CN104458901A - 旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，包括：垂直活动体、摆动活动体、水平旋转活动体、耐磨靴、涡流探头；垂直活动体与摆动活动体铰接，水平旋转活动体与摆动活动体铰接，垂直活动体用于轴截面上下方向的运动跟踪，摆动活动体用于轴截面水平方向的运动跟踪和轴侧视方向的运动跟踪，水平旋转活动体用于轴顶视方向的左右摆动运动跟踪；涡流探头通过小范围垂直跟踪机构安装于水平旋转活动体，耐磨靴与水平旋转活动体可拆卸连接。本发明实现了在线自动大口径钢管的局部涡流检测。使在线自动大口径钢管的局部涡流检测验收项目得到了实际工业应用，满足了国际市场对钢管的验收需要。

Description

旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架

技术领域

本发明涉及钢管检测领域，尤其是能够广泛应用于与钢管螺旋前进运动，需要定位机械接触式表面形态跟踪的检测机械，具体涉及旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架。

背景技术

在大口径钢管验收检测中，国际市场普遍采用API-5L标准验收，该标准要求必须采用两种检测方法验收钢管，由于超声、涡流检测方法容易实现自动检测，这样采用涡流检测成势在必行的趋势。传统涡流检测采用的是穿过式检测技术，在大口径钢管检测中存在人工伤检出灵敏度低，已经不适合检出Φ1.6mm孔的要求。这主要是检测周长与孔的比例所至，为在碳钢钢管表面检出Φ1.6mm孔就要求涡流检测线圈的尺寸是检出孔直径的5～15倍范围也就在8～25mm范围内。

而随着涡流检测线圈的尺寸变小提离效应也变得明显，根据图1提离距离和涡流感应电压的变化关系，得到当探头和钢管表面相对位置变化时，检测相同人工伤的检出信号幅度随着探头和钢管表面相对位置变化而变化，导致以检出缺陷信号幅度为判据的涡流检测系统在判别缺陷大小上失效。

为达到用涡流检测大口径钢管的目的，就涡流检测传感器与钢管表面的相对位置、间隙要求恒定在一个很小的范围内（1mm以下）。这样才能做到用小尺寸涡流检测线圈构成的涡流检测系统，从而可以满足用检出缺陷信号的幅度判别缺陷大小的要求。

为了达到涡流检测传感器与运动钢管表面的相对位置、间隙恒定在一个很小的范围内的要求，涡流检测传感器必须具有跟踪运动钢管表面形态保持相对位置、间隙的功能，这成为大口径钢管涡流检测的核心问题。

经对现有技术检索后发现如下相关文献：

申请号为200720190400.9、名称为“螺旋焊管超声波探伤用探头架”的中国专利文献，该实用新型公开了一种螺旋焊管超声波探伤用探头架，包括探头夹持机构、探头调整架及探头支架。探头支架分为上架、中架及下架。上架上板与探伤生产线悬臂或行车相连，上架下板连有单轴滑台和转台，转台带动中架与下架旋转，单轴滑台带动中架与下架水平运动。下架包括下架下板和挂板，下架下板与中架下板之间固定有挂板，挂板上开有通孔。探头调整架包括气缸、气缸头连接板、直线导轨、滚珠丝杠及滑块。探头调整架通过两个活动销装于挂板的通孔内，随销子沿通孔转动。探头夹持机构通过气缸头连接板与气缸相连，气缸通过滑块与滚珠丝杠相连且一同沿直线导轨滑动，滚珠丝杠一端装有手轮。

技术要点比较：

（1）垂直运动部分：该专利没有探头架重力平衡和下压力恒力调节功能，下压力的大小一是磨损被检钢管、二是使耐磨靴的磨损加速。

（2）探头固定跟踪部分：该专利采用气动下压结构，检测过程中需要消耗压缩空气。本发明采用长臂压簧结构，特点为下压力小且不耗能源。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大口径钢管旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，解决局部涡流检测方法用涡流探头的定位跟踪问题。本发明是利用机械接触方式传导钢管表面形态变化力，用多自由度分解跟踪的方法解决涡流检测传感器跟踪钢管表面形态运动变化问题。

