基于超声波的液压支柱损伤检测系统设计.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.007基于超声波的液压支柱损伤检测系统设计王晶,王化（烟台汽车工程职业学院，山东烟台2 6 5 5 0 0）摘要：为提高液压支柱的损伤检测效率，避免漏检问题，提出一种基于超声波的损伤检测系统设计。系统以三轴控制系统为控制核心，结合信号检测模块、主探伤模块、运动控制模块、预处理模块等有效地实现液压支柱检测的螺旋扫描式检测。超声探头的进给运动由滚珠丝杠、轴向定位导轨、滚筒支撑机构等实现，便于管道损伤位置的精准查找和定位。各功能模块中的机械结构协同运行，自动化程度高，能够有效解决常规定点测量方式的不足。关键词：液压支柱；损伤检测；模块设计；超声波中图分类号:TH137;TH113文献标志码：ADesign of Hydraulic Pillar Damage Detection System with Ultrasound(Yantai Automotive Engineering Career Academy,Yantai 265500,China)Abstract:In order to improve the efficiency of damage detection for hydraulic props and avoid missed detection issues,a design of anultrasonic based damage detection system is proposed.The system takes a three-axis control system as the control core,and combines signaldetection module,main flaw detection module,motion control module,preprocessing module,etc.to effectively achieve spiral scanningdetection of hydraulic pllar detection.The feeding motion of the ultrasonic probe is achieved by ball screw,axial positioning guide rail,drumsupport mechanism,etc.,which facilitates accurate search and positioning of pipeline damage location.The mechanical structures in eachfunctional module operate in collaboration,with a high degree of automation,which can effectively solve the shortcomings of conventional fixedpoint measurement methods.Key words:hydraulic props;damage detection;module design;ultrasonic0引言液压支柱是液压支撑系统中的重要动力元件 ，在活塞的作用下能够实现较大的载荷和精确的行程控制 2 ,对环境的适应能力强,因此,在诸多行业和领域内有着广泛的应用,比如石油、化工、航空、煤炭等。在长期重载作用下，液压支柱内壁会出现明显的损伤问题,包括磨损、腐蚀、裂纹等，需要定期进行检修 3-4,否则将诱发泄漏、压力不足等安全事故，并对影响配套装备的可靠性。目前，用于液压支柱损伤检测的方法有高压有损检测 5 、漏磁检测 6 、超声检测 7 、射线成像检测 8 等。其中,高压有损检测的效率高,操作简单,但是在临界压力条件下容易出现漏检。漏磁检测成本较高，定位准确，但是定量检测能力不足。射线成收稿日期：2 0 2 3-0 4-12基金项目：四川省重点研发计划项目（2 3ZDYF0369）作者简介：王晶（197 7-）,女，山东烟台人，讲师，学士，研究方向为故障诊断、液压工程等。文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 39-0 4WANG Jing,WANGHua1系统的总体设计1.1超声检测原理液压立柱内壁在长期重载等恶劣工况条件下，容易发生拉伤、腐蚀等表面损伤，如图1所示，严重影响液压系统的密封性等性能。