CN105675334B - 便携式微创取样机及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开便携式微创取样机及其应用，包括空气压缩机，输气管，弧形铣刀，气动马达，摆动机构，调整机构，固定支座和锁紧链条，以固定支座和锁紧链条将整个机器固定在待取样的试样上，利用调整机构调整弧形铣刀与试样表面的距离，以空气压缩机分别驱动气动马达和摆动机构，以带动弧形铣刀在试样表面进行高效微损取样。本发明的技术方在针对高温下在役设备，可高效、微损从在役设备上切割微小试样，且对金属材料组织无损伤，还可将它应用到焊缝或热影响区等难于取样分析的敏感部位和不具备破坏取样条件的设备及管道的材料取样中，解决在役设备材料性能评估的难题。

Description

便携式微创取样机及其应用

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，更加具体的说，涉及一种便携式气动磨削取样装置，可以高效、稳定从在役设备表面实现取样的装置，具有取样过程平稳、变形小、产热低对材料组织无影响等优点。

背景技术

目前随着中国经济的高速发展，对能源的需求越来越高，造成环境的污染也随之加重，因此提高能源的利用效率、发展新型能源、减少有害气体及温室气体的排放成为经济可持续发展的重要支撑点。在研制新能源的同时，提高工业装置的操作参数是提高现有能源的使用效率和物质转化效率的最有效手段。因此，现代的发电、石油、化工和冶金等工业装置都向着高温、高压、结构大型化的趋势发展。

对于在役设备如压力容器和管道，服役温度和压力较高、服役环境一般恶劣，通常在高温高压和腐蚀条件下运行。随着工业装置向着高温、高压、结构大型化趋势发展，在役设备的服役环境更加恶劣。金属材料在这种条件下长期服役，长期受到拘束应力、热应力、腐蚀、化学等因素的作用，材料会发生劣化，材料性能下降，缩短设备的使用寿命。因此，为了保证在役结构的安全稳定运行，在金属监督或老化寿命评估过程中，需要对服役材料进行性能分析和微观组织结构分析。

目前常规的评估在役设备材料性能的方式主要有：传统无损检测方法和取样试验方法。这两种方法都一直在在役设备评估中发挥着作用，但两者各自有其局限性。传统无损检验方法如覆膜金相和里氏硬度计，虽然操作简单、无损，但是所知的信息量有限，也不足够精确，尤其是近年来随着工艺装置向高温、高压趋势发展，带来大量新型材料的应用，这些新材料使用时间短，对其材料性能把握不是很充分，传统的金相金相分析在老化评估方面己不能满足要求，需要TEM、SEM等更深一步的微观组织分析。传统取样试验法为了评估在役设备服役后的材料性能，往往采用破坏性试验，即要获得材料性能在长期高温高压运行后的材料劣化状况，就需要从在役设备上截取足以完成性能试验的一块试验段。这种方法虽然可以获得材料服役后各种性能参数，但对大多数设备来说，这种做法是不允许的；此外破坏取样后还需要采用焊接方法修复，容易引起附加的二次危害，严重制约了在役设备材料性能评估技术的应用。

为了评估在役设备材料性能演变，迫切需要研发一种便携式且不具破坏性的微小损伤取样设备。此外近年国内专利有“在役设备微试样电火花线切割取样装置”，采用特殊制造的钼丝，利用电火花放电的原理，从在役设备切割微小尺寸试样。这种设备构造设计复杂，需要冷却装置，设备体积庞大，很难实现现场实际应用；而且切割过程钼丝易断，不易推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便携式气动微创取样设备，可以高效从在役设备上切割微小尺寸试样，而且试样的尺寸和大小可控，对在役设备的损伤很小且对金属材料组织无损伤。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

