趙番，湯曉英，王繼鋒，浦哲

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062； 上海壓力管道智能檢測工程技術(shù)研究中心，上海 200062）

管道內(nèi)檢測是依靠內(nèi)檢測器在管道內(nèi)介質(zhì)壓差的推動下，利用支撐輪、里程輪和探頭貼合管壁行進(jìn)，以檢測出管道的幾何變形、內(nèi)外壁金屬腐蝕缺陷等，并定位缺陷在管道中的位置。為了適應(yīng)管道內(nèi)介質(zhì)工作壓力大、管道檢測里程長、內(nèi)檢測器運(yùn)行速度快的工況，要求管道內(nèi)檢測器上的支撐輪、里程輪及探頭這些零部件必須具有較強(qiáng)的耐磨性能[1]。在以往的管道內(nèi)檢測工作中，曾多次出現(xiàn)因支撐輪、里程輪和探頭等零部件過度磨損，無法實(shí)現(xiàn)有效檢測，造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。因此，為了保證管道內(nèi)檢測工作的正常進(jìn)行，必須保證這些重要零部件的耐磨性能合 格。

常用的耐磨性能試驗(yàn)一般是利用氣缸帶動裝有待測零部件的夾具在一塊鋼板上往復(fù)滑動，操作員通過秒表來計(jì)量滑動周期，用當(dāng)前的滑動時(shí)間除以滑動周期來計(jì)算滑動往復(fù)次數(shù)，或通過手動計(jì)數(shù)來記錄滑動往復(fù)次數(shù)。操作員利用記錄到的滑動次數(shù)和肉眼觀察到的零部件磨損情況來評估零部件的耐磨性能。這種做法存在如下問題：① 由于滑動周期的計(jì)量誤差和當(dāng)前時(shí)間記錄的誤差，導(dǎo)致滑動次數(shù)計(jì)量的不準(zhǔn)確；② 操作員通過肉眼觀察零部件檢測面的磨損情況，會引入人為誤差，無法準(zhǔn)確測量檢測面的磨損情況，因此會出現(xiàn)評估的不確定性和不可靠性；③ 操作員需要先記錄待測零部件工位到達(dá)的時(shí)間再記錄觀察到的零部件磨損情況，由于兩者存在同步時(shí)間差，無法滿足實(shí)時(shí)評估的需求；④ 該系統(tǒng)不具備有效的數(shù)據(jù)存儲模塊，無法繪制出零件磨損情況隨時(shí)間變化的曲線，故不能評估零部件的壽命周期。所以，現(xiàn)有的耐磨試驗(yàn)臺無法實(shí)現(xiàn)高效的摩擦性能試驗(yàn)，自動化程度低下，不被廣泛使用，有待于改進(jìn)。

本文提供了一種基于激光位移傳感器的管道內(nèi)檢測零部件耐磨性能試驗(yàn)臺，用于檢測漏磁檢測器中零部件的檢測面的耐磨性能。通過在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上設(shè)置一段測試管道，測試管道選與輸油管道一樣的材質(zhì)，將待測零部件固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上使得檢測面與測試管道的內(nèi)壁始終接觸。由動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，以使待測零部件的檢測面與測試管道的內(nèi)壁發(fā)生摩擦。利用激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測待測零部件的磨損量[2]，通過比較磨損量的測量值和設(shè)定閾值以評估待測零部件的耐磨性能。

1 耐磨試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的管道內(nèi)檢測器零部件耐磨性能試驗(yàn)臺是由計(jì)算機(jī)、采樣控制器、電機(jī)調(diào)速器、減速電機(jī)、被測零部件、90°角度檢測傳感器、零位傳感器、激光位移傳感器和激光控制器等組成的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。耐磨試驗(yàn)臺可分為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)三部分[3]。

綜合考慮計(jì)算機(jī)和控制器的特點(diǎn)，把管道里程、零部件的磨損量納入計(jì)算機(jī)管理，計(jì)算機(jī)采用USB接口和采樣控制器通訊，采樣控制器將系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用得到的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和激光控制器的零部件磨損量值，通過曲線和報(bào)表的形式實(shí)時(shí)顯示給用戶零部件的磨損情況。

圖1 耐磨性能的試驗(yàn)臺系統(tǒng)框圖Fig.1 System architecture of component friction resistance test bench