提出的超声无损检测系统能够有效地定位损伤位置，确定损伤量，便于后续的维护和修复工作。根据超声波的生成原理，可将超声波分为横向波和纵向波两种,如图2 所示，可根据被测对象的物理属性选用合理的类型。超声波在穿透物质时，影响传递速率的因素主要有声压、声强和声阻抗3个方面，分别39像检测操作复杂，对于损伤量无法测定，而且检测效率有限。超声检测精度高，成本低，但主要用于定点抽检。针对以上问题，提出一种基于超声传感技术的液压支柱损伤检测系统,通过功能设计和结构设计,实现超声检测的全面覆盖，检测效率和精度高，适用于液压支柱的批量检测，具有良好的经济效益和社会效益。液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期用于表征超声的介质压力变化率、声波振幅和波形能量变动效率。由于不同材料介质对应的超声波速度不同,因此能够测定不同复合材料的厚度。对于液压支柱而言,壁厚的测量结果不受内壁涂层或黏着物的影响。在脉冲反射技术和信号处理技术支持下，超声波检测能够达到非常高的精度，抗干扰能力强，而且检测系统的成本较低。(a)壁面拉伤图1液压支柱内壁损伤形貌质点传播方向拉伸质点振动方向(a)横波传递质点传播方向质点振动方向(b)纵波传递图2 超声波类型1.2系统功能设计根据液压支柱的损伤测试目标，设计系统主要功能为：（1）系统能够获得较高的控制精度和检测精度，包括各个运动执行机构和数据检测单元，具有良好的抗干扰和数据补偿能力；（2）系统的稳定性良好，对于超声波探头的耦合、扫描和信号处理有着控制效果，数据实时性不低于0.1 s,厚度检测降低不低于0.5 mm;（3）系统具备多种通讯手段，包括有线传输和无线传输，确保通讯的同步率不低于99%；控制指令具有交互性，当系统出现故障时,能够及时中断,避免错误数据。1.3总体结构设计为实现液压支柱损伤检测的全自动运行，根据功40能特点将系统分为三轴控制系统和超声测厚系统。其中，自动化机构又分为集成的复合旋转机构、行进驱动机构、管道表面预处理机构等,在设计和控制过程中均可模块化。超声测厚系统包括控制主机和超声探头两部分，主要用于相关信号的发送、接收、处理、传输和存储。数据采集单元作为液压支柱检测系统的核心组成部分，又可以划分出多个功能模块，比如信号放大模块、电源管理模块、通讯模块、信号追踪模块等。为降低系统整体质量，改善灵活性，将测厚系统设置为移动电源供电。为实现液压支柱的连续检测，确保充放电的可靠性，系统外围增加功率平衡电路和稳压模块，能够有效缩减系统体积和质量。系统检测数据的无线传输采用蓝牙串口模式，在上位机中能够实(b)腐蚀性点蚀时显示信息。1.4信号检测模块设计超声波信号属于典型的模拟信号，因此需要在系统内设置模数转换单元 9。同时，由于初始信号相对较弱,因此需要首先进行信号的放大处理 10 。超声波的信号接收电路如图3所示，信号经过两级放大后进压缩人控制器。信号的放大在一定程度上会引起失真和不稳定，因此需要选用合理的运放比例、带宽乘积参数和抑制系数。此外，被测的信号的强弱与探头的耦合效果也有着一定的关系。在自动化检测过程中,耦合剂在液压支柱外表面的涂抹非常不便，而且批量扫描式检测消耗的耦合剂成本较高，为此采用浸水机构代替剪切力耦合剂作用。图3超声波信号接收与放大电路信号显示终端电路如图4 所示，输出信号通过AT89S51处理后以数字量形式显示。根据液压支柱的检测条件求可知,系统在运行过程中会激发一些低频噪声。为进一步改善信号检测模块的精度和可靠性,降低外部干扰信号带来的影响,在模块外围电路中增加预置滤波单元,对于噪声信号的处理有着良好的效果，包括信号的接受和发送阶段。检测结果在测厚系统中显示的同时，能够通过蓝牙无线传输至上位机。VCC非3A25LM567R8至INTO6Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024P0.02.2运动控制模块P1.0aP0.6gINTOP2.0P2.3AT89S51P2.7图4 信号显示终端电路2系统结构与控制系统设计2.1主探伤模块主探伤模块的总体结构如图5 所示，安装在径向导轨机构上方，包括超声测厚系统、超声波探头和耦合机构三部分。