郭吉萍,吳鳴,胡錦揚(yáng),王善林,陳玉華
一種新式輥齒自適應(yīng)堆焊修復(fù)設(shè)備
郭吉萍a,吳鳴b,胡錦揚(yáng)b,王善林b,陳玉華b
(南昌航空大學(xué) a. 科技學(xué)院 共青城;b. 江西省航空構(gòu)件成形與連接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330036)
針對目前輥齒堆焊修復(fù)模式單一,單面修復(fù)導(dǎo)致的熱變形大、易產(chǎn)生裂紋等問題,設(shè)計(jì)一種新式輥齒自適應(yīng)堆焊修復(fù)設(shè)備。設(shè)備采用一種凹形夾持裝置,通過對輥齒雙面同時(shí)修復(fù)以降低修復(fù)過程所產(chǎn)生的熱變形,并將修復(fù)夾持裝置設(shè)置為可活動(dòng)式結(jié)構(gòu),以便適應(yīng)不同厚度的輥齒修復(fù),提高輥齒的修復(fù)效率。對不同磨損程度的輥齒,系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇小角度、大角度或非對稱模式進(jìn)行修復(fù);修復(fù)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(fù)缺陷。開發(fā)的新型的單輥輥齒修復(fù)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)單輥輥齒自適應(yīng)修復(fù)。
輥齒式破碎機(jī);修復(fù);堆焊;機(jī)器識(shí)別
破碎作為現(xiàn)代加工工業(yè)中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié),在礦石、化工、建材、煤炭等多個(gè)領(lǐng)域具有重要的作用[1]。從近些年來的經(jīng)濟(jì)成本中看,破碎環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的費(fèi)用占據(jù)相關(guān)行業(yè)總費(fèi)用的40%以上,設(shè)備費(fèi)用則占據(jù)破碎總費(fèi)用的60%以上,而破碎機(jī)便是破碎環(huán)節(jié)中廣為運(yùn)用的一種設(shè)備。根據(jù)破碎機(jī)結(jié)構(gòu)以及功能的不同,破碎機(jī)可分為鄂式破碎機(jī)、旋轉(zhuǎn)式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)以及齒輥式破碎機(jī)[2]。近十年來,隨著人們對破碎過程的認(rèn)識(shí),諸多破碎技術(shù)方法被相關(guān)學(xué)者提出,各種新材料和工藝被用于破碎機(jī)中,使破碎設(shè)備的可靠性、耐磨性大幅度提升。
齒輥式破碎機(jī)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(shè)備中脫穎而出,被廣泛運(yùn)用于礦石和煤炭等領(lǐng)域。齒輥式破碎機(jī)主要采用齒輥結(jié)構(gòu)對物體進(jìn)行破碎,其中齒輥低速旋轉(zhuǎn)可對礦石、煤礦等進(jìn)行擠壓破碎,而高速旋轉(zhuǎn)則可進(jìn)行劈裂破碎,從而實(shí)現(xiàn)不同物料不同粒度的需求以及達(dá)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(jī)分為單齒、雙齒以及四齒輥式破碎機(jī)(圖1為單齒輥破碎機(jī))[4—5]。由于設(shè)備長時(shí)間高負(fù)荷進(jìn)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(shí)極易造成表面磨損不均勻、剝落甚至斷齒現(xiàn)象,嚴(yán)重影響工作效率,因而必須對齒輥進(jìn)行更換或者修復(fù)[6—7],但是對于大型齒輥式破碎機(jī),更換齒輥成本高昂,為節(jié)約成本,一般采用修復(fù)工藝進(jìn)行維修[8]。目前修復(fù)方式可分為3種:切削修復(fù)、堆焊修復(fù)以及噴涂修復(fù)。切削修復(fù)利用刀具將磨損部分進(jìn)行切除以使表面光滑;堆焊修復(fù)采用焊接技術(shù),利用合適的合金堆焊于磨損部分,補(bǔ)平缺口;噴涂修復(fù)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(fù)具有成本低廉、操作簡單的優(yōu)點(diǎn),但是該種方法使用次數(shù)有限,當(dāng)齒輥厚度低于使用要求時(shí),無法再使用該技術(shù)。噴涂修復(fù)的輥面具有組織均勻、氧化物少等優(yōu)點(diǎn),然而在修復(fù)過程中噪聲污染較大。經(jīng)堆焊修復(fù)的部分能夠得到較好的耐磨性和硬度,然而在修復(fù)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(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)械設(shè)備來代替人工操作,使用時(shí)先在輥齒一面進(jìn)行修復(fù),隨后進(jìn)行另一面修復(fù),但由于修復(fù)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(jī)
為解決該問題,文中設(shè)計(jì)一種新式自適應(yīng)堆焊設(shè)備,該設(shè)備通過雙面同時(shí)堆焊修復(fù)以降低輥齒受熱變形所帶來的缺陷,并提高輥齒的修復(fù)效率;另外依托于圖像識(shí)別系統(tǒng),針對輥齒表面不同磨損程度設(shè)置了3種修復(fù)模式,以期達(dá)到最佳修復(fù)效果。
