鋼軌在線超聲波探傷系統專用測距裝置開發

石思軍

（成都億兆晶創科技有限公司，四川 成都 610000）

近年來，隨著我國國民經濟的持續快速發展，人員、物資的流動性日益增強和頻繁，客觀上要求鐵路運輸為適應市場需求而向高速化、重載化方向發展，客戶對鋼軌產品質量的要求越來越高。如今鋼軌生產廠家對出廠前的鋼軌內部質量進行探傷已經成為必須采取的工序，且對鋼軌探傷的掃查面積也必須提高，如時速達200km/h客運專線的60kg/m鋼軌的技術條件中，要求軌頭部分的探傷掃查面積不得小于70%，軌腰部分不得小于60%。

為了增大鋼軌在線超聲波探傷系統的掃查覆蓋區域以及減小鋼軌端頭的探傷盲區，其測距裝置必須具備高精度、高穩定性等特點，以便于電氣控制計算機收到信號后能夠對鋼軌進行執行探傷命令并精確定位。然而，在某廠目前采用的鋼軌在線超聲波探傷系統的測距裝置中，由于測距裝置的高故障率，造成系統的誤動作，已多次撞壞起落架及探頭。不僅造成設備的損失，也嚴重影響了生產，撞壞一次需要很長時間才能恢復。而且因經常性地維修測距裝置，占用了大量作業時間，造成鋼軌在線檢測的中斷，給生產能力本來就不富裕的檢測線雪上加霜，近年來鋼軌生產任務日益加重，測距裝置的可靠性已經成為制約鋼軌生產的瓶頸之一。所以，為了保證該廠鋼軌探傷系統的探傷精度，需重新開發測距裝置，解決測距中的高沖擊、低精度、高故障率、打滑等問題勢在必行，必須對其測距裝置進行改進設計。

1 測距原理

現有技術中，多利用編碼器來輔助測量剛體平動中的線位移或轉動中的角位移。編碼器是一種可以將被測位移轉化為數碼信號輸出的數字式位移測量元件，按編碼方式的不同可以分為絕對編碼器和增量式編碼器兩種，其中增量式編碼器在測量物體的位移時，能夠發生電流或電壓的躍變，輸出信號的每次躍變所對應的位移增量取決于編碼器的分辨率，系統根據存儲器記錄下的躍變的次數以及每次躍變所對應的位移增量來計算出物體的位移。

增量式編碼器的特點是零點可以任意設定、測量精確度高、測量范圍寬，非常適用于對大位移的測量，在精密定位系統和精密加工技術中得到了廣泛的應用。本文所涉及到的某廠目前采用的在線超聲波探傷系統的測距裝置中，即是采用增量式編碼器技術來測量運動中的鋼軌的位移，本改進設計的測距裝置仍將采用該技術來測量工件的位移。

2 總體方案設計

2.1 被動測距裝置

某廠鋼軌在線超聲波探傷系統的原測速裝置示意圖如圖1所示。測距裝置由測速輪、編碼器、擺動軸、擺動架、支架、彈簧構成。其工作原理為：測速輪上表面略高于工件下底面5mm，當工件通過測距裝置時，工件撞擊測速輪將其壓下，帶動擺動架將彈簧壓緊，彈簧向測速輪施加正壓力，測速輪緊貼工件，測速輪在摩擦力作用下旋轉，編碼器由聯軸器與測速輪軸連接，編碼器即隨測速輪同步旋轉。如圖1所示。

圖1 原測距裝置示意圖

存在問題：

（1）由于工件端部存在毛刺，當工件主動撞擊測速輪時，容易刮壞測速輪。

（2）較大的沖擊載荷傳遞到編碼器，因編碼器為OMRON E6B2型，承受負荷較小，內置編碼盤（玻璃制品）容易被振碎。

（3）多次反復的沖擊造成編碼器聯軸節（塑料制品）疲勞破壞，聯軸節常斷裂。

（4）由于工件上下彎曲度較大，測速輪有時不能與工件下表面較好地貼合，彈簧壓緊力不夠，造成測速輪打滑，進而測量累積誤差較大。當誤差大到一定程度，控制系統就會發出錯誤指令，探傷系統起落架就會誤動作，造成生產事故。

