田子欣

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，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)復雜、制造工藝先進的鋼絲繩，其表面和內(nèi)部缺陷表現(xiàn)出了復雜性和多樣性，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，導致了儀器體積比較龐大，連接比較復雜的局面。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；2．零部件易于安裝和拆卸；3．整體結(jié)構(gòu)必須體積小、運動靈活，盡量減小檢測盲區(qū)；4．制造成本低、實用性強，適合礦山等環(huán)境惡劣的探傷現(xiàn)場使用。

因此，進行探傷儀開發(fā)時應該綜合運用人機工程學的理念，合理使用人機系統(tǒng)設計產(chǎn)品參數(shù)，充分考慮人與機的協(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。對鋼絲繩探傷儀進行了模塊化設計。

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，逐層將功能分解細化，直到產(chǎn)生合適的模塊與相應功能相匹配[1]。可以把產(chǎn)品從任意層次上進行劃分，形成該級別的模塊。因此，目前產(chǎn)品的設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。輸出模塊是獨立的增強功能的模塊，作為提高鋼絲繩探傷儀自動化水平的預設模塊，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。通過對預設模塊的增減可得到探傷儀的橫系列產(chǎn)品。

2 模塊化設計

2.1 磁化模塊設計

1．磁化間隙的確定

由于空氣磁導率很小，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度。

2.結(jié)構(gòu)與造型設計

磁化模塊整體設計為三瓣式結(jié)構(gòu)，每瓣內(nèi)側(cè)弧度達到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計為52 mm，可通過鋼絲繩范圍為36 mm-46 mm。模塊上方設計卡槽，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計所表現(xiàn)。檢測模塊的主要功能是實現(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，達到了整體風格上的協(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，將行程測距裝置設計為滾輪狀，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計了橡膠保護套，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

行程測距裝置設計使用軸與孔配合方式與儀器相連接。設計時保證了接口統(tǒng)一性，可作為一個獨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計為直徑12 mm的標準型，有較為廣泛配合度。傳輸插口設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 導向模塊設計

導向模塊包括有輪系、防護罩、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)濟性、實用性、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輪，導輪兩端錐面大小不同，將前后兩輪系的導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。輪系與防護罩間具有易于裝配的互換性接口,以保證模塊組合快速準確?？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，又不失機械產(chǎn)品的嚴謹、穩(wěn)重，如圖4(a)所示。鎖扣尺寸的設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動力學條件，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．防護罩

b．導向輪系

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

在結(jié)構(gòu)設計后，對探傷儀做了行走實驗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，鋼絲繩運轉(zhuǎn)速度提高至3 m/s。實驗結(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動，保證檢測的精度。當反復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，可將導輪材料改為尼龍以減少磨損。

圖6 樣機結(jié)構(gòu)實驗Fig.6 Structure experiment for defect detector

5 小結(jié)

基于模塊化設計方法對對鋼絲繩探傷儀的結(jié)構(gòu)進行了功能分析、模塊劃分與分模塊的設計，完成了產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設計，得出4個功能模塊。利用Pro/E軟件對各分模塊進行了建模與裝配。將弱磁加載器與損傷檢測器設計為一個整體，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，還對模塊化設計后的探傷儀進行了平穩(wěn)性測試，實驗結(jié)果表明，利用模塊化設計后的探傷儀與傳統(tǒng)設計的相比，具有能自動緩解沖力、運動平穩(wěn)、檢測精度高等特點。