傳統(tǒng)堆焊設(shè)備采用架設(shè)于支撐架上的焊槍對輥齒面進(jìn)行修復(fù),支撐架受數(shù)控系統(tǒng)控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)堆焊的順利進(jìn)行。該種設(shè)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(jìn)行修復(fù),對于磨損嚴(yán)重部分修復(fù)程度不夠,并且修復(fù)后的齒面平整度較差,后續(xù)還需采用人工補(bǔ)修。另外,該種設(shè)備由于一次只修復(fù)一個(gè)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(fù)裝置設(shè)計(jì)為雙面同時(shí)修復(fù),并且能夠針對不同齒面的磨損程度采用不同的修復(fù)速度和模式,將大大提高堆焊修復(fù)質(zhì)量,提高輥齒使用壽命。
新型堆焊修復(fù)設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)裝置、夾持裝置、工作模塊、移動(dòng)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(dòng)裝置主要由為各裝置提供動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)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(tái)、滑塊以及滑座組成,可進(jìn)行間距調(diào)整,以滿足不同厚度輥齒的修復(fù)。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(jìn)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(dòng)連桿、小連接臂、大連接臂以及底座。其中活動(dòng)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(dòng)連接。其中活動(dòng)連桿與活動(dòng)連桿可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),以配合可調(diào)式支架來適應(yīng)平整度差距較大的輥齒面進(jìn)行修復(fù)。移動(dòng)裝置用于設(shè)備在不同輥齒之間進(jìn)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(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行快速移動(dòng)。監(jiān)控系統(tǒng)對各裝置位置進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)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(yù)先設(shè)置的信息進(jìn)行處理,從而對設(shè)備位置、焊槍出絲速度和進(jìn)給速度進(jìn)行調(diào)整。文中控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)了3種修復(fù)模式,可根據(jù)輥齒面不同情況進(jìn)行自動(dòng)選擇。
1.單輥齒破碎機(jī);2.輥齒;3.修復(fù)面;4.修復(fù)焊槍;4A.測距傳感器;5.支架;5A.L型支架;6.滑臺(tái);6A.滑座;6B.滑塊; 7.活動(dòng)連桿;8.小連接臂;9.第一電機(jī);10.大連接臂;11.第二電機(jī);12.底座;13.第三電機(jī);14.齒條;15.地軌; 15A.距離傳感器;15B.地軌壓塊;16.控制臺(tái)
圖3 修復(fù)設(shè)備實(shí)物
齒輥式破碎機(jī)在工作時(shí)由于輥齒之間工作強(qiáng)度、物料尺徑的差異,導(dǎo)致磨損程度各不相同。有些輥齒表面磨損程度小,此時(shí)選擇簡單修復(fù)便能恢復(fù)使用性能。有些輥齒會(huì)發(fā)生大面積磨損、剝落,此時(shí)修復(fù)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(jìn)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(shè)備特別設(shè)置3種修復(fù)模式,分別為小角度修復(fù)模式、大角度修復(fù)模式和非對稱修復(fù)模式,如圖4所示。小角度修復(fù)模式下焊槍功率小,焊接和送絲速度較快,用于修復(fù)層較薄的齒面;大角度修復(fù)模式針對較厚的修復(fù)層,焊接功率更大,但焊接和送絲速度相較小修復(fù)模式大幅度下降。非對稱模式主要用于修補(bǔ)凹坑以及雙面磨損位置非對稱情況。
修復(fù)前,CCD攝像頭首先對輥齒面進(jìn)行掃描,確定表面形貌,同時(shí)位于焊槍側(cè)的測距傳感器會(huì)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(jìn)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(fù)模式。對于磨損程度十分嚴(yán)重的輥齒面,本設(shè)備可使用3種修復(fù)模式搭配使用。例如,輥齒面修復(fù)層較厚且存在較多高低不平的凹坑,設(shè)備可以先啟用非對稱模式將凹坑進(jìn)行修補(bǔ),隨后啟用大角度修復(fù)模式進(jìn)行堆焊,最后采用小角度修復(fù)模式來進(jìn)一步增加表面的平整度。
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(zhǔn)定位至待修復(fù)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(jī)器識(shí)別系統(tǒng),用于待修復(fù)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(shù)進(jìn)行輪廓提取以及邊緣識(shí)別;隨后測距傳感器測量輥齒各表面到基準(zhǔn)面的距離,并將數(shù)據(jù)傳送至信息處理芯片,此時(shí)芯片將表面輪廓以及距離信息進(jìn)行綜合,從而判斷優(yōu)先使用的修復(fù)模式,如圖5所示。
4.修復(fù)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(dòng)角度.