2.2 主動測距裝置

針對被動測距裝置故障率高的缺點，設計出如圖2所示主動式測距裝置。其工作原理為：當工件經過測距裝置時，光電開關被阻斷，氣缸驅動擺臂，使測速輪主動貼緊工件表面。裝置有如下特點：

圖2 主動式測距裝置示意圖

（1）工件頭部通過測速輪一定距離后，測距速才與工件接觸。而且，工件離尾部有一定距離時，測距輪及時抬起，故避免了工件端部毛刺對測速輪的損害。

巡回法院從《1930年關稅法》第303節的內容開始著手，試圖找出相關法規對本案的適用性。“第303節”賦予了當局采取反補貼措施的權力，其規定如下：

（2）采用主動貼合式，貼緊力由氣缸壓力決定，故壓緊力較穩定。測距輪不打滑。

（3）碼編器不與測距輪同軸安裝，而是安裝在擺臂固定鉸鏈端，測距輪軸與編碼器軸用同步帶傳遞轉動。兩根軸的旋轉角速度相同，不會打滑，也不會將測速輪將與工件的沖擊及震蕩傳遞給編碼器。

（4）編碼器選用ETF100-H型空心軸式編碼器，其軸向及徑向負荷可以分別達到100N及200N。即使擺臂將沖擊載荷部分地傳到編碼器，也能長期穩定地工作。同時編碼器用彈性薄鋼處固定，可以在一定范圍內隨軸游動，能有效緩解沖擊。

（5）單個測速輪受力不均勻，有側翻趨勢，時間長后造成轉動打滑、卡阻，輪子編心，測距不準。故測速輪采用雙輪對稱擺臂布置結構，擺臂一端安裝在兩個測速輪的中間，另一端安裝在支架的中間，以均衡擺臂受力，不致造成單側孔過份變形。

（6）氣缸設單向節流閥，可以無級調節貼合速度，在系統允許的響應速度范圍內，盡可能以慢的速度進行貼合，避免產生過高的沖擊載荷。

（7）測距裝置位于工件正下方，工件表面氧化鐵皮及超聲波探傷用耦合水容易落在同步帶上，造成同步帶跳齒及測距輪生銹。故測距輪用不銹鋼制作，同步帶設保護罩。

3 同步帶傳動設計[1]

同步帶傳動具有精確同步傳遞運動，節能、無潤滑油污染、噪聲小等特點，在輕工機械、精密機械等場合有廣泛應用。

3.1 傳動功率確定

主動式測距裝置同步帶的負荷為編碼器軸因滾動摩擦所產生的阻力矩，該負荷極小，可以忽略不計。任何一種現有生產的同步帶均可滿足其對于傳遞功率的要求。考慮到經濟性，選用常見的XL帶型的同步帶，節距5.08mm，帶寬9.5mm。

3.2 同步帶輪選型

工藝要求傳動比為1：1，故兩帶輪節圓直徑完全相同。考慮到測速輪軸結構因素，初步確定同步帶輪孔徑為Φ30mm，若輪輻按10mm考慮，則帶輪外徑在Φ50mm左右。根據機械手冊，可以查得，XL型帶輪節徑在50mm左右的帶輪節徑為51.74，齒數為32個齒。

3.3 中心距的計算

由工藝結構確定編碼輪直徑為Φ160mm，中間氣缸鉸鏈所占空間不少于50mm，故中心距初步定于不低于210mm。則同步帶的長度L至少為：

其中：A0初定中心距，210mm。

D帶輪節徑，51.74mm。

π圓周率，3.1416。

故L=2×210+3.1416×51.74=582.5mm。

參考機械手冊，查得相近節線長度的標準同步帶為240型，節線長為609.6mm。

故實際中心距設計為：A=（Lp-πD）/2

其中：Lp節線長，609.60mm；

D帶輪節徑，51.74mm。

π圓周率，3.1416。

經計算得實際中心距為：A=223.57mm。

4 結論

改進后的主動式測距裝置具有運行狀態平穩、系統響應速度快、零部件使用壽命長、故障率極低、測距精確度高等特點，有效地增大了鋼軌在線超聲波探傷系統的掃查覆蓋區域，減小了鋼軌工件的探傷盲區，可以保證在線超聲波探傷系統的探傷精度，具有較高的推廣價值。