CN104760814B - 一种轮式超声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波无损探伤范畴，具体是用于现场探测橡胶输送带划痕和撕裂的一种轮式超声波传感器。包括支撑架、轮轴、超声波发射或者接收器件、轮胎，轮轴安装在支撑架上，轮轴中部有圆台，轮轴中部圆台的顶端设安装孔，其内装有超声波发射或者接收器件，轮轴两端中空，其中一端与圆台顶端安装孔相通，另一端与轮胎内腔相通。两个轮辋轴心内嵌轴承和轴向密封件，并套装在轮轴两端，轮胎两侧分别被压盘通过沉头螺钉紧固安装在轮辋上。轮胎内腔中空，内充满压力为15‑10psi的透声液。在工作状态下，轮胎向上正压在输送带的下表面，轮胎在输送带静摩擦力作用下绕轮轴转动，超声波发射或者接收器件始终位于轮轴线正上方。

Description

一种轮式超声波传感器

技术领域

本发明涉及超声波无损探伤范畴，具体是用于现场探测橡胶输送带划痕和撕裂的一种轮式超声波传感器。

背景技术

带式输送机连续运输能力强、运行效率高、易于实现自动控制，已经广泛用于各种大宗物料的运输。输送带是带式运输机的重要组成部分，输送带主要有普通帆布芯皮带，合成纤维芯皮带，钢丝绳芯皮带等。随着皮带输送机朝着高速度、大规模、超长距离、大倾角的方向发展，钢丝绳芯皮带也越来越得到广泛的使用。钢丝绳芯输送带极大地提高了拉伸强度，但其纵向抗撕裂的能力却没有得到提高，仅为橡胶本身的强度，因而容易造成纵向撕裂。带式输送机是厂矿生产运输的大动脉，一旦发生纵向撕裂，将会带来极大的直接和间接损失；尤其是高速度、长距离、大倾角的钢丝绳芯输送带，其损失更大。

输送带纵向撕裂事故时有发生，价值数百万元甚至更多的输送带，一旦发生纵向撕裂事故，在很短时间内可能全部毁坏，造成巨大的经济损失。即使能够修补，也需要相当的人力和时间，对正常生产产生极大的影响。近几年中国皮带输送机的使用量越来越大，其应用的范围越来越广，发生纵向撕裂的事故也越来越频繁。

研制一种可靠实用的输送带纵向撕裂监控装置变的十分必要和紧迫,实现对输送带纵向撕裂故障的及时发现、及时停机，将损失降低到最小。

近年国内外对胶带的运行理论、纵向撕裂机理和防撕裂应用技术进行过一定研究与开发，研制了多种多样的撕裂监测装置，归纳起来主要有以下几种类型：

（1）成像法

该方法利用表面变位传感器（红外或激光）测“裂缝”，主要采用高精度红外线传感器，准确判断皮带裂缝的长度及宽度，也可监控皮带表面的异常情况。系统由CCD高精度红外线传感器、电源、程序控制器、总控制系统、声光报警器、液晶显示、防爆外壳及自动清洗装置等部分组成。系统上电后自动检测皮带机运行的速度，进入检测状态。当皮带被异物穿透导致皮带出现撕裂裂缝、重叠、漏煤、带宽变窄及异常跑偏时，检测装置能够在最快的时间内输出跳闸信号，停止皮带机的运行并发出声光报警信号，提示用户采取措施。由于输送系统运行环境一般比较差，粉尘、泥水容易污染监控设备，所以需要采用喷洗水装置，定期对监控器表面的粉尘、污垢进行自动清洗，否则会使系统失效。

（2）嵌入法

这种方法通常是采用在皮带中或是皮带表面预埋设金属导线、线圈、磁性物质或是某种导电、导磁材料等方法，检测设备通过监测皮带中预埋物的完整性来判断皮带是否发生纵向撕裂。

19年代末，英、德就开始采用在皮带中埋设金属导线的方法。但由于皮带的连续运动，不可避免地会产生滚切的持续应力，使金属导线遭受磨损而断裂。为了克服这个缺点，英国应用摩擦系数较小的聚脂纤维做成的空心管套在导线外面，并硫化在皮带内，保护导线不产生疲劳损坏。

以前研制的在皮带中埋设导线的检测装置的另一个缺点是导线和皮带上的橡胶混合物之间常因时间长而容易发生化学反应，从而破坏了导线接头的导电性，导致误动作。为了解决这个问题，德国用直径较小的镀锌钢绳作为导线，该导线埋设在距皮带承载而一定距离的皮带上面层内，平行于皮带表面。在导线的接头区内，相对的导线互相拧紧，导线接头处的折合端罩有轻合金护套，从而使导线避免接触皮带上部的橡胶混合物，提高了系统的可靠性。还有些国家在皮带中埋设导电橡胶、光导纤维等。此类保护装置的缺点是工艺复杂、成本高。另外，从某种意义上说，由于嵌入物与橡胶间有一个相融性的问题，如果处理不善，会降低皮带的强度。

