—种异种金属焊缝超声自动检查装置传动系统仿真研究

0引言

异种金属焊缝大多布置在核电站一回路管道上。和同种金属焊缝相比,异种金属焊缝焊接工艺更加复杂,为达到同种金属焊缝同等级的质量,需付出更多的时间和精力。异种金属焊缝位置的冶金、金相组织结构复杂,存在较粗大的柱状晶,焊接过程中较容易产生制造缺陷,这种制造过程中的缺陷,在长期高温、高压、辐照的在役条件下容易产生气泡、裂纹等缺陷,有缺陷的焊缝在缺陷处容易发生断裂^[1-2],这样便会使一回路带放射性的冷却剂沿缺陷位置发生泄漏,从而导致严重的安全事故。因此,必须定期对该类焊缝进行检查。

超声检测是指利用超声波传入工件,与工件相互作用产生反射、透射和散射的波进行分析,从而对工件进行缺陷检测^[3]。由于超声检测具有检测成本低、速度快、灵敏度高、仪器轻,对现场环境要求低等优点,其在核电站设备的无损检验中应用广泛^[4-5]。压力容器顶盖结构如图1所示,仪表测量管焊接在顶盖圆形球面上方,仪表测量管的轴线与顶盖轴线平行,其上方有挡流板,圆周方向有下筒体、顶盖及CRDM管等障碍物,安装和检查过程中要避开此类障碍物。目前没有专门针对该异种金属焊缝外表面超声自动检查的装备应用,为了确保检查数据可以 自动存储和反复查询,为项目人员实施数据分析与数据复核带来便利,需要研制一种仪表测量管异种金属焊缝外表面超声自动检查工具,该装置须能代替人工进行检查,防止人员长时间在此高剂量辐照区环境中工作。

1 异种金属焊缝超声自动检查工具结构

图2所示为异种金属焊缝超声自动检查工具示意图,它由模拟体、紧固部件、旋转部件、轴向部件、分水部件、探头夹持器等零部件组成,笔者主要对旋转部件及轴向部件传动系统进行研究。

2轴向部件传动系统

轴向部件主要由电机、减速机、直线导轨副、丝杆滑块副等零部件组成,其中驱动元件带动减速机旋转运动,电机正反旋转,带动丝杆正反旋转,在直线导轨副的限制下,丝杆螺母只能沿丝杆轴心线上下运动,分水部件与探头夹持器安装于丝杆螺母上,从而带动探头沿仪表管轴线进行轴向扫查运动。直线运动轴研究流程如图3所示。

3旋转部件传动系统

旋转部件主要由基座、齿轮传动副、电机、减速机、滚轮副等零部件组成,旋转部件基座与紧固部件螺纹连接,便于对旋转部件不运动部件进行固定,为整个设备提供支撑。直线部件安装于旋转部件电机安装板上方,旋转电机的旋转带动齿轮副旋转,从而带动整个轴向部件、分水部件及探头夹持器整体沿顶盖仪表管轴心线旋转,以实现沿顶盖仪表测量管圆周方向进行周向检查。其研究流程如图4所示。

旋转运动轴齿轮传动为关键件,需要对齿轮传动功率、转速、模数、厚度、材料等重要参数进行仿真分析,最后确定其重要参数,最终确保所研究的检查装置符合使用要求,性能稳定。

驱动组件电机功率0.06 kw,转速6 500 r/min,齿轮材质为3cr13,热处理,模数为1,主动轮齿轮齿数为34,厚度为10 mm,传动中心距为153 mm,其计算结果如图5所示,其接触应力和弯曲应力均满足齿轮使用要求。

电机输出扭矩为0.08 N.m,经过51倍减速比后,齿轮需要承受的扭矩为4 N.m。其受力仿真计算示意图如图6所示。仿真计算安全系数约为正常工况的6.81倍。

4 设备调试

检查装置多次在实验大厅简易调试模拟体、综合调试模拟体完成调试,经检查,传动系统在调试过程中运行平稳,无明显阻碍,传动轴在手动旋转情况下,在全行程范围内无明显卡涩现象,在模拟体上模拟现场检查过程,满足现场检查要求。该检查工具在大厅调试示意图如图7所示。

5结论

在顶盖仪表测量管异种金属焊缝超声外表面自 动检查工具开发过程中,需要开发一个沿顶盖仪表测量管轴线方向运动的直线运动部件,同时,还需要开发一个沿顶盖仪表测量管轴心线旋转的圆周运动部件,两个运动组件可以联动,实现外表面自动检查。本文对顶盖仪表测量过程中轴向部件、周向部件中传动件及传动系统中关键件进行流程研究与仿真计算分析,最终确保了所研发检查装置能满足项 目技术要求,从轴向和周向两个方向对焊缝进行自动超声检查。

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《机电信息》2025年第11期第9篇