便携式微创取样机，包括空气压缩机，输气管，弧形铣刀，气动马达，摆动机构，调整机构，固定支座和锁紧链条，其中：

固定支座设置在锁紧链条中，在固定支座上设置固定孔，用来固定整个微创取样机；

空气压缩机通过输气管分别与气动马达和摆动气缸相连；

气动马达的主轴与弧形铣刀固定连接，且气动马达与摇臂固定相连；

摆动机构包括摇臂、摆动气缸、第一外壳、第二外壳、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、输出轴，第一外壳和第二外壳固定相连并共同组成壳体，在壳体内设置第一同步带轮和第二同步带轮，第一同步带轮通过同步带和第二同步带轮相连，在第一外壳外侧固定设置摆动气缸，摆动气缸的转子穿过第一外壳与第一同步带轮相连，第二同步带轮的输出轴穿过第一外壳与摇臂相连；

在摆动机构的第二外壳的外侧设置调整机构，包括调整手轮，刻度盘，丝杠支撑座，调整丝杠，滑块，丝杠螺母和锁紧螺母，其中滑块通过螺纹与摆动机构的第二外壳相连，滑块与丝杠螺母通过螺纹固定，丝杠螺母与调整丝杠相连，调整丝杠和调整手轮相连，在调整手轮下方设置刻度盘，用来记录调整丝杠转动的距离，在刻度盘下方设置丝杠支撑座，用以锁紧丝杠防止微创取样机切削过程丝杠发生转动；在滑块的侧面设置加紧螺母，用以锁死滑块的位置，防止取样过程中发生移动。

在上述技术方案中，固定支座通过连接螺栓与锁紧链条连接；锁紧链条之间通过锁紧钉相互连接，在套住并加紧待处理工件(即待切割管道)之后，将锁紧链条的两端进行固定，使用锁紧螺母锁紧位于锁紧链条两端的链条连接块。

在上述技术方案中，空气压缩机通过输气管的第一分路与气动马达相连；空气压缩机通过输气管的第二分路和输气管的第三分路与摆动气缸相连。

在上述技术方案中，弧形铣刀端部有外螺纹，而气动马达的主轴内部有内螺纹，两者通过螺纹实现紧密连接；弧形铣刀是碗状半球壳，半球壳的边缘制备耐磨涂层，采用电镀方法制备，通过耐磨涂层与切割管道的摩擦，实现管道的切削。

在上述技术方案中，在第二外壳上设置标尺，用于测量壳体的高度并调整，标尺长度为第二外壳高度的三分之一到一倍。

在上述技术方案中，在摆动机构中设置同步带张紧机构，其穿过壳体并与同步带相接触，用以保证同步带的张紧力，防止同步带过松无法实现第二同步带轮的转动。

在本发明的技术方案中，摆动机构的两个外壳通过连接结构(螺栓和螺母配合)连接为一个整体，并整体的空腔内设置第一同步带轮、第二同步带轮和同步带；在第一外壳上通过固定螺栓固定摆动气缸，摆动气缸的转子穿过第一外壳与第一同步带轮相连，第二同步带轮的输出轴穿过第一外壳与摇臂相连，并在输出轴上使用套筒予以保护；气动马达通过加持部和加紧螺钉的配合，与摇臂固定为一体，并带动与之连为一体的弧形铣刀。这样一来，通过摆动气缸—第一同步带轮—同步带—第二同步带轮—摇臂—气动马达—弧形铣刀的传递路线，通过摆动气缸的调整即可实现针对弧形铣刀摆动的调整。同理，通过调整机构的调整手轮的转动可带动调整丝杠的转动，进而使与丝杠相连的滑块在丝杠上上下移动，由于弧形铣刀和摆动机构相连，带动摆动机构和弧形铣刀一起上下调整，用以调整弧形铣刀与待切割管道之间距离。

在进行使用时，以固定支座和锁紧链条将整个机器固定在待取样的试样上，利用调整机构调整弧形铣刀与试样表面的距离，以空气压缩机分别驱动气动马达和摆动机构，以带动弧形铣刀在试样表面进行高效微损取样。

