管道內檢測零部件耐磨性能試驗臺研制

趙番，湯曉英，王繼鋒，浦哲

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

管道內檢測是依靠內檢測器在管道內介質壓差的推動下，利用支撐輪、里程輪和探頭貼合管壁行進，以檢測出管道的幾何變形、內外壁金屬腐蝕缺陷等，并定位缺陷在管道中的位置。為了適應管道內介質工作壓力大、管道檢測里程長、內檢測器運行速度快的工況，要求管道內檢測器上的支撐輪、里程輪及探頭這些零部件必須具有較強的耐磨性能[1]。在以往的管道內檢測工作中，曾多次出現因支撐輪、里程輪和探頭等零部件過度磨損，無法實現有效檢測，造成經濟上的巨大損失。因此，為了保證管道內檢測工作的正常進行，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滑動，操作員通過秒表來計量滑動周期，用當前的滑動時間除以滑動周期來計算滑動往復次數，或通過手動計數來記錄滑動往復次數。操作員利用記錄到的滑動次數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 由于滑動周期的計量誤差和當前時間記錄的誤差，導致滑動次數計量的不準確；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，無法準確測量檢測面的磨損情況，因此會出現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的時間再記錄觀察到的零部件磨損情況，由于兩者存在同步時間差，無法滿足實時評估的需求；④ 該系統(tǒng)不具備有效的數據存儲模塊，無法繪制出零件磨損情況隨時間變化的曲線，故不能評估零部件的壽命周期。所以，現有的耐磨試驗臺無法實現高效的摩擦性能試驗，自動化程度低下，不被廣泛使用，有待于改進。

本文提供了一種基于激光位移傳感器的管道內檢測零部件耐磨性能試驗臺，用于檢測漏磁檢測器中零部件的檢測面的耐磨性能。通過在旋轉機構上設置一段測試管道，測試管道選與輸油管道一樣的材質，將待測零部件固定在旋轉機構上使得檢測面與測試管道的內壁始終接觸。由動力機構驅動旋轉臺旋轉，以使待測零部件的檢測面與測試管道的內壁發(fā)生摩擦。利用激光位移傳感器實時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定閾值以評估待測零部件的耐磨性能。

1 耐磨試驗臺的總體設計

本文所設計的管道內檢測器零部件耐磨性能試驗臺是由計算機、采樣控制器、電機調速器、減速電機、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閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1 所示。耐磨試驗臺可分為旋轉機構、動力機構及控制系統(tǒng)三部分[3]。

綜合考慮計算機和控制器的特點，把管道里程、零部件的磨損量納入計算機管理，計算機采用USB接口和采樣控制器通訊，采樣控制器將系統(tǒng)的旋轉次數送入計算機，計算機利用得到的旋轉次數和激光控制器的零部件磨損量值，通過曲線和報表的形式實時顯示給用戶零部件的磨損情況。

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

2 旋轉機構設計

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

磁性激勵器主要是用于零點定位。磁性激勵器選用HAMLIN 公司57150 型號，零點位置傳感器（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。零位傳感器用支架固定于X 軸的正上方，使得當旋轉機構將磁性激勵器與磁控開關的中心在垂直方向上重合時，磁控開關被觸發(fā)閉合。

圖2 旋轉機構Fig.2 Rotation mechanism

3 動力機構設計

動力機構主要由減速電機、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。凸輪分割器采用轉盤式結構，凸輪分割器的輸出軸與旋轉機構連接。凸輪分割器的輸入轉軸轉動360°，其輸出軸轉動90°，完成一個工位的旋轉。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動一周，U 形缺口便會進入一次90°角度檢測傳感器。此時，90°角度檢測傳感器輸出一個脈沖給采樣控制器，表明工位到達。采樣控制器收到90°角度檢測傳感器的脈沖輸出信號后，控制電機調速器，停止旋轉機構旋轉。

圖3 動力機構Fig.3 Movement mechanism

4 控制系統(tǒng)設計

本文所設計的控制系統(tǒng)是一個由計算機、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、警示燈和電機調速器組成，計算機和采樣控制器相互配合、協(xié)調并存的閉環(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

當按下啟動按鈕后，采樣控制器發(fā)啟動信號給電機調速器，電機調速器用于控制減速電機的啟動，開始零部件耐磨試驗。90°角度檢測傳感器用于檢測旋轉機構是否完成90°旋轉，一旦完成立刻發(fā)送旋轉到位指令給采樣控制器，控制旋轉機構停在工位，直到下一個旋轉觸發(fā)命令到來為止。當按下停止按鈕后，停止耐磨試驗。警示燈采用帶蜂鳴器的三色燈塔，三色燈塔通過紅、黃、藍三種顏色指示旋轉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置在油氣管道內，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，其感應區(qū)與被測零部件運動的軌跡相交。當旋轉機構完成90°旋轉停在工位后，將其中一個待測零部件暴露于激光位移傳感器的檢測區(qū)域內。

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，來計算出計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字接口的形式與采樣控制器和計算機通訊。

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，控制電機運轉。當零部件的磨損量大于設定的閾值后，采樣控制器控制電機停止運行，同時通過聲光報警通知操作員。

5 試驗方法與評估

為了檢測支撐輪、里程輪和探頭等不同零部件的耐磨性能，本文設計了一種按照“停頓、轉位、停頓、轉位”的順序做間歇性分度回轉運動的耐磨性能試驗方法，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機構做逆時針間歇性回轉運動，直到零位傳感器檢測到零位信號停止。如果旋轉機構處于零位，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機構逆時針旋轉度，當旋轉機構處于+90°工位時，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化為探頭表面的磨損值。

（3）繼續(xù)旋轉90°，當旋轉機構處于+180°工位時，激光位移傳感器采集支撐輪的磨損值。

（4）再次旋轉90°，當旋轉機構處于+270°工位時，激光位移傳感器不采集數據，為回歸零位做準備。

（5）采樣控制器控制旋轉機構逆時針旋轉90°，回零位，進入下一個同樣的循環(huán)。

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

圖6 耐磨性能試驗方法Fig.6 Friction resistance test method

上述的步驟中，旋轉機構按照90°的角度逆時針旋轉，依次將里程輪、探頭和支撐輪送入激光位移傳感器進行檢測，不斷循環(huán)，直到設定的管道檢測里程到達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、零部件的耐磨試驗管道檢測里程和磨損量等要素保存到相應的寄存器中，通過所設定的閾值來判斷零部件的耐磨性能，如果經過一定次數的旋轉后，所檢測到的待測面的磨損情況在閾值范圍內，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行計算：

l = n×π×d

式中 l——零部件的耐磨試驗管道檢測里程；

π——常數3.1415926；

n——旋轉機構轉動圈數；

d——旋轉機構直徑。

通過上式可以計算出旋轉機構轉動圈數。

為了檢驗所設計的零部件耐磨性能試驗臺的測試效果，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臺上來評價耐磨性能。管道的檢測里程設置為360.0 km，各零部件摩擦量的設定閾值和經過設定里程后的檢測值如表1 所示。

表1 零部件摩擦性能試驗數據Table 1 Component friction resistance test data

從表1 可以看出，在設定的管道里程內，里程輪和支撐輪的設計符合耐磨要求，而探頭的設計不符合要求，需要更改探頭中耐磨片的材料，以作進一步驗證[4]。

6 結束語

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