针对解决国际市场对大口径钢管验收，必须采用两种检测方法的需要。根据涡流检测方法容易实现自动检测的特点，分析得到如下结果：

a、根据涡流检测方法的检测特点，涡流检测传感器的尺寸必须是被检灵敏度（人工伤）尺寸要求的5～15倍量级范围内。按人工伤Φ1.6mm孔单个涡流检测传感器的尺寸也就在8～25mm间，这样局部涡流检测方法成为大口径钢管验收检测的首选。

b、根据局部涡流检测方法传感器的尺寸特点，要检测钢管所有表面，必须采用钢管螺旋前进运动涡流检测传感器固定方式或钢管直线运动涡流检测传感器旋转运动方式检测才能覆盖钢管所有表面。由于涡流检测传感器螺旋运动方式造成机械电气结构复杂不适宜实现，所以一般都采用钢管螺旋前进运动涡流检测传感器固定的检测方式。

c、因局部涡流检测方法存在明显的提离效应，而钢管表面状态由于形位公差和螺旋前进运动造成检测位置钢管表面相对位置变化，用固定检测位置方法检测相同人工伤的检出信号幅度变化大，造成检测结果无法判断。

d、这样局部涡流检测方法用传感器架，就必须具有定位跟踪钢管表面运动功能的机构才能具备实用条件。

e、由于钢管表面运动方向复杂、波动幅度大，用电气方法跟踪是难以实现。所以局部涡流检测传感器架，采用定位机械接触式表面形态跟踪机构是跟踪钢管表面运动的实用方式。

根据本发明的一个方面，提供一种旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，包括：垂直活动体、摆动活动体、水平旋转活动体、耐磨靴、涡流探头；

垂直活动体与摆动活动体铰接，水平旋转活动体与摆动活动体铰接，垂直活动体用于轴截面上下方向的运动跟踪，摆动活动体用于轴截面水平方向的运动跟踪和轴侧视方向的运动跟踪，水平旋转活动体用于轴顶视方向的左右摆动运动跟踪；涡流探头通过小范围垂直跟踪机构安装于水平旋转活动体，耐磨靴与水平旋转活动体可拆卸连接。

优选地，垂直活动体包括圆柱直线导轨轴套，摆动活动体的摆动轴安装于圆柱直线导轨轴套，从而摆动轴构成可水平移动的跟踪轴。

优选地，还包括滑台、带导轨汽缸、缓冲器、配重，其中，配重连接垂直活动体，垂直活动体的一侧安装于滑台的固定安装部分，带导轨汽缸驱动滑台上下运动，缓冲器连接在垂直活动体与滑台的滑动部分之间。

优选地，摆动活动体与水平旋转活动体通过大口径交叉轴承连接。

优选地，涡流探头的高度为伸出水平旋转活动体底面1mm。

优选地，涡流探头通过弹性压簧与水平旋转活动体连接。

优选地，耐磨靴采用45°的V型凹槽插入水平旋转活动体下的45°的V型凸槽。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的涡流探头跟踪架在提高了涡流检测结果准确性的基础上，实现了在线自动大口径钢管的局部涡流检测。使在线自动大口径钢管的局部涡流检测验收项目得到了实际工业应用，满足了国际市场对钢管的验收需要。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为提离距离和涡流感应电压的变化关系示意图；

图2为探头架管截面变化跟踪设计示意图；

图3为管轴垂直面摆动跟踪结构示意图；

图4为管轴水平面转动跟踪结构示意图；

图5为探头活动跟踪架内探头与管表面间隙变化跟踪设计示意图；

图6为耐磨靴快速换靴结构示意图；

图7、图8为探头垂直活动架力平衡机构和恒力加载机构示意图；

图9为探头架垂直活动体与摆动活动体运动连接示意图；

图10为水平转动体结构分解图；

图11为探头架内小范围垂直跟踪机构的结构图；

图12为探头安装后伸出示意图；

图13为探头接触面安装陶瓷耐磨片示意图；

图14为耐磨靴上45°V型凹槽与水平转动体连接配合结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

设计1、为实现大口径钢管的轴截面中心运动跟踪，以垂直活动固定侧作为探头架的固定点，用垂直活动体的上下滑动完成轴截面上下方向的运动跟踪。把垂直活动体上的一对轴套设计成圆柱直线导轨轴套，把摆动活动体上的摆动轴设计成可水平移动的跟踪轴，完成轴截面水平方向的运动跟踪。

