郭吉萍，吳鳴，胡錦揚，王善林，陳玉華

一種新式輥齒自適應堆焊修復設備

郭吉萍a，吳鳴b，胡錦揚b，王善林b，陳玉華b

（南昌航空大學 a. 科技學院 共青城；b. 江西省航空構(gòu)件成形與連接重點實驗室，南昌 330036）

針對目前輥齒堆焊修復模式單一，單面修復導致的熱變形大、易產(chǎn)生裂紋等問題，設計一種新式輥齒自適應堆焊修復設備。設備采用一種凹形夾持裝置，通過對輥齒雙面同時修復以降低修復過程所產(chǎn)生的熱變形，并將修復夾持裝置設置為可活動式結(jié)構(gòu)，以便適應不同厚度的輥齒修復，提高輥齒的修復效率。對不同磨損程度的輥齒，系統(tǒng)可以自動選擇小角度、大角度或非對稱模式進行修復；修復層表面平整，界面結(jié)合良好，輥齒變形小，無明顯的氣孔、夾渣和裂紋等修復缺陷。開發(fā)的新型的單輥輥齒修復系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)單輥輥齒自適應修復。

輥齒式破碎機；修復；堆焊；機器識別

破碎作為現(xiàn)代加工工業(yè)中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，在礦石、化工、建材、煤炭等多個領域具有重要的作用[1]。從近些年來的經(jīng)濟成本中看，破碎環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的費用占據(jù)相關行業(yè)總費用的40%以上，設備費用則占據(jù)破碎總費用的60%以上，而破碎機便是破碎環(huán)節(jié)中廣為運用的一種設備。根據(jù)破碎機結(jié)構(gòu)以及功能的不同，破碎機可分為鄂式破碎機、旋轉(zhuǎn)式破碎機、錘式破碎機以及齒輥式破碎機[2]。近十年來，隨著人們對破碎過程的認識，諸多破碎技術方法被相關學者提出，各種新材料和工藝被用于破碎機中，使破碎設備的可靠性、耐磨性大幅度提升。

齒輥式破碎機由于制造簡單、成本低廉、便于維修且具有高破碎能力，在諸多設備中脫穎而出，被廣泛運用于礦石和煤炭等領域。齒輥式破碎機主要采用齒輥結(jié)構(gòu)對物體進行破碎，其中齒輥低速旋轉(zhuǎn)可對礦石、煤礦等進行擠壓破碎，而高速旋轉(zhuǎn)則可進行劈裂破碎，從而實現(xiàn)不同物料不同粒度的需求以及達到高生產(chǎn)率的目的[3]。根據(jù)齒輥數(shù)量又可將齒輥破碎機分為單齒、雙齒以及四齒輥式破碎機（圖1為單齒輥破碎機）[4—5]。由于設備長時間高負荷進行礦石磨碎，再加之礦石硬度、粒度、表面形狀的差異以及傳送方式的不同，齒輥在工作時極易造成表面磨損不均勻、剝落甚至斷齒現(xiàn)象，嚴重影響工作效率，因而必須對齒輥進行更換或者修復[6—7]，但是對于大型齒輥式破碎機，更換齒輥成本高昂，為節(jié)約成本，一般采用修復工藝進行維修[8]。目前修復方式可分為3種：切削修復、堆焊修復以及噴涂修復。切削修復利用刀具將磨損部分進行切除以使表面光滑；堆焊修復采用焊接技術，利用合適的合金堆焊于磨損部分，補平缺口；噴涂修復將金屬粉末加熱后噴射至輥面，從而形成致密的涂層[9—11]。其中切削修復具有成本低廉、操作簡單的優(yōu)點，但是該種方法使用次數(shù)有限，當齒輥厚度低于使用要求時，無法再使用該技術。噴涂修復的輥面具有組織均勻、氧化物少等優(yōu)點，然而在修復過程中噪聲污染較大。經(jīng)堆焊修復的部分能夠得到較好的耐磨性和硬度，然而在修復過程中由于多采用人工堆焊，堆焊速度不均勻，容易產(chǎn)生夾渣。后續(xù)有人設計相應機械設備來代替人工操作，使用時先在輥齒一面進行修復，隨后進行另一面修復，但由于修復面熱輸入量過高，冷熱兩面變形差異大，極易產(chǎn)生裂紋，影響后續(xù)使用。

圖1 單齒輥破碎機

為解決該問題，文中設計一種新式自適應堆焊設備，該設備通過雙面同時堆焊修復以降低輥齒受熱變形所帶來的缺陷，并提高輥齒的修復效率；另外依托于圖像識別系統(tǒng)，針對輥齒表面不同磨損程度設置了3種修復模式，以期達到最佳修復效果。

