田子欣

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

各個行業(yè)對使用的鋼絲繩要求越來越高使得鋼絲繩的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝先進(jìn)的鋼絲繩，其表面和內(nèi)部缺陷表現(xiàn)出了復(fù)雜性和多樣性，對探傷儀的檢測精度造成了不小的影響。比如說鋼絲繩的繩股不再是以前的一層，而是經(jīng)過不斷地改革發(fā)展成了多層，同時也出現(xiàn)了橢圓形、三角形等特殊形狀。鋼絲繩中的鋼絲直徑也出現(xiàn)了多樣化以滿足不同的市場需求，從而加大了鋼絲繩缺陷檢測的難度。同時，目前市場上存在的鋼絲繩探傷儀大多基于強(qiáng)磁檢測，檢測精度不高，檢測結(jié)果受檢測速度影響較大，另外其信號處理多是基于單片機(jī)系統(tǒng)，處理研究基于弱磁檢測技術(shù)與ARM嵌入式系統(tǒng)的新型鋼絲繩探傷儀是具有很大速度和性能都不高，且組成部分較多，導(dǎo)致了儀器體積比較龐大，連接比較復(fù)雜的局面。根據(jù)需要對探傷儀的總體要求也發(fā)生了改變，主要包含以下幾個內(nèi)容：1．保證磁化裝置與檢測裝置一體，使之成為真正的便攜式探傷儀一體機(jī)；2．零部件易于安裝和拆卸；3．整體結(jié)構(gòu)必須體積小、運(yùn)動靈活，盡量減小檢測盲區(qū)；4．制造成本低、實(shí)用性強(qiáng)，適合礦山等環(huán)境惡劣的探傷現(xiàn)場使用。

因此，進(jìn)行探傷儀開發(fā)時應(yīng)該綜合運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)的理念，合理使用人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)品參數(shù)，充分考慮人與機(jī)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，來提高產(chǎn)品的綜合使用效能與使用的舒適性。對鋼絲繩探傷儀進(jìn)行了模塊化設(shè)計。

1 探傷儀模塊劃分

傳統(tǒng)的模塊劃分，在分析完產(chǎn)品的總功能之后，利用分層分解法，逐層將功能分解細(xì)化，直到產(chǎn)生合適的模塊與相應(yīng)功能相匹配[1]?？梢园旬a(chǎn)品從任意層次上進(jìn)行劃分，形成該級別的模塊。因此，目前產(chǎn)品的設(shè)計多以部件或分部件為模塊。根據(jù)探傷儀的功能分析的結(jié)果，將探傷儀分為四個功能模塊：磁化模塊、檢測模塊、導(dǎo)向模塊、輸出模塊[2][3]。如圖1所示。

圖1 鋼絲繩探傷儀模塊劃分Fig.1 Module division of defect detector for wire ropes

模塊劃分后，每一個模塊都是相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，滿足通用性、互換性的要求。其他系列的探傷儀產(chǎn)品可通過更改基型中某一個或某幾個模塊得到，例如，導(dǎo)向模塊可根據(jù)被測件的不同繩徑與安裝方式更換不同尺寸、不同排列、不同形狀的輪系以得到探傷儀的縱系列產(chǎn)品。輸出模塊是獨(dú)立的增強(qiáng)功能的模塊，作為提高鋼絲繩探傷儀自動化水平的預(yù)設(shè)模塊，目的是使產(chǎn)品具有高端的競爭水平，增加產(chǎn)品的生命力。通過對預(yù)設(shè)模塊的增減可得到探傷儀的橫系列產(chǎn)品。

2 模塊化設(shè)計

2.1 磁化模塊設(shè)計

1．磁化間隙的確定

由于空氣磁導(dǎo)率很小，因而磁化氣隙對磁化效果有很大的影響。磁化氣隙越小，磁化效果越好，但是磁化氣隙的減小也會急劇的增大磁吸力，永久磁鐵和鋼絲繩之間的磁吸力F為：

·S

(2-1)