与现有技术相比，在本发明的技术方案中，(1)微创取样机采用气动驱动，将优于电动；由于切割过程中刀具和设备表面之间会产生比较大的扭矩，电动驱动柔性差，阻力较大容易导致刀具蹦损；而气动驱动柔性好，阻力较大时驱动力达不到刀具停止转动，不易蹦损刀具，安全性好，提高了切割过程中的稳定性和安全性；(2)采用碗状半球壳形态的弧形铣刀，并在半球壳的边缘采用电镀方法制备耐磨涂层(选择优质耐磨无机陶瓷材料，例如氮化硅、增韧氧化锆；优质合金金属材料，例如高锰合金、抗磨铬铸铁、高碳多元金合钢)，通过转动过程中耐磨涂层与试样表面的摩擦，对试样表面进行切削，切削得到材料将保留在弧形铣刀内部，此时弧形铣刀也是一个很好的试样回收机构，切割效率高，产热低，无需冷却，调整弧形铣刀的大小以实现对在役设备表面损伤小，对金属材料组织无影响的切削；(3)采用链条方式进行固定，可以实现不同管径管道上的安装和使用；(4)采用丝杠—滑块的传动结构，方便地实现根据管径及所需取样大小调整弧形铣刀和试样表面的距离，以控制铣削深度；(5)使用摆动气缸和两个同步带轮进行传动，以使摇臂实现360°旋转，即能够带动弧形铣刀进行全方位的运动，选择270°摆动气缸时，两个同步带轮传动比为4:3，从而将摆动气缸的270°旋转变为摇臂的360°旋转。

本发明中的微创取样机，采用气动马达驱动带动具有耐磨涂层的弧形铣刀旋转切削在役设备表面，切割稳定、切割效率高、对设备损伤小、产热低对金属材料组织无影响且取样均匀；通过调整基座机构的链条长短实现不同管径管道的取样；通过调整调整机构控制弧形铣刀与切割在役设备表面的距离，控制切割试样的尺寸；需要切取小尺寸试样时，提高弧形铣刀与在役设备表面的距离；需要切取大尺寸试样时，降低弧形铣刀与在役设备表面的距离。本发明目可以高效、微损从在役设备上切割试样，且对金属材料组织无损伤，还可将它应用到焊缝或热影响区等难于取样分析的敏感部位和不具备破坏取样条件的设备及管道的材料取样中，解决在役设备材料性能评估的难题，具有广阔应用范围和经济效益。

附图说明

图1是本发明的微创取样机的结构图，其中1为空气压缩机，2为输气管，2-1为输气管的第一分路，2-2为输气管的第二分路，2-3为为输气管的第三分路，3为弧形铣刀，4为摇臂，5为气动马达，6为摆动气缸，7为摆动机构，8为调整机构，9为固定支座，10为锁紧螺母，11为链条连接块，12为锁紧链条，13为待切割管道。

图2是本发明的微创取样机中固定支座和锁紧链条的结构示意图，其中9为固定支座，12为锁紧链条，E1为连接螺栓，E2为锁紧钉，E3为固定孔。

图3是本发明的微创取样机中弧形铣刀的结构示意图，其中3为弧形铣刀，5为气动马达，A1为耐磨涂层。

图4是本发明的微创取样机中摆动机构的结构示意图(1)，其中3为弧形铣刀，4为摇臂，5为气动马达，6为摆动气缸，B1为第二外壳，B2为第一外壳，B3为标尺，B4为输出轴，B5为套筒，B6为同步带张紧机构，B7为加持部，B8为加紧螺钉，B9为固定螺栓，B10为摆动气缸的转子。

图5是本发明的微创取样机中摆动机构的结构示意图(2)，其中C1为固定螺母，C2为第一同步带轮，C3为第二同步带轮，C4为同步带，C5为连接结构，B6为同步带张紧机构，B2为第一外壳。

图6是本发明的微创取样机中调整机构的结构示意图，其中D1为调整手轮，D2为刻度盘，D3为丝杠支撑座，D4为调整丝杠，D5为滑块，D6为丝杠螺母，D7为加紧螺母。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的便携式微创取样机，包括空气压缩机，输气管，弧形铣刀，气动马达，摆动机构，调整机构，固定支座和锁紧链条，其中：