嵌入法检测装置在实际应用中有很大的局限性：

①、此类保护装置是工艺复杂、成本高；

②、无法应用于大量已经安装运行的皮带的检测；

③、容易误判断，影响生产；

④、由于皮带内嵌入检测物质，对皮带用户的维护提出了更高的要求。

（3）X光透视法

X光透视检测器X射线穿透材料时，材料如有局部性异常存在，则透过该部位射线强度的衰减将出现与周围正常透过该部位射线强度的衰减存在相异的值。这种检测装置通过在胶带内织入横向的金属片或金属网，一旦纵向或者横向撕裂，这些金属片断裂，X光透视仪就会及时发出报警信号或使输送机停机。

优点：测量精度较高，不会发生误动作。

缺点：结构复杂，胶带内衬入金属网增加了皮带成本；设备体积大；存在辐射。

（4）探漏法

采用探漏法作为纵向撕裂报警装置，其核心思想是发生纵向撕裂后，在皮带的撕裂处有物料伸出皮带裂缝或是物料泄漏。由此产生了棒型检测器、弦线式装置、漏料检测器等。棒型检测器是把一根棒或管子弯曲成槽形托辊状，安装在槽形输送带下面的缓冲托辊之间而成。这样，如有刺穿输送带的物料，该物料将拨动槽形棒偏转，迫使限位开关或载荷传感器动作，使带式输送机停止运转。弦线式装置与棒式检测器相类似，该装置由尼龙线作为探头，将其安置在缓冲托辊之间穿过小孔与槽形带下表面贴合，线的一端装一个弹簧限位开关。当刺穿输送带的物料绊住此线时，把线拉断或张力增加，均可使限位开关动作。漏料检测器由托盘、支点、平衡锤和开关等组成。当输送带被纵向撕裂后，输送带上的物料通过裂口泄漏到托盘里，物料的重量克服平衡锤的重量，使整个装置绕支点转动，迫使限位开关动作。

由于探漏法是以皮带纵向撕裂后裂口变宽，从而导致物料伸出或是泄漏的原理为基础，所以一旦皮带撕裂后，如果皮带没有裂口或是裂口不够宽，就不会发生物料伸出皮带裂缝或是泄漏，则这种方法将无法探测。当输送带被纵向撕裂后，只有输送带上有物料且输送带的裂口足以使物料泄漏时，此装置才能起作用，否则就没有什么用途。

综上所述，至今仍没有较为理想的，可以有效预防纵向撕裂的探测方法以及应用于实践的装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种超声波传感器，有效地对橡胶输送带纵向撕裂进行探测。

本发明所采用的技术方案是：一种轮式超声波传感器，包括支撑架、轮轴、超声波发射或者接收器件、轮胎，轮轴安装在支撑架上，轮轴中部有圆台，轮轴中部圆台的顶端设安装孔，其内装有超声波发射或者接收器件。轮轴两端中空，其中一端与圆台顶端的安装孔相通，另一端与轮胎内腔相通。两个轮辋轴心内嵌轴承和轴向密封件，并套装在轮轴两端，轮胎两侧分别被压盘通过沉头螺钉紧固安装在轮辋上。轮胎内腔中空，充满压力为15-10psi的透声液。工作状态下，轮胎向上正压在输送带的下表面，轮胎在输送带静摩擦力作用下绕轮轴转动，超声波发射或者接收器件始终处于轮轴轴线的正上方。本发明装置可以在橡胶输送带的驱动下自由转动，超声波发射或者接收器件安装在轮轴中部圆台顶端，通过透声液和轮胎外膜发射、接收超声波。

作为一种优选方式：支撑架有两个分叉支腿，每个分叉支腿上部有一个圆孔，轮轴末端中部有圆台，轮轴两端通过圆孔固定安装在两个分叉支腿上。本优选方式可以把轮轴固定在支撑架上，稳定可靠。

作为一种优选方式：透声液为水和乙二醇的防冻剂的混合物。轮胎由具有弹性的材料如聚氨酯制成，内腔充满压力为15-10psi的透声液，透声液中超声波损失很少，能够看作是超声波发射或者接收器件和轮胎之间唯一的传送介质。

作为一种优选方式：轮胎的外径大于等于20cm，轮胎胎面宽度大于等于8cm，在轮胎工作受挤压状态时，超声波发射或者接收器件距离轮胎内胎面小于等于5cm。轮胎被向上正压在橡胶输送机输送带的下表面，在胶带的静摩擦驱动下，轮胎在轮轴上自由转动，在正压力的作用下，轮胎的顶端外围面与输送带下表面形成滚动接触区，以保证超声波发射或者接收器件和输送带之间的超声波传播。

作为一种优选方式：超声波发射或者接收器件所发射或者接收的超声波方向与轮轴的夹角为+0°~+3°，为超声波从透声液倾斜入射到轮胎外膜纵波全反射的临界角。

超声横波的产生，多用波型转换的方法，根据超声波原理，当纵波从第一介质(透声液)倾斜入射到第二介质(轮胎)，使纵波全反射时，可产生横波。使纵波全反射，只产生横波的条件为：