设计2、为实现大口径钢管的轴线运动跟踪，在探头架平行管轴侧视方向中心两侧设计成水平摆动轴，完成轴侧视方向的运动跟踪。在探头架管轴顶视方向平面中心设计成由大口径交叉轴承构成的水平旋转摆动中心，完成轴顶视方向的左右摆动运动跟踪。

设计3、为实现探头架内涡流探头与大口径钢管表面的运动间隙跟踪，涡流在探头架内必须有一个小范围的垂直跟踪机构。以消除由于大口径钢管在圆周运动过程中表面与探头架底面产生的运动间隙。由于探头架体积有限，把涡流探头的固定设计成一个弹性压簧，并保证探头在最小极限位有1mm的伸出，完成探头与大口径钢管表面运动间隙的跟踪。

设计4、为了整体快速更换耐磨靴的更换方便，整体快速更换耐磨靴采用45°V型凹槽从管轴侧面插入水平转动体（下）的45°V型凸槽。

整体快速更换耐磨靴与水平转动体（下）的固定，利用450V型凹槽的间距缩小有定位自锁紧的功能。在整体快速更换耐磨靴上的一个450型凹槽外侧，用两颗M4带锁紧手拧螺丝从管截面单侧锁紧。

整体快速更换耐磨靴与被检钢管的配合，根据不同规格钢管一个规格做一个，一一对应。当需要检测某个规格钢管时，只要选择安装上相同规格的耐磨靴，就可快速实现某个规格钢管的检测配合需要。

进一步地，下面对上述4个设计做更为具体的描述。

设计1、大口径钢管的轴截面运动跟踪结构：

设计要求：从被检钢管的运动状态和型位公差分析，大口径钢管的轴截面运动是一个圆周运动。从钢管的轴截面运动跟踪来讲，必须是有二个相互垂直的平动自由度运动才能满足跟踪要求。

a、管轴截面运动的范围计算：

根据图2中的跟踪关系，管轴截面的变化关系就是探头架需要跟踪的范围，当管在旋转时实际管轴截面的变化范围就是一个圆形，它的最大变化关系范围就是以管弯曲度公差的尺寸为比例，两管托轮距为长度，相乘得到最大变化距离（最大变化半径）。只要按管的最大弯曲度公差尺寸和两管托轮距可计算出跟踪范围；

因为按大口径管的最大允许弯曲度公差尺寸3mm/1000mm（GB/T5310-20085.3要求），

两管托轮距最大2000mm（取GB/T5310-20085.2中最小长度的二分之一）计算；

所以最大跟踪范围是±6mm；

所以轴截面水平方向和轴截面垂直方向的运动形式都是小范围的移动；

b、探头架轴截面跟踪机构设计：

为实现大口径钢管的轴截面中心运动跟踪，以垂直活动固定侧作为探头架的固定点，用垂直活动体的上下滑动完成轴截面上下方向的运动跟踪。把垂直活动体上的一对轴套设计成圆柱直线导轨轴套，把摆动活动体上的摆动轴设计成可水平移动的跟踪轴，完成轴截面水平方向的运动跟踪。

c、探头架的垂直跟踪部分机构设计：

⑴结构概述，由于被检测钢管的输送方法和直径变化引起管的上表面大高度差变化，我们依靠CKD带导杆汽缸产品（STL-B-20-400-TOH-T-P72）产生可调节垂直（范围为400mm）固定位移来满足钢管输送时探头不加载的需要。由于汽缸的下压力在小压力条件下是不可控的，为实现压力可控必须实现压力分离，依靠垂直安装的SGHB-4085滑台实现下压动作与导杆下压力分离。由于探头架自身的重量不可消除使接触力调整不可实现，依靠重力平衡方法使探头架变成没有重力的单体。由于探头架接触钢管的力需要恒定，依靠缓冲器产生探头架与钢管的接触是恒力；

⑵探头架的垂直运动，带导杆汽缸缸体为固定面、向下运动依靠气缸（行程400mm）压导杆产生一个垂直位置可调（适应不同钢管的高度变化）固定位移、向上运动依靠气缸导杆提升。