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝于承載平臺上與動力機(jī)構(gòu)連接，如圖2 所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有兩根十字垂直交叉的軸，兩根軸等長且相互垂直，以交叉點(diǎn)為圓心水平旋轉(zhuǎn)；軸的兩端設(shè)置有被測零部件，被測零部件通過彈簧與油氣管道的內(nèi)壁緊貼接觸；一根軸的兩端設(shè)置有支撐輪和里程輪，另一根軸的兩端設(shè)置有探頭和磁性激勵 器。

磁性激勵器主要是用于零點(diǎn)定位。磁性激勵器選用HAMLIN 公司57150 型號，零點(diǎn)位置傳感器（以下簡稱“零位傳感器”）選用HAMLIN 公司57145 型通用小型、低功率接近式磁控開關(guān)。零位傳感器用支架固定于X 軸的正上方，使得當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將磁性激勵器與磁控開關(guān)的中心在垂直方向上重合時(shí)，磁控開關(guān)被觸發(fā)閉合。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Rotation mechanism

3 動力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

動力機(jī)構(gòu)主要由減速電機(jī)、齒輪箱、凸輪分割器和90°角度檢測傳感器組成，如圖3 所示。減速電機(jī)通過螺旋齒輪連接齒輪箱，齒輪箱和凸輪分割器的輸入軸之間采用皮帶連接。凸輪分割器采用轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，凸輪分割器的輸出軸與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接。凸輪分割器的輸入轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動360°，其輸出軸轉(zhuǎn)動90°，完成一個(gè)工位的旋轉(zhuǎn)。輸入軸上安裝一帶有U 形缺口的圓片，圓片上方固定90°角度檢測傳感器。90°角度檢測傳感器采用歐姆龍公司EE-SX674P 型號。EESX674P 是一種L 型光電傳感器，PNP 三極管輸出。凸輪分割器的輸入軸每轉(zhuǎn)動一周，U 形缺口便會進(jìn)入一次90°角度檢測傳感器。此時(shí)，90°角度檢測傳感器輸出一個(gè)脈沖給采樣控制器，表明工位到達(dá)。采樣控制器收到90°角度檢測傳感器的脈沖輸出信號后，控制電機(jī)調(diào)速器，停止旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。

圖3 動力機(jī)構(gòu)Fig.3 Movement mechanism

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是一個(gè)由計(jì)算機(jī)、采樣控制器、零位傳感器、激光位移傳感、激光控制器、啟動按鈕、停止按鈕、警示燈和電機(jī)調(diào)速器組成，計(jì)算機(jī)和采樣控制器相互配合、協(xié)調(diào)并存的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4 所示。

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Closed-loop control system architecture

當(dāng)按下啟動按鈕后，采樣控制器發(fā)啟動信號給電機(jī)調(diào)速器，電機(jī)調(diào)速器用于控制減速電機(jī)的啟動，開始零部件耐磨試驗(yàn)。90°角度檢測傳感器用于檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是否完成90°旋轉(zhuǎn)，一旦完成立刻發(fā)送旋轉(zhuǎn)到位指令給采樣控制器，控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停在工位，直到下一個(gè)旋轉(zhuǎn)觸發(fā)命令到來為止。當(dāng)按下停止按鈕后，停止耐磨試驗(yàn)。警示燈采用帶蜂鳴器的三色燈塔，三色燈塔通過紅、黃、藍(lán)三種顏色指示旋轉(zhuǎn)工作臺的不同工作狀態(tài)。

激光位移傳感器和零位傳感器設(shè)置在油氣管道內(nèi)，激光位移傳感器至圓心的連線與零位傳感器至圓心的連線垂直。激光位移傳感器用支架固定在被測零部件的斜上方，其感應(yīng)區(qū)與被測零部件運(yùn)動的軌跡相交。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成90°旋轉(zhuǎn)停在工位后，將其中一個(gè)待測零部件暴露于激光位移傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)。

激光位移傳感器選用Keyence 公司LK-G150 型號，測量距離為110～190 mm，分辨率為0.5 μm。激光位移傳感器是通過向被測零部件的表面射出一序列短暫的脈沖激光束，來計(jì)算出計(jì)算從激光位移傳感器到被測零部件的距離。由于被測零部件在管道內(nèi)部發(fā)生摩擦帶來表面磨損，會引起激光位移傳感器與被測零部件的表面位移量，通過測量位移量的變化就能得出被測零部件的磨損量。激光控制器選用Keyence公司LK-G3001 型號，激光位移傳感器的輸出信號首先送入激光控制器，激光控制器采用模擬量和數(shù)字接口的形式與采樣控制器和計(jì)算機(jī)通訊。