其中,超声测厚系统固定在机器框架顶部，便于现场参数调节、数据读取和数据无线传输。超声探头表面包裹水凝膜，每秒可发射4 次超声信号，即采样频率为4 Hz。耦合机构固定在辅助运动机构上，分为上下两层，由弹簧的弹力控制超声探头与管壁之间的压力。由于内部结构较为复杂，因此耦合机构采用3D打印技术制备，两侧通入循环的常温水，保证在进行无损检测工作时探头和管壁有良好的耦合性。超声测厚系统可以将实时数据通过蓝牙串口或usb 接口载入PC电脑，便于后续的数据处理。结果显示VccSP运动控制机构包括旋转运动机构，如图6 a所示，局部直线进给机构，如图6 b所示，全局直线进给机构，如图6 c所示,以及导轨机构，如图6 d所示。旋转运动机构由伺服电机、联轴器、包胶滚筒和普通滚筒组成，扭矩为12 Nm的伺服电机与联轴器相连,联轴器与1个包胶滚筒相连带动包胶滚筒转动，包胶滚筒通过摩擦力带动石油管道转动，同时带动3个普通滚筒转动。局部直线进给机构由滚珠丝杠系统、支撑架等组成，能够在全局直线进给机构基础上进行径向方向的微调运动，便于管道损伤位置的精准查找和定位。全局直线进给机构由伺服电机、同步带轮、同步皮带、小车和导轨组成，同步带一部分固定在小车上，小车可沿导轨滑动，小车上方是固定在小车上的丝杠及整个机器框架。电机通过同步带轮和同步带带动小车沿导轨行进，实现整个管道探伤的自动化。(a)旋转运动机构(b）局部直线进给机构(c）全局直线进给机构图6 运动控制模块的结构与组成(d)导轨机构(a）超声探头安装位置图7 预处理模块的结构与组成2.3子预处理模块预处理机构如图7 所示，由水箱、水泵、循环浸水机构和除尘机构组成，各预处理机构均固定在机器整(b)框架结构三维图体框架上。循环浸水机构的作用是预湿润管壁，确保图5 主探伤模块的总体结构稳定的水膜厚度，冲洗去易脱落的杂物，并且为探头和41液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期管壁耦合提供稳定的介质；除尘机构设置在探头前方，其作用是打磨管壁,除去铁锈和不易脱落的杂物,改善管道外表面的平整度。水箱、水泵的主要功能为给循环浸水机构和探伤机构提供水源。2.4控制系统设计控制系统由控制器、驱动器、编码器、传感器等组成，主要通过程序设计完成对不同电机的统一控制，可手动调节各个电机的转角、转速，也可通过编程自动实现。伺服系统控制面板如图8 所示，通过控制器编程让3个主电机按程序运行，包括滚筒转动、主探伤结构径向运动等，使探伤系统以螺旋线的形式对整个管壁进行数据采集。通过这种以线代面、点密成线的方法测得管壁的数值。有数据缺陷的地方再用丝杠带动探伤系统再次细化测试路径，便于精确探伤，测得的数据将同步地在测厚系统和PC端显示。超声检测系统的参数设置面板如图9 所示，初始化校正后，能够根据环境温度、湿度等设置误差补偿。初始化校正内容包括声速设定、扫描频率调节、残差清除等。由于不同的材料对应的声速不同,因此在测量之前需要选用合适的标准块进行校正。在扫描模式下，系统能够自动实时采集并显示支柱损伤的最大值、最小值和平均值等。自动热行21079.9258564.18439.614160.954图8 伺服系统面板4.00图9测厚系统面板3结论所设计的液压支柱损伤检测系统能够有效克服当前检测方案存在的不足，避免临界压力问题导致的漏检。基于超声波传感技术，该系统能够实现全覆盖式和扫描式损伤检测，不但能够实现液压支柱内壁损伤量或腐蚀量的规律性和全面性检测，而且可实现高效、自动化运行，解决漏检和损伤定位不准确等问题。通过研究可得出以下结论：（1）该检测方案不受管道内壁黏着物或涂层材料影响,经济效益和市场效益显著；（2）系统具有多自由度结构,10 m的管道的检测周期小于8 min,各机构能够根据程序自动运行,检测过程能够完全脱离人工干预；（3）系统能够有效排除管道温度、湿度、内部黏着物、涂层等对壁厚数据的干扰，数据测量精度不低于0.05mm,实适用于批量检测。参考文献1蒋劭杰.煤矿井下液压支架油缸泄漏故障及维修探讨J.矿业装备,2 0 2 2(3)：12 8-12 9.2蒋龙，许艳蒲，陈文，等.一种液压机构储能行程监测装置的设计 J.机械设计与制造工程，2 0 2 1,5 0（8）：4 5-4 9.3吴晋军.悬臂式掘进机液压故障诊断系统设计 J.液压气动与密封,2 0 2 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