姜現(xiàn)想 康宜華 伍劍波

1.金日成綜合大學(xué)，平壤，朝鮮

2.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

0 引言

在鋼管漏磁探傷過(guò)程中，為使獲得的漏磁信號(hào)具有最大幅值和良好的一致性，一般要求磁敏傳感器盡可能靠近鋼管，且傳感器與鋼管之間的提離距離保持不變。在自動(dòng)化探傷過(guò)程中，傳輸輥道的制造安裝誤差以及鋼管的直線度誤差使得鋼管在前進(jìn)過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生偏移，為此，漏磁探傷中要求磁敏傳感器同軸跟蹤鋼管。

探靴作為磁敏傳感器的承載體，是漏磁探傷設(shè)備的重要組成部分。傳統(tǒng)接觸式探靴以內(nèi)表面緊貼鋼管，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)跟蹤。探靴的形狀為弧形，曲率半徑與鋼管外徑相同，傳感器布置在探靴內(nèi)部。探靴在扶正跟蹤機(jī)構(gòu)提供的外力作用下緊貼鋼管表面，當(dāng)鋼管發(fā)生偏移時(shí)，探靴隨著鋼管一起運(yùn)動(dòng)。這樣，傳統(tǒng)探靴通過(guò)接觸式跟蹤方式實(shí)現(xiàn)了傳感器與鋼管之間的提離值保持不變。

由于探靴和鋼管表面之間存在摩擦，所以一般對(duì)探靴摩擦面進(jìn)行噴涂處理以延長(zhǎng)使用壽命。當(dāng)探靴涂層厚度由于摩擦作用損耗到一定值時(shí)，需要更換探靴。傳統(tǒng)接觸式探靴結(jié)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用于鋼管低速（探傷速度低于2m/s）探傷。

隨著我國(guó)鋼管行業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)連軋無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)速度已經(jīng)達(dá)到3m/s，這對(duì)與鋼管生產(chǎn)相配套的漏磁設(shè)備探傷速度也提出了更高要求。然而，高速探傷給接觸式探靴的使用帶來(lái)了一些新的問(wèn)題。探靴與鋼管之間的高速劇烈摩擦使探靴涂層快速消耗，導(dǎo)致探靴更換頻繁，并且高速摩擦產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，使傳感器工作環(huán)境溫度升高，影響檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。因此，接觸式探靴結(jié)構(gòu)在進(jìn)行高速探傷時(shí)已不再適用［1－2］。

1 氣浮探靴工作原理

高速漏磁探傷氣浮探靴利用探靴與鋼管表面之間形成的氣膜來(lái)消除探靴與鋼管之間的摩擦，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的同軸跟蹤。探靴在軸向方向均勻布置簡(jiǎn)單孔式節(jié)流器，氣體流通過(guò)節(jié)流孔后形成壓降，并在鋼管表面形成以扶正機(jī)構(gòu)支點(diǎn)為中心的對(duì)稱壓力分布，如圖1所示。

圖1 漏磁探傷氣浮探靴工作原理

探靴在氣體作用力F與恒定外力Fw的共同作用下保持平衡，并形成厚度為h的氣膜。當(dāng)鋼管軸線發(fā)生偏移（如鋼管沿著x軸左移）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣膜厚度h減小，氣流阻力增大，流速降低，從而使整個(gè)氣膜內(nèi)壓力有不同程度的提高，氣體作用力F增大，探靴在氣體作用力F和外力Fw作用下左移，最終達(dá)到新的平衡位置。這樣，氣膜厚度h被限制在能滿足探傷要求的微小范圍內(nèi)變化，從而實(shí)現(xiàn)了探靴對(duì)鋼管的非接觸式跟蹤。由于氣膜厚度小，根據(jù)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳感器提離值之間的關(guān)系，氣浮探靴所形成的氣浮層對(duì)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度基本沒(méi)有影響。

2 氣浮探靴靜態(tài)特性分析

為獲得探靴氣體作用力F與探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，以氣浮探靴為研究對(duì)象，考慮到鋼管直徑是氣膜厚度h的1000倍，所以不考慮鋼管表面曲率的影響，并將氣膜沿著鋼管軸心線展開成平面。氣浮探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。探靴寬度L＝Rθ0（R為鋼管外表面的半徑），長(zhǎng)度L1＝sL（s為長(zhǎng)寬比），節(jié)流孔的直徑為d，氣膜弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相位角為θ0，兩節(jié)流孔間弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的位相角為α0。將氣膜按節(jié)流孔數(shù)目2n在軸向上均分成n等份，每一等份寬度b＝L1/n。

圖2 氣浮探靴幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

探靴氣膜氣浮力F0為n等份氣膜氣浮力Fi的疊加：

由于氣浮探靴結(jié)構(gòu)具有幾何對(duì)稱性，氣浮反力F0必經(jīng)過(guò)探靴幾何中心。氣流經(jīng)過(guò)節(jié)流孔后，氣流方向由垂直于氣膜方向變?yōu)槠叫杏跉饽し较?。為求出氣膜氣浮力F0，考察氣流壓力在氣膜上的分布，根據(jù)對(duì)氣膜的劃分，壓力分布有兩種，如圖3所示。第一種是氣膜中間部分，即圖3中的2～（n－1）部分，2個(gè)節(jié)流孔間無(wú)氣體流動(dòng)，氣體自小孔流出后，立即充滿等份的全寬度，使氣體在每個(gè)等份內(nèi)呈一維流動(dòng)；每等份內(nèi)兩節(jié)流孔間的壓力相等，其值為該等份氣體流經(jīng)節(jié)流孔后的出口壓力pdi；氣體無(wú)軸向流動(dòng)，只是沿圓周方向流向探靴端面，2～（n－1）部分氣體壓力值由節(jié)流孔出口壓力pdi降至端面的環(huán)境壓力pa。第二種是氣膜兩端面部分，即圖3中的1、n等份，氣流經(jīng)節(jié)流孔后沿圓周方向和軸向方向均有流動(dòng)。1、n部分的氣體壓力由節(jié)流孔出口壓力值pdi經(jīng)過(guò)不同路徑降至環(huán)境壓力pa。