式中，H為永磁體磁勢，δ為磁化間隙，S為永磁體磁極面積。由式2-1可知，磁吸力F和磁化氣隙的平方成反比。磁化氣隙減小，磁吸力會迅速增大，檢測裝置就需要更大的驅(qū)動能力。磁化間隙過大，磁化能力會減弱，難以滿足磁化要求。對于弱磁磁化，一般磁化間隙在12 mm左右時，磁吸力既不太大，又能保證足夠的磁化強(qiáng)度。

2.結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計

磁化模塊整體設(shè)計為三瓣式結(jié)構(gòu)，每瓣內(nèi)側(cè)弧度達(dá)到120°，基本保證環(huán)抱鋼絲繩一周，三個子模塊間以轉(zhuǎn)軸連接，彈性開合，內(nèi)置扭轉(zhuǎn)彈簧控制開合幅度，檢測時能夠快速裝卡包裹鋼絲繩。根據(jù)所確定的磁化間隙，磁化模塊中心的鋼絲繩通過孔直徑設(shè)計為52 mm，可通過鋼絲繩范圍為36 mm-46 mm。模塊上方設(shè)計卡槽，通過上骨架板與其它模塊連接，整體采用直線與圓弧線條搭配進(jìn)行造型，外觀簡潔、硬朗，側(cè)邊對稱開有長條形裝飾槽，打破了古板，單一的產(chǎn)品造型模式，凸顯結(jié)構(gòu)的立體感。具體結(jié)構(gòu)見圖2(a)所示。

采用5根直徑?10 mm、長度為8 mm磁棒封裝在一起，放置在三個子模塊行腔內(nèi)，密封固定側(cè)板與行腔均采用螺釘連接或直接扣合的形式連接，裝卸簡單，便于維修，結(jié)合部位設(shè)計有凸臺與凹槽，保證行腔內(nèi)部的密封性。具體結(jié)構(gòu)如圖2(b)。

a．磁化模塊整體結(jié)構(gòu)圖

b．右瓣磁化型腔

2.2 檢測模塊設(shè)計

模塊的功能決定其結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)又由一系列的造型設(shè)計所表現(xiàn)。檢測模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)傳感器對鋼絲繩損傷信號的捕捉，探傷行程的測量以及探傷信號的傳輸。由于其檢測條件與磁化模塊相仿，因此檢測模塊的造型的大體輪廓和幾何線型與磁化模塊一致，達(dá)到了整體風(fēng)格上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，如圖3(a)所示。

磁化模塊每個檢測瓣內(nèi)置2個弱磁傳感器，采用側(cè)板以單邊卡槽固定，節(jié)省材料，減輕了重量，2個傳感器的間距為60°，保證6個傳感器均勻布置，確保不漏檢。具體結(jié)構(gòu)如圖3 (b)，(c)所示。

考慮到探傷現(xiàn)場的環(huán)境及需在鋼絲繩上行走的特點(diǎn)，將行程測距裝置設(shè)計為滾輪狀，內(nèi)裝有光電編碼器發(fā)出脈沖記錄行程。同時在滾輪外圓面設(shè)計了橡膠保護(hù)套，以其良好的彈性吸收鋼絲繩振動產(chǎn)生的碰撞力，避免繩上所附的泥沙，尖銳物對滾輪的直接摩擦，以減少測距裝置的更換頻率，如圖3(d)所示。

a．檢測模塊外觀造型

b．檢測模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

c．傳感器固定側(cè)板

d．行程測距子模塊

行程測距裝置設(shè)計使用軸與孔配合方式與儀器相連接。設(shè)計時保證了接口統(tǒng)一性，可作為一個獨(dú)立的子模塊使用在探傷儀的縱系列產(chǎn)品與其變形產(chǎn)品中。傳輸插頭采用了不銹鋼材質(zhì)航空專用插頭，檢測模塊外殼上插孔設(shè)計為直徑12 mm的標(biāo)準(zhǔn)型，有較為廣泛配合度。傳輸插口設(shè)計在探傷儀的尾部靠近人體的一側(cè)，便于操作人員控制，同時又不會對其他元件與傳輸線路產(chǎn)生干擾，在適合人的生理特征需要的同時提高了系統(tǒng)綜合使用效能與操作舒適性。