采樣控制器是控制系統(tǒng)的核心，其原理框圖如圖5 所示，主要由Cortex M3 MCU LPC1788、16 位ADC AD7799 和64M SPI Flash AT25DF641A 組 成。采樣控制器通過AD7799 采集激光控制器的模擬電壓輸出，通過數(shù)字量接口采集零位傳感器和90°角度檢測傳感器的信號值，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)零部件的磨損量大于設(shè)定的閾值后，采樣控制器控制電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)通過聲光報(bào)警通知操作員。

5 試驗(yàn)方法與評估

為了檢測支撐輪、里程輪和探頭等不同零部件的耐磨性能，本文設(shè)計(jì)了一種按照“停頓、轉(zhuǎn)位、停頓、轉(zhuǎn)位”的順序做間歇性分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動的耐磨性能試驗(yàn)方法，如圖6 所示。主要包括如下步驟：

（1）按下啟動按鈕，采樣控制器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)做逆時(shí)針間歇性回轉(zhuǎn)運(yùn)動，直到零位傳感器檢測到零位信號停止。如果旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于零位，則激光位移傳感器采集里程輪的磨損值。

（2）采樣控制器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于+90°工位時(shí)，激光位移傳感器采集探頭支架的形變量，將探頭支架的形變量轉(zhuǎn)化為探頭表面的磨損值。

（3）繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于+180°工位時(shí)，激光位移傳感器采集支撐輪的磨損值。

（4）再次旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于+270°工位時(shí)，激光位移傳感器不采集數(shù)據(jù)，為回歸零位做準(zhǔn)備。

（5）采樣控制器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，回零位，進(jìn)入下一個(gè)同樣的循環(huán)。

圖5 采樣控制器硬件原理框圖Fig.5 Hardware principle architecture of sampling controller

圖6 耐磨性能試驗(yàn)方法Fig.6 Friction resistance test method

上述的步驟中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按照90°的角度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，依次將里程輪、探頭和支撐輪送入激光位移傳感器進(jìn)行檢測，不斷循環(huán)，直到設(shè)定的管道檢測里程到達(dá)或者磨損量超出閾值而停止。采樣控制器將指定的循環(huán)次數(shù)、零部件的耐磨試驗(yàn)管道檢測里程和磨損量等要素保存到相應(yīng)的寄存器中，通過所設(shè)定的閾值來判斷零部件的耐磨性能，如果經(jīng)過一定次數(shù)的旋轉(zhuǎn)后，所檢測到的待測面的磨損情況在閾值范圍內(nèi)，則說明零部件的耐磨性能合格；若磨損超出閾值范圍，則說明零部件的耐磨性能不合格。零部件的檢測里程通過下式進(jìn)行計(jì)算：

l = n×π×d

式中 l——零部件的耐磨試驗(yàn)管道檢測里程；

π——常數(shù)3.1415926；

n——旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動圈數(shù)；

d——旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)直徑。

通過上式可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動圈數(shù)。

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的零部件耐磨性能試驗(yàn)臺的測試效果，我們將813 mm 管道漏磁檢測器的里程輪、探頭和支撐輪安裝于試驗(yàn)臺上來評價(jià)耐磨性能。管道的檢測里程設(shè)置為360.0 km，各零部件摩擦量的設(shè)定閾值和經(jīng)過設(shè)定里程后的檢測值如表1 所示。

表1 零部件摩擦性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Component friction resistance test data

從表1 可以看出，在設(shè)定的管道里程內(nèi)，里程輪和支撐輪的設(shè)計(jì)符合耐磨要求，而探頭的設(shè)計(jì)不符合要求，需要更改探頭中耐磨片的材料，以作進(jìn)一步驗(yàn)證[4]。

6 結(jié)束語

本文分析了常規(guī)管道內(nèi)檢測零部件耐磨性能試驗(yàn)臺存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的耐磨性能試驗(yàn)臺。設(shè)計(jì)了采樣控制器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將不同零部件暴露于激光傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該試驗(yàn)臺的搭建明顯提高了零部件耐磨試驗(yàn)的工作效率，提升了耐磨試驗(yàn)的自動化水平，降低了管道內(nèi)檢測的失效概率和用戶的使用難度。