，,式中：α为倾斜入射角，为纵波全反射的临界角，C_L1--第一介质的纵波速度，C_L2--第二介质的纵波速度。α夹角应稍大于超声波从透声液倾斜入射到轮胎外膜纵波全反射的临界角 ，优选+0°~+3°时传送效果最佳。

附图说明

图1是本发明超声波传感器安装到输送带下的示意图；

图2是图1中剖面线2-2处剖面示意图；

图3是图2中剖面线3-3处所见的轮式超声波传感器内部结构剖面图示意图。

具体实施方式

如图2和图3所示，支撑架16有两个分叉支腿17、18，一根带圆台（轮轴中部为圆台）轮轴19被挡圈23、24可调松紧地固定在支腿上，以便能把轮组件安装在支撑架16上，轮轴19被紧固在分叉支腿17、18上后，就被锁死在支撑架上而不能转动。超声波轮组件包括两个轮辋25、27，其内嵌轴承28、29，以便轮辋25、27在轮轴19上自由地转动，轮胎30被压盘31、32通过沉头螺钉33紧固安装在轮辋25、27上让其实现转动，超声波器件（超声波发射或者接收换能器）26安装在圆台34的孔内，轮轴19两端中空，其中一端与圆台上安装超声波发射或者接收器件的孔相通，此孔用于引出超声波发射或者接收器件的数据线，另一端与轮胎内腔相通，此孔用于把透声液35灌入轮胎30内腔。

轮胎30由具有弹性的材料如聚氨酯制成，内腔充满压力为15-10psi的透声液35，轮辋25、27上的轴向密封件36、37套在轮轴19上，防止透声液35从轴承间隙渗漏，透声液35优选为水和乙二醇的防冻剂的混合物。

超声波在轮胎内腔通过透声液35传播，轮胎30的外径不少于20cm，轮胎胎面宽度不小于8cm，在轮胎工作受挤压状态时，超声波器件26距离轮胎内胎面径向距离不多余5cm。

轮胎30被向上正压在橡胶输送机输送带11的下表面，在胶带的静摩擦驱动下，带有轮辋25、27的轮胎30在轮轴19上自由转动，在正压力的作用下，轮胎30的顶端外围面与输送带11下表面形成滚动接触区，以保证超声波器件26和输送带11之间的超声波传播。

超声波器件26向上发射超声波15，穿过透声液35和轮胎30，以横波形式进入橡胶输送带11，然后在输送带11上下表面多次发射向前传播，超声波器件26安装孔轴线与轮轴19的α夹角应稍大于超声波从透声液倾斜入射到轮胎外膜纵波全反射的临界角 ，优选+0°~+3°时传送效果最佳。

如图1所示，1、2、3和4是轮式超声波发射传感器，1’、2’、3’和4’是轮式超声波接收传感器。1和1’、2和2’、3和3’、4和4’，两个构成一组，共四组。每个传感器轮面向上正压在输送带下表面，在输送带驱动下转动，每个轮轴严格垂直于输送带运行方向，同组中的发射传感器和接收传感器的轮轴线位于同一输送带横断面上。

在不偏离本发明原理的情况下，本发明的一些实现细节有很多不同的替代。例如，轮组件能与不同频率的发射、接收换能器组合使用。换能器的安装不局限于圆台形式。只要超声波能够在轮胎和透声液之间传播，轮胎的制作材料可选择聚氨酯、硅橡胶以外的弹性材料。

Claims (5)

1.一种轮式超声波传感器，其特征在于：包括支撑架、轮轴、超声波发射或者接收器件、轮胎，轮轴安装在支撑架上，轮轴中部有圆台，轮轴中部圆台的顶端设安装孔，其内装有超声波发射或者接收器件，轮轴两端中空，其中一端与圆台顶端安装孔相通，另一端与轮胎内腔相通，两个轮辋轴心内嵌轴承和轴向密封件，并套装在轮轴两端，轮胎两侧分别被压盘通过沉头螺钉紧固安装在轮辋上，轮胎内腔中空，内充满压力为15-10psi的透声液，在工作状态下，轮胎向上正压在输送带的下表面，轮胎在输送带静摩擦力作用下绕轮轴转动，超声波发射或者接收器件始终位于轮轴线正上方。

2.根据权利要求1所述的一种轮式超声波传感器，其特征在于：支撑架有两个分叉支腿，每个分叉支腿上部末端有一个圆孔，轮轴中部有圆台，轮轴两端通过圆孔固定安装在两个分叉支腿上。

3.根据权利要求1所述的一种轮式超声波传感器，其特征在于：透声液为水和乙二醇的防冻剂的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种轮式超声波传感器，其特征在于：轮胎的外径大于等于20cm，轮胎胎面宽度大于等于8cm，在轮胎处于工作受挤压状态时，超声波发射或者接收器件与轮胎内胎面的径向距离小于等于5cm。

5.根据权利要求1所述的一种轮式超声波传感器，其特征在于：超声波发射或者接收器件所发射或者接收的超声波方向与轮轴的夹角为+0°~+3°，为超声波从透声液倾斜入射到轮胎外膜纵波全反射的临界角。