圖3 氣浮探靴流體流動(dòng)方向示意圖

根據(jù)上述分析，由氣浮探靴具有幾何結(jié)構(gòu)對(duì)稱性可知，第2～（n－1）等份氣膜氣浮力相同，第1、n等份浮力相同，則根據(jù)式（1），氣浮力F0為

2.1 第n－1等份氣膜氣浮力Fn－1分析

圖4 第n－1等份氣膜壓力分布

根據(jù)氣體質(zhì)量流量和狀態(tài)方程，假設(shè)氣體在流動(dòng)過(guò)程中為等溫［3］，則可得第n－1等份氣膜壓力分布方程：

式中，p1為兩個(gè)節(jié)流孔間的區(qū)域壓力；p2為從節(jié)流孔到探靴端面的區(qū)域壓力。

第n－1等份氣膜氣浮力為

式中，σ、βn－1為節(jié)流壓力比，σ＝pa/p0，βn－1＝pdn－1/p0；p0為供氣壓力。

從伯努利方程式可得出第n－1等份的節(jié)流孔的氣體質(zhì)量流量

式中，A為節(jié)流孔面積，A＝πd2/4；ρa(bǔ)為大氣密度。

當(dāng)βn－1≤βk（βk＝ ［2/（k＋1）］k/（k－1））時(shí)，

當(dāng)βn－1＞βk時(shí)，

對(duì)于空氣，k＝1.4，則βk＝0.528，流量系數(shù)φ＝0.8，那么

2.2 第n等份氣膜氣浮力Fn分析

由于第n等份氣膜氣浮力具有對(duì)稱性，只需分析上半部分，將其分劃分為a、b、c、d四個(gè)區(qū)域，如圖5所示，圖5，l＝R（θ0－α0）/2，by＝Rα0/2，則第n等份氣膜氣浮力為

圖5 第n等份氣流流動(dòng)方向示意圖

（1）a區(qū)氣浮力Fa。單向流動(dòng)區(qū)a的壓力分布方程和氣浮力分別為

（2）b區(qū)氣浮力Fb。單向流動(dòng)區(qū)b的壓力分布方程和氣浮力分別為

（3）c區(qū)氣浮力Fc?；旌戏较蚨它c(diǎn)角區(qū)c的壓力分布方程［4-7］和氣浮力分別為

（4）d區(qū)氣浮力Fd。無(wú)流動(dòng)區(qū)d的壓力分布和氣浮力分別為

根據(jù)式（8）可獲得第n等份氣膜氣浮力Fn，并最終可根據(jù)式（2）獲得氣膜氣浮力F0。氣膜氣浮力F0減去探靴另一側(cè)面所受大氣壓力F1之后才是與外力相平衡的探靴所受氣體作用力F，大氣壓力F1為

探靴所用氣體作用力

最終，探靴在氣體作用力F和外力Fw的共同作用下保持平衡，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的跟蹤。

3 探靴設(shè)計(jì)

針對(duì)直徑為130mm的鋼管，設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣浮探靴，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。圖2中，l＝L/4＝25.5125mm，R0＝R＝ 65mm，θ0＝ π/2，α0＝π/4，d＝1mm，d1＝5mm，b＝L1/4＝51mm。氣浮探靴軸向均勻布置共8個(gè)節(jié)流孔，對(duì)稱分布在探靴軸向中心線兩側(cè)。氣源壓力p0＝0.4MPa，為使探靴近可能貼近鋼管，氣膜目標(biāo)厚度h0＝0.1mm，此時(shí)得出探靴所受氣體作用力F＝260N，因此外界氣缸提供的恒定外力Fw＝260N。

根據(jù)氣浮探靴結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣體作用力的關(guān)系繪制出F－h(huán)曲線，如圖6所示。由圖6可得探靴所受氣體作用力與氣膜厚度兩者間的作用規(guī)律：當(dāng)鋼管軸線發(fā)生偏移如鋼管遠(yuǎn)離探靴時(shí)，氣膜厚度h變大，氣浮力減小，探靴在恒定外力和氣浮力的作用下向鋼管移動(dòng)，反之則與鋼管分離。最終，氣浮探靴在氣浮力和外力的共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的同軸跟蹤。

圖6 氣體作用力與氣膜厚度關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出并分析了一種新型鋼管高速漏磁探傷靜壓氣浮探靴，其原理是，氣浮探靴與鋼管表面由具有一定壓力的氣體充滿，從而到達(dá)分離探靴與鋼管的目的，消除了傳統(tǒng)探靴與鋼管之間的直接摩擦，解決了傳統(tǒng)接觸式探靴存在磨損和發(fā)熱的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼管的非接觸式跟蹤，尤其適應(yīng)鋼管高速漏磁探傷。

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