⑶导杆汽缸的垂直下压力的分离，在带导杆汽缸的导杆端部装有行程与导杆平行，行距为50mm、型号为SGHB-4085型、带上下限位的中间滑台。

⑷探头架的重力平衡，中间滑台的滑动部分是探头架活动部分的自重。为消除这部分自重，我们用滑轮机构加可调重力锤方法平衡掉探头架活动部分的自重。

⑸探头架下压力的调整，在中间滑台（SGHB-4085型）的固定部分装有与滑动方向平行、活动部分压在中间滑台的活动部分上、向下压的Sc1425-1缓冲器。这样垂直跟动运动过程中，力的分配是探头架可以看成没有重力的单体，探头架与管的接触力可通过调整缓冲器的压力实现控制（缓冲器的力是恒力）。探头架的垂直跟动行程由中间滑台行程和缓冲器行程中小的决定。

d、探头架的水平跟踪机构的跟踪范围复核：

⑴结构概述：利用圆柱导轨副的既可直线运动又可圆周运动的特点，把探头架水平摆动轴的固定轴承设计成探头架可水平移动的圆柱导轨轴承，完成轴截面水平方向的运动跟踪。

⑵探头架的水平运动范围：按标题a中的计算在±6mm。

⑶圆柱导轨轴承的选择，根据探头架摆动、平动机构的设计轴径为φ6mm选择LM6型圆柱导轨轴承。

⑷实际探头架的水平滑动范围：为探头垂直架的宽度223mm减两个探头垂直架的厚度2×15mm减探头架摆动、平动机构的宽度166mm减两个探头架摆动、平动机构轴的台阶2×4mm得到实际滑动范围是19mm。

设计2、大口径钢管的轴线运动跟踪结构：

设计要求：从被检钢管的运动状态和型位公差分析，大口径钢管的轴线运动是一个圆锥运动。从钢管的轴线运动跟踪来讲，必须是有二个相互垂直的偏角自由度运动才能满足跟踪要求。

a、大口径钢管的轴线运动跟踪偏角计算：

根据图3、4中跟踪关系分析，管轴线的变化关系就是探头架需要跟踪的关系。当管在旋转时实际管轴线的变化范围就是一个圆锥形，它的变化范围关系就是两倍管弯曲度公差的尺寸。只要按管的最大弯曲度公差尺寸就可计算出跟踪范围；

因为按大口径管的最大允许弯曲度公差尺寸3mm/1000mm（GB/T5310-20085.3要求），

所以θmax=tg-1（6mm/1000mm）=0.3440，

其中，θmax为管轴线偏离角、tg为2倍弯曲度公差比值。

所以轴侧视方向和轴顶视方向的运动形式都是小角度摆动；

b、大口径钢管的轴线运动跟踪结构设计：

为实现大口径钢管的轴线运动跟踪，在探头架平行管轴侧视方向中心两侧设计成水平摆动轴，完成轴侧视方向的运动跟踪。在探头架管轴顶视方向平面中心设计成由大口径交叉轴承构成的水平旋转摆动中心，完成轴顶视方向的左右摆动运动跟踪。

设计3、探头架内涡流探头与大口径钢管表面的运动间隙跟踪结构

设计要求：由于耐磨靴的设计是配合某管径公称尺寸做的，而实际某管径是公称尺寸架公差范围。这样耐磨靴与管的运动配合存在一个小范围的垂直偏差。为解决这小范围的垂直偏差，探头架必须有一小范围垂直间隙跟踪机构。

a、探头架内探头的垂直小间隙跟踪范围计算

只要按管的最大外径公差尺寸和不圆度就可计算出跟踪范围；

计算的结果是

按D=159mm；最大跟踪范围是0.91mm；

按D=426mm；最大跟踪范围是0.40mm；

D为被检钢管的直径，

所以取最大管椭圆公差范围1mm即可。

b、小范围垂直跟踪结构设计：

为实现探头架内涡流探头与大口径钢管表面的运动间隙跟踪，涡流在探头架内必须有一个小范围的垂直跟踪机构。以消除由于大口径钢管在圆周运动过程中表面与探头架底面产生的运动间隙。由于探头架体积有限，把涡流探头的固定设计成一个弹性压簧，并保证探头在最小极限位有1mm的伸出，完成探头与大口径钢管表面运动间隙的跟踪。

c、探头架内小范围垂直跟踪机构的零件

⑴把涡流探头的固定设计成，涡流探头用一颗中空穿线螺丝作为探头的引线出口和涡流探头固定接口。

⑵探头与探头架轴向水平活动体的连接，用一个弹性长悬臂作为单向活动连接体，在长悬臂一端开一与涡流探头固定穿线螺丝连接孔，弹性长悬臂另一端开螺丝固定孔，用两颗螺丝固定在探头架轴向水平活动体上。

