鋼軌在線超聲波探傷系統(tǒng)專用測(cè)距裝置開發(fā)

石思軍

（成都億兆晶創(chuàng)科技有限公司，四川 成都 610000）

近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人員、物資的流動(dòng)性日益增強(qiáng)和頻繁，客觀上要求鐵路運(yùn)輸為適應(yīng)市場(chǎng)需求而向高速化、重載化方向發(fā)展，客戶對(duì)鋼軌產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高。如今鋼軌生產(chǎn)廠家對(duì)出廠前的鋼軌內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行探傷已經(jīng)成為必須采取的工序，且對(duì)鋼軌探傷的掃查面積也必須提高，如時(shí)速達(dá)200km/h客運(yùn)專線的60kg/m鋼軌的技術(shù)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(tǒng)的掃查覆蓋區(qū)域以及減小鋼軌端頭的探傷盲區(qū)，其測(cè)距裝置必須具備高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，以便于電氣控制計(jì)算機(jī)收到信號(hào)后能夠?qū)︿撥夁M(jìn)行執(zhí)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(tǒng)的測(cè)距裝置中，由于測(cè)距裝置的高故障率，造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作，已多次撞壞起落架及探頭。不僅造成設(shè)備的損失，也嚴(yán)重影響了生產(chǎn)，撞壞一次需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。而且因經(jīng)常性地維修測(cè)距裝置，占用了大量作業(yè)時(shí)間，造成鋼軌在線檢測(cè)的中斷，給生產(chǎn)能力本來就不富裕的檢測(cè)線雪上加霜，近年來鋼軌生產(chǎn)任務(wù)日益加重，測(cè)距裝置的可靠性已經(jīng)成為制約鋼軌生產(chǎn)的瓶頸之一。所以，為了保證該廠鋼軌探傷系統(tǒng)的探傷精度，需重新開發(fā)測(cè)距裝置，解決測(cè)距中的高沖擊、低精度、高故障率、打滑等問題勢(shì)在必行，必須對(duì)其測(cè)距裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 測(cè)距原理

現(xiàn)有技術(shù)中，多利用編碼器來輔助測(cè)量剛體平動(dòng)中的線位移或轉(zhuǎn)動(dòng)中的角位移。編碼器是一種可以將被測(cè)位移轉(zhuǎn)化為數(shù)碼信號(hào)輸出的數(shù)字式位移測(cè)量元件，按編碼方式的不同可以分為絕對(duì)編碼器和增量式編碼器兩種，其中增量式編碼器在測(cè)量物體的位移時(shí)，能夠發(fā)生電流或電壓的躍變，輸出信號(hào)的每次躍變所對(duì)應(yīng)的位移增量取決于編碼器的分辨率，系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)器記錄下的躍變的次數(shù)以及每次躍變所對(duì)應(yīng)的位移增量來計(jì)算出物體的位移。

增量式編碼器的特點(diǎn)是零點(diǎn)可以任意設(shè)定、測(cè)量精確度高、測(cè)量范圍寬，非常適用于對(duì)大位移的測(cè)量，在精密定位系統(tǒng)和精密加工技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文所涉及到的某廠目前采用的在線超聲波探傷系統(tǒng)的測(cè)距裝置中，即是采用增量式編碼器技術(shù)來測(cè)量運(yùn)動(dòng)中的鋼軌的位移，本改進(jìn)設(shè)計(jì)的測(cè)距裝置仍將采用該技術(shù)來測(cè)量工件的位移。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 被動(dòng)測(cè)距裝置

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

圖1 原測(cè)距裝置示意圖

存在問題：

（1）由于工件端部存在毛刺，當(dāng)工件主動(dòng)撞擊測(cè)速輪時(shí)，容易刮壞測(cè)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(fù)荷較小，內(nèi)置編碼盤（玻璃制品）容易被振碎。

（3）多次反復(fù)的沖擊造成編碼器聯(lián)軸節(jié)（塑料制品）疲勞破壞，聯(lián)軸節(jié)常斷裂。

（4）由于工件上下彎曲度較大，測(cè)速輪有時(shí)不能與工件下表面較好地貼合，彈簧壓緊力不夠，造成測(cè)速輪打滑，進(jìn)而測(cè)量累積誤差較大。當(dāng)誤差大到一定程度，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤指令，探傷系統(tǒng)起落架就會(huì)誤動(dòng)作，造成生產(chǎn)事故。

