
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(diào)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(shè)置螺紋接頭、內(nèi)圈設(shè)置臺階，臺階的臺階面具有一定的傾角，螺旋閥芯中間孔設(shè)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(shè)置為扇形。在上端體和中間混合振動腔體間設(shè)置有調(diào)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(jié)構(gòu)簡單，易于控制和調(diào)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(gòu)
鋼管缺陷的監(jiān)測的掃查方式?jīng)Q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(shè)計鋼管的直線運動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動的穩(wěn)定性，為此本設(shè)計設(shè)計了專門的定位零件，其結(jié)構(gòu)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(shè)置為大小可調(diào)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(diào)。螺母擰緊，連桿被固定，螺母放松，連桿可調(diào)，從而實現(xiàn)對不同直徑的無縫鋼管監(jiān)測定位。
螺栓
連桿
V型塊
圖3.8
定機構(gòu)有定位V型塊，螺栓以及連桿組成。
4 結(jié)論
根據(jù)實際需要，設(shè)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(shè)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(gòu)的設(shè)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(zhuǎn)運動，并設(shè)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(shè)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(shè)計的星型錐齒輪結(jié)構(gòu)解決了一軸帶動多軸的動力傳功問題，設(shè)計的回轉(zhuǎn)橡膠滾輪結(jié)構(gòu)，利用接觸摩擦力，實現(xiàn)了鋼管繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運動而且避免了鋼管的二次擦傷?？偟膩碚f，該本次設(shè)計實現(xiàn)了鋼管在線監(jiān)測機械部分的設(shè)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(shè)計能力。
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