1 自適應堆焊修復設備的設計

1.1 設計思路

傳統(tǒng)堆焊設備采用架設于支撐架上的焊槍對輥齒面進行修復，支撐架受數(shù)控系統(tǒng)控制進行運動，從而實現(xiàn)堆焊的順利進行。該種設備代替人工操作，具有較為均勻的堆焊速度，成形較為美觀，面對不同磨損程度的輥面，只能使用同一種方式進行修復，對于磨損嚴重部分修復程度不夠，并且修復后的齒面平整度較差，后續(xù)還需采用人工補修。另外，該種設備由于一次只修復一個齒面，容易引起熱變形，降低輥齒使用壽命。針對上述問題，如果將修復裝置設計為雙面同時修復，并且能夠針對不同齒面的磨損程度采用不同的修復速度和模式，將大大提高堆焊修復質(zhì)量，提高輥齒使用壽命。

1.2 堆焊修復設備基本結(jié)構(gòu)

新型堆焊修復設備主要由驅(qū)動裝置、夾持裝置、工作模塊、移動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。驅(qū)動裝置主要由為各裝置提供動力源的電動機組成。夾持裝置由支架、L型支架和兩支焊槍組成，其中支架和L型支架由滑臺、滑塊以及滑座組成，可進行間距調(diào)整，以滿足不同厚度輥齒的修復。兩支焊槍分別固定于支架和L型支架末端部分，以便能夠同步進行工作。工作模塊主要用于連接和調(diào)節(jié)夾持裝置，包括活動連桿、小連接臂、大連接臂以及底座。其中活動連桿一端與夾持裝置中可調(diào)式支架相連，另一端與小連接臂鉸鏈連接，小連接臂與大連接臂則采用驅(qū)動連接。其中活動連桿與活動連桿可進行360°旋轉(zhuǎn)，以配合可調(diào)式支架來適應平整度差距較大的輥齒面進行修復。移動裝置用于設備在不同輥齒之間進行快速轉(zhuǎn)換，包括地軌以及齒輪齒條結(jié)構(gòu)，其中齒條固定安裝在地軌上方，齒輪則固定安裝于底座下方，齒輪齒條之間相互配合，在電機的驅(qū)動下進行快速移動。監(jiān)控系統(tǒng)對各裝置位置進行實時反饋，主要包括位于支架兩側(cè)的焊槍測距傳感器，位于地軌兩端的距離傳感器以及對輥齒面表面進行掃描的CCD攝像頭?？刂葡到y(tǒng)將監(jiān)控系統(tǒng)傳送回來的信息以及操作者預先設置的信息進行處理，從而對設備位置、焊槍出絲速度和進給速度進行調(diào)整。文中控制系統(tǒng)預設了3種修復模式，可根據(jù)輥齒面不同情況進行自動選擇。

1.單輥齒破碎機；2.輥齒；3.修復面；4.修復焊槍；4A.測距傳感器；5.支架；5A.L型支架；6.滑臺；6A.滑座；6B.滑塊； 7.活動連桿；8.小連接臂；9.第一電機；10.大連接臂；11.第二電機；12.底座；13.第三電機；14.齒條；15.地軌； 15A.距離傳感器；15B.地軌壓塊；16.控制臺

圖3 修復設備實物

1.3 堆焊修復設備修復模式選擇

齒輥式破碎機在工作時由于輥齒之間工作強度、物料尺徑的差異，導致磨損程度各不相同。有些輥齒表面磨損程度小，此時選擇簡單修復便能恢復使用性能。有些輥齒會發(fā)生大面積磨損、剝落，此時修復層較厚，焊槍功率、焊接速度和送絲速度與上一模式大不相同。此外，有些輥齒表面具有較為密集分布的凹坑，如果單純進行堆焊，容易造成堆焊內(nèi)部存在大量空洞、表面成形差。針對以上3種磨損情況，本設備特別設置3種修復模式，分別為小角度修復模式、大角度修復模式和非對稱修復模式，如圖4所示。小角度修復模式下焊槍功率小，焊接和送絲速度較快，用于修復層較薄的齒面；大角度修復模式針對較厚的修復層，焊接功率更大，但焊接和送絲速度相較小修復模式大幅度下降。非對稱模式主要用于修補凹坑以及雙面磨損位置非對稱情況。

修復前，CCD攝像頭首先對輥齒面進行掃描，確定表面形貌，同時位于焊槍側(cè)的測距傳感器會測量焊槍與磨損面的距離，兩者將測量信息傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的信息處理芯片將對兩種信息進行分析處理，以判斷磨損面的平整度、剝落狀況以及凹坑分布，以便選擇合適的修復模式。對于磨損程度十分嚴重的輥齒面，本設備可使用3種修復模式搭配使用。例如，輥齒面修復層較厚且存在較多高低不平的凹坑，設備可以先啟用非對稱模式將凹坑進行修補，隨后啟用大角度修復模式進行堆焊，最后采用小角度修復模式來進一步增加表面的平整度。

1.4 基于機器識別的監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由地軌處的距離傳感器、焊槍測距傳感器以及CCD攝像頭組成，其中地軌處的距離傳感器用于快速精準定位至待修復輥齒。測距傳感器、CCD攝像頭以及控制系統(tǒng)中的信息處理芯片組成一套機器識別系統(tǒng)，用于待修復物體表面信息的獲取。首先CCD攝像頭拍攝獲取輥齒表面圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至信息處理芯片，經(jīng)圖像處理技術進行輪廓提取以及邊緣識別；隨后測距傳感器測量輥齒各表面到基準面的距離，并將數(shù)據(jù)傳送至信息處理芯片，此時芯片將表面輪廓以及距離信息進行綜合，從而判斷優(yōu)先使用的修復模式，如圖5所示。

4.修復焊槍；4A.測距傳感器；4B.測距傳感器；X1.傳感器4A與支架5A之間的距離；5A.L型支架； X2.傳感器4A與支架5A之間的擺動角度.