2.3 導(dǎo)向模塊設(shè)計

導(dǎo)向模塊包括有輪系、防護(hù)罩、操作手柄和開合鎖扣四個子模塊，在造型方面同樣從產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、操控性和美觀性幾個方面著手，得到性價比最優(yōu)的組合形式。位于上方的大輪為導(dǎo)輪，導(dǎo)輪兩端錐面大小不同，將前后兩輪系的導(dǎo)輪大端面與大端面相對，小端面與小端面相對來放置，以修正鋼絲繩的傾斜，使鋼絲繩時刻保持居中，如圖4(b)所示。輪系與防護(hù)罩間具有易于裝配的互換性接口,以保證模塊組合快速準(zhǔn)確?？紤]到加工工藝與成本，造型主要以直線為主，中部采用弧面與斜面的過渡方式使其外觀顯得飽滿、光滑，又不失機(jī)械產(chǎn)品的嚴(yán)謹(jǐn)、穩(wěn)重，如圖4(a)所示。鎖扣尺寸的設(shè)計符合人手指尺寸各要素的需求，其開合所需操作力、操作速度也符合人體運(yùn)動力學(xué)條件，在方便開合的情況下避免了誤操作帶來的安全隱患。具體結(jié)構(gòu)如圖4(c)、(d)所示。

a．防護(hù)罩

b．導(dǎo)向輪系

c．操作手柄

d．開合鎖扣

3 探傷儀總體虛擬裝配

子模塊設(shè)計完成后，在Pro/E的裝配環(huán)境下將多個產(chǎn)品模塊和零件順序調(diào)入，按照模塊與模塊，模塊與零件一定的配合關(guān)系進(jìn)行約束，確定每個零件的相對位置，從而完成產(chǎn)品的裝配過程。鋼絲繩探傷儀的裝配總圖如圖5所示。

圖5 鋼絲繩探傷儀總體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The overall structure of defect detector for wire ropes

4 結(jié)構(gòu)合理性試驗(yàn)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對探傷儀做了行走實(shí)驗(yàn)以檢查鋼絲繩的居中性和探傷儀檢測時的平穩(wěn)性。如圖6所示。將斷絲的翹起高度調(diào)整至6 mm，鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高至3 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探傷儀在行走時能夠修正由沖擊和振動引起的位置偏差，使鋼絲繩保持在探傷儀的中心位置運(yùn)動，保證檢測的精度。當(dāng)反復(fù)受到較大的沖擊力時，橡膠輪表面有磨損現(xiàn)象，可通過不同的使用條件選擇橡膠材料，在需保證平穩(wěn)性的檢測場合可選用彈性較好，抗撕裂能力強(qiáng)的橡膠材料來緩解沖擊力；鋼絲繩泥沙覆蓋較多的檢測場合，可將導(dǎo)輪材料改為尼龍以減少磨損。

圖6 樣機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)Fig.6 Structure experiment for defect detector

5 小結(jié)

基于模塊化設(shè)計方法對對鋼絲繩探傷儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了功能分析、模塊劃分與分模塊的設(shè)計，完成了產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，得出4個功能模塊。利用Pro/E軟件對各分模塊進(jìn)行了建模與裝配。將弱磁加載器與損傷檢測器設(shè)計為一個整體，打破了傳統(tǒng)分為兩個步驟探傷的局面。為探傷儀的有限元分析提供理論依據(jù)。同時，還對模塊化設(shè)計后的探傷儀進(jìn)行了平穩(wěn)性測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用模塊化設(shè)計后的探傷儀與傳統(tǒng)設(shè)計的相比，具有能自動緩解沖力、運(yùn)動平穩(wěn)、檢測精度高等特點(diǎn)。