圖5 基于機(jī)器識(shí)別自動(dòng)選擇修復(fù)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(jìn)一步提升識(shí)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(gè)像素點(diǎn)都設(shè)置為255或者0,即將圖像進(jìn)行黑白化[12—13]。對圖像進(jìn)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(jìn)行細(xì)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(jìn)行修剪,從而達(dá)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(gè)結(jié)構(gòu)元素,首先用結(jié)構(gòu)元素A對B進(jìn)行像素掃描,將掃描出的重復(fù)像素采用邏輯算法進(jìn)行運(yùn)算,如果計(jì)算出的結(jié)果為1,則將該點(diǎn)的灰度設(shè)置為黑色,即255,反之則為白色。膨脹算法[16]將圖像進(jìn)行完整化處理,將圖像間斷處進(jìn)行優(yōu)化,其原理為某圖像具有A和B兩個(gè)結(jié)構(gòu)元素,首先用結(jié)構(gòu)元素A對B進(jìn)行像素掃描,隨后對掃描出的重復(fù)像素采用邏輯算法進(jìn)行運(yùn)算,如果計(jì)算出的結(jié)果為0,則將該點(diǎn)的灰度設(shè)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(diǎn)。
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(shí)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(kuò)展,導(dǎo)致工作層分層剝落,屬于明顯的疲勞斷裂。對該輥齒進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后效果如圖6b所示。修復(fù)表面層與層之間結(jié)合緊密、平整美觀,這是由于修復(fù)采用多道堆焊,后一道修復(fù)焊縫會(huì)對前一道進(jìn)行一定的壓道作用。對修復(fù)面進(jìn)行切樣分析,如圖6c所示,下側(cè)為輥齒基面,上端為修復(fù)層,齒面與修復(fù)層結(jié)合良好、未見明顯氣孔、夾渣和裂紋,證明該種設(shè)備修復(fù)效果良好。
圖6 輥齒形貌及修復(fù)層顯微組織
針對目前輥齒修復(fù)過程中修復(fù)模式單一、容易出現(xiàn)熱變形等不足之處,設(shè)計(jì)了一種新式自適應(yīng)堆焊修復(fù)設(shè)備。該設(shè)備通過輥齒雙面同時(shí)修復(fù),以降低修復(fù)過程所產(chǎn)生的熱變形,并將修復(fù)夾持裝置設(shè)置為可活動(dòng)式結(jié)構(gòu),以便適應(yīng)不同厚度的輥齒修復(fù),并提高輥齒的修復(fù)效率。另外本設(shè)備依托于機(jī)器識(shí)別技術(shù),針對輥齒表面不同的磨損程度設(shè)置了3種修復(fù)模式,從而達(dá)到最佳修復(fù)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(xué)基金(51865035);江西省杰出青年基金(2018ACB21016);國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(JCKY-2018401C003)
郭吉萍(1971—),女,碩士,講師,主要研究方向?yàn)楹附庸に嚰靶畔⒒?/p>
陳玉華(1979—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樾虏牧霞爱惙N材料連接。