2.2 主動(dòng)測(cè)距裝置

針對(duì)被動(dòng)測(cè)距裝置故障率高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖2所示主動(dòng)式測(cè)距裝置。其工作原理為：當(dāng)工件經(jīng)過測(cè)距裝置時(shí)，光電開關(guān)被阻斷，氣缸驅(qū)動(dòng)擺臂，使測(cè)速輪主動(dòng)貼緊工件表面。裝置有如下特點(diǎn)：

圖2 主動(dòng)式測(cè)距裝置示意圖

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

巡回法院從《1930年關(guān)稅法》第303節(jié)的內(nèi)容開始著手，試圖找出相關(guān)法規(guī)對(duì)本案的適用性。“第303節(jié)”賦予了當(dāng)局采取反補(bǔ)貼措施的權(quán)力，其規(guī)定如下：

（2）采用主動(dòng)貼合式，貼緊力由氣缸壓力決定，故壓緊力較穩(wěn)定。測(cè)距輪不打滑。

（3）碼編器不與測(cè)距輪同軸安裝，而是安裝在擺臂固定鉸鏈端，測(cè)距輪軸與編碼器軸用同步帶傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)。兩根軸的旋轉(zhuǎn)角速度相同，不會(huì)打滑，也不會(huì)將測(cè)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(fù)荷可以分別達(dá)到100N及200N。即使擺臂將沖擊載荷部分地傳到編碼器，也能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。同時(shí)編碼器用彈性薄鋼處固定，可以在一定范圍內(nèi)隨軸游動(dòng)，能有效緩解沖擊。

（5）單個(gè)測(cè)速輪受力不均勻，有側(cè)翻趨勢(shì)，時(shí)間長(zhǎng)后造成轉(zhuǎn)動(dòng)打滑、卡阻，輪子編心，測(cè)距不準(zhǔn)。故測(cè)速輪采用雙輪對(duì)稱擺臂布置結(jié)構(gòu)，擺臂一端安裝在兩個(gè)測(cè)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(cè)孔過份變形。

（6）氣缸設(shè)單向節(jié)流閥，可以無級(jí)調(diào)節(jié)貼合速度，在系統(tǒng)允許的響應(yīng)速度范圍內(nèi)，盡可能以慢的速度進(jìn)行貼合，避免產(chǎn)生過高的沖擊載荷。

（7）測(cè)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(cè)距輪生銹。故測(cè)距輪用不銹鋼制作，同步帶設(shè)保護(hù)罩。

3 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)[1]

同步帶傳動(dòng)具有精確同步傳遞運(yùn)動(dòng)，節(jié)能、無潤(rùn)滑油污染、噪聲小等特點(diǎn)，在輕工機(jī)械、精密機(jī)械等場(chǎng)合有廣泛應(yīng)用。

3.1 傳動(dòng)功率確定

主動(dòng)式測(cè)距裝置同步帶的負(fù)荷為編碼器軸因滾動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的阻力矩，該負(fù)荷極小，可以忽略不計(jì)。任何一種現(xiàn)有生產(chǎn)的同步帶均可滿足其對(duì)于傳遞功率的要求。考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用常見的XL帶型的同步帶，節(jié)距5.08mm，帶寬9.5mm。

3.2 同步帶輪選型

工藝要求傳動(dòng)比為1：1，故兩帶輪節(jié)圓直徑完全相同。考慮到測(cè)速輪軸結(jié)構(gòu)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(jù)機(jī)械手冊(cè)，可以查得，XL型帶輪節(jié)徑在50mm左右的帶輪節(jié)徑為51.74，齒數(shù)為32個(gè)齒。

3.3 中心距的計(jì)算

由工藝結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度L至少為：

其中：A0初定中心距，210mm。

D帶輪節(jié)徑，51.74mm。

π圓周率，3.1416。

故L=2×210+3.1416×51.74=582.5mm。

參考機(jī)械手冊(cè)，查得相近節(jié)線長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)同步帶為240型，節(jié)線長(zhǎng)為609.6mm。

故實(shí)際中心距設(shè)計(jì)為：A=（Lp-πD）/2

其中：Lp節(jié)線長(zhǎng)，609.60mm；

D帶輪節(jié)徑，51.74mm。

π圓周率，3.1416。

經(jīng)計(jì)算得實(shí)際中心距為：A=223.57mm。

4 結(jié)論

改進(jìn)后的主動(dòng)式測(cè)距裝置具有運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、零部件使用壽命長(zhǎng)、故障率極低、測(cè)距精確度高等特點(diǎn)，有效地增大了鋼軌在線超聲波探傷系統(tǒng)的掃查覆蓋區(qū)域，減小了鋼軌工件的探傷盲區(qū)，可以保證在線超聲波探傷系統(tǒng)的探傷精度，具有較高的推廣價(jià)值。