圖5 基于機器識別自動選擇修復模式示意

CCD攝像頭在采集過程中，由于外部環(huán)境等原因容易造成采集的圖像亮度失真以及噪聲過大，為了進一步提升識別效果、凸顯圖像的局部特征，本系統(tǒng)采用二值化處理，將圖像中的各個像素點都設置為255或者0，即將圖像進行黑白化[12—13]。對圖像進行二值化的目的是確保能夠提取有效的圖像分量，并對其進行細化過濾以及調(diào)整。常用的圖像處理算法有腐蝕算法和膨脹算法[14]。腐蝕算法[15]是將提取出的圖像邊緣多余部分進行修剪，從而達到精簡圖像、突出所需部分的作用，其原理為某圖像中具有A和B兩個結(jié)構(gòu)元素，首先用結(jié)構(gòu)元素A對B進行像素掃描，將掃描出的重復像素采用邏輯算法進行運算，如果計算出的結(jié)果為1，則將該點的灰度設置為黑色，即255，反之則為白色。膨脹算法[16]將圖像進行完整化處理，將圖像間斷處進行優(yōu)化，其原理為某圖像具有A和B兩個結(jié)構(gòu)元素，首先用結(jié)構(gòu)元素A對B進行像素掃描，隨后對掃描出的重復像素采用邏輯算法進行運算，如果計算出的結(jié)果為0，則將該點的灰度設置為0，即白色，反之為255，為黑色。經(jīng)過上述兩種算法優(yōu)化后的圖像亮度適中、特征明顯且圖像圓滑連續(xù)、無突兀點。

2 修復效果分析

圖6a為輥齒齒面剝落圖，可以看出輥齒下側(cè)以及邊緣部分脫落、中間部分呈現(xiàn)分層現(xiàn)象。從斷口宏觀形貌可知，輥齒斷面由于長時間的工作，下側(cè)首先出現(xiàn)原始裂紋，隨后向周邊以及中部擴展，導致工作層分層剝落，屬于明顯的疲勞斷裂。對該輥齒進行修復，修復后效果如圖6b所示。修復表面層與層之間結(jié)合緊密、平整美觀，這是由于修復采用多道堆焊，后一道修復焊縫會對前一道進行一定的壓道作用。對修復面進行切樣分析，如圖6c所示，下側(cè)為輥齒基面，上端為修復層，齒面與修復層結(jié)合良好、未見明顯氣孔、夾渣和裂紋，證明該種設備修復效果良好。

圖6 輥齒形貌及修復層顯微組織

3 結(jié)語

針對目前輥齒修復過程中修復模式單一、容易出現(xiàn)熱變形等不足之處，設計了一種新式自適應堆焊修復設備。該設備通過輥齒雙面同時修復，以降低修復過程所產(chǎn)生的熱變形，并將修復夾持裝置設置為可活動式結(jié)構(gòu)，以便適應不同厚度的輥齒修復，并提高輥齒的修復效率。另外本設備依托于機器識別技術，針對輥齒表面不同的磨損程度設置了3種修復模式，從而達到最佳修復效果。

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A New Type of Roll Tooth Adaptive Surfacing Repairing Equipment

GUO Ji-pinga, WU Mingb, HU Jin-yangb, WANG Shan-linb, CHEN Yu-huab

(a. Science and Technology College of NCHU, Gongqingcheng; b. Jiangxi Key Laboratory of Forming and Joining Technology for Aerospace Components, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330036, China)

The work aims to design a new roll tooth adaptive surfacing repairing equipment to solve the current problems of single surface repairing mode of roll tooth, large thermal deformation caused by single-sided repairing in the repairing process, and easy generation of cracks. The equipment was designed with a concave clamping device to reduce the thermal deformation generated by the repairing process by repairing both sides of the roller teeth at the same time, and setting the repairing clamping device to a movable structure to adapt to roller teeth with different thicknesses and improve the repairing efficiency of roller teeth. The repairing model of large-angle repairing, small-angle repairing, or asymmetric repairing can be chosen automatically according to the different abrasion of roll tooth. A smooth repairing surface, excellent bonding interface of repairing layer, and minor deformation of roll tooth can be attained. Moreover, no gas cavity, slag and cracks can be detected with metallographic determination. The new single roll tooth repairing system developed can achieve adaptive repairing of single roll tooth.

roller crusher; repair; surfacing; machine recognition

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.019

TG439.2

A

1674-6457(2021)02-0116-05

2020-09-22

國家自然科學基金（51865035）；江西省杰出青年基金（2018ACB21016）；國防基礎科研計劃（JCKY-2018401C003）

郭吉萍（1971—），女，碩士，講師，主要研究方向為焊接工藝及信息化。

陳玉華（1979—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為新材料及異種材料連接。