⑶把涡流探头的高度设计成伸出探头架轴向水平活动体底面1mm。

⑷由于涡流探头的间隙跟踪采用接触形式，必须把涡流探头与管表面接触部分设计为采用耐磨的陶瓷材料。

设计4、整体快速更换耐磨靴：

设计要求：为实现快速可更换的耐磨靴的目的，耐磨靴与水平转动体的连接必须是一个快速可更换结构。由于是快速可更换结构，必须考虑结构在运动过程中的位置连接和固定可靠性。

a、整体快速更换耐磨靴结构设计

为了整体快速更换耐磨靴的更换方便，整体快速更换耐磨靴采用45°V型凹槽从管轴侧面插入水平转动体（下）的45°V型凸槽。

整体快速更换耐磨靴与水平转动体（下）的固定，利用45°V型凹槽的间距缩小有定位自锁紧的功能。在整体快速更换耐磨靴上的一个45°V型凹槽外侧，用两颗M4带锁紧手拧螺丝从管截面单侧锁紧。

整体快速更换耐磨靴与被检钢管的配合，根据不同规格钢管一个规格做一个，一一对应。当需要检测某个规格钢管时，只要选择安装上相同规格的耐磨靴，就可快速实现某个规格钢管的检测配合需要。

b、耐磨靴具体尺寸计算：

根据图6耐磨靴快速换靴结构示意图中的参数，耐磨靴具体尺寸有以下关系：

因为R-管的半径为D1/2mm；

因为L-探头架的管截面方向的外形尺寸，根据管轴线跟踪运动采用平面跟踪轴承形式，有探头架的管轴方向的外形尺寸与管截面方向的外形尺寸与耐磨靴的长度相同。；

所以根据被检对象是大口径管且考虑检测效率一次检测轴向覆盖长度在100～120mm，考虑到管轴线跟踪运动选内口径为140mm的RA14008C型（内径140、外径156、宽度8、重量0.19kg）交叉轴承作为管轴线跟踪平面轴承，这样耐磨靴的长度尺寸L为166mm；

所以耐磨靴X的尺寸为 $X=\{(1/2D)2+(1/2L)2-1/2D\sqrt{(1/2D)2+(1/2L)}2\}\÷1/2D;$

所以耐磨靴Y的尺寸为 $X=\{(1/2D)2+(1/2L)2-1/2D\sqrt{(1/2D)2+(1/2L)}2\}\÷1/2L;$ 其中，D为被检钢管的直径，L为耐磨靴的长度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，包括：垂直活动体、摆动活动体、水平旋转活动体、耐磨靴、涡流探头；

垂直活动体与摆动活动体铰接，水平旋转活动体与摆动活动体铰接，垂直活动体用于轴截面上下方向的运动跟踪，摆动活动体用于轴截面水平方向的运动跟踪和轴侧视方向的运动跟踪，水平旋转活动体用于轴顶视方向的左右摆动运动跟踪；涡流探头通过小范围垂直跟踪机构安装于水平旋转活动体，耐磨靴与水平旋转活动体可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，垂直活动体包括圆柱直线导轨轴套，摆动活动体的摆动轴安装于圆柱直线导轨轴套，从而摆动轴构成可水平移动的跟踪轴。

3.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，还包括滑台、带导轨汽缸、缓冲器、配重，其中，配重连接垂直活动体，垂直活动体的一侧安装于滑台的固定安装部分，带导轨汽缸驱动滑台上下运动，缓冲器连接在垂直活动体与滑台的滑动部分之间。

4.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，摆动活动体与水平旋转活动体通过大口径交叉轴承连接。

5.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，涡流探头的高度为伸出水平旋转活动体底面1mm。

6.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，涡流探头通过弹性压簧与水平旋转活动体连接。

7.根据权利要求1所述的旋转前进涡流检测用探头定位机械接触式表面形态跟踪架，其特征在于，耐磨靴采用450的V型凹槽插入水平旋转活动体下的45°的V型凸槽。