固定支座设置在锁紧链条中，在固定支座上设置固定孔，用来固定整个微创取样机；

空气压缩机通过输气管分别与气动马达和摆动气缸相连；

气动马达的主轴与弧形铣刀固定连接，且气动马达与摇臂固定相连；

摆动机构包括摇臂、摆动气缸、第一外壳、第二外壳、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、输出轴，第一外壳和第二外壳固定相连并共同组成壳体，在壳体内设置第一同步带轮和第二同步带轮，第一同步带轮通过同步带和第二同步带轮相连，在第一外壳外侧固定设置摆动气缸，摆动气缸的转子穿过第一外壳与第一同步带轮相连，第二同步带轮的输出轴穿过第一外壳与摇臂相连；

在摆动机构的第二外壳的外侧设置调整机构，包括调整手轮，刻度盘，丝杠支撑座，调整丝杠，滑块，丝杠螺母和锁紧螺母，其中滑块通过螺纹与摆动机构的第二外壳相连，滑块与丝杠螺母通过螺纹固定，丝杠螺母与调整丝杠相连，调整丝杠和调整手轮相连，在调整手轮下方设置刻度盘，用来记录调整丝杠转动的距离，在刻度盘下方设置丝杠支撑座，用以锁紧丝杠防止微创取样机切削过程丝杠发生转动；在滑块的侧面设置加紧螺母，用以锁死滑块的位置，防止取样过程中发生移动。

在上述技术方案中，固定支座通过连接螺栓与锁紧链条连接；锁紧链条之间通过锁紧钉相互连接，在套住并加紧待处理工件(即待切割管道)之后，将锁紧链条的两端进行固定，使用锁紧螺母锁紧位于锁紧链条两端的链条连接块。

在上述技术方案中，空气压缩机通过输气管的第一分路与气动马达相连；空气压缩机通过输气管的第二分路和输气管的第三分路与摆动气缸相连。

在上述技术方案中，弧形铣刀端部有外螺纹，而气动马达的主轴内部有内螺纹，两者通过螺纹实现紧密连接；弧形铣刀是碗状半球壳，半球壳的边缘制备耐磨涂层，采用电镀方法制备，通过耐磨涂层与切割管道的摩擦，实现管道的切削。

在上述技术方案中，在第二外壳上设置标尺，用于测量壳体的高度并调整，标尺长度为第二外壳高度的三分之一到一倍。

在上述技术方案中，在摆动机构中设置同步带张紧机构，其穿过壳体并与同步带相接触，用以保证同步带的张紧力，防止同步带过松无法实现第二同步带轮的转动。

在本发明的技术方案中，摆动机构的两个外壳通过连接结构(螺栓和螺母配合)连接为一个整体，并整体的空腔内设置第一同步带轮、第二同步带轮和同步带；在第一外壳上通过固定螺栓固定摆动气缸，摆动气缸的转子穿过第一外壳与第一同步带轮相连，第二同步带轮的输出轴穿过第一外壳与摇臂相连，并在输出轴上使用套筒予以保护；气动马达通过加持部和加紧螺钉的配合，与摇臂固定为一体，并带动与之连为一体的弧形铣刀。这样一来，通过摆动气缸—第一同步带轮—同步带—第二同步带轮—摇臂—气动马达—弧形铣刀的传递路线，通过摆动气缸的调整即可实现针对弧形铣刀摆动的调整。同理，通过调整机构的调整手轮的转动可带动调整丝杠的转动，进而使与丝杠相连的滑块在丝杠上上下移动，由于弧形铣刀和摆动机构相连，带动摆动机构和弧形铣刀一起上下调整，用以调整弧形铣刀与待切割管道之间距离。

在进行使用时，首先将整个微创取样机固定在固定支座上，通过锁紧链条与待切割管道固定在一起，并调整以使弧形铣刀轴线(即半球壳体的轴向)与待切割管道轴线重合，不同的管径可以采用不同长度的链条，便于调节，锁紧链条通过链条连接块和锁紧螺母实现与切割管道的锁紧，锁紧螺母用以实现锁紧，保证微创取样机工作过程不发生明显震动，影响切割；通过调整机构的调整手轮的转动带动调整丝杠的转动，进而带动摆动机构和弧形铣刀进行上下移动，以使弧形铣刀上升至预设距离并锁死，以使弧形铣刀与管道距离在取样过程中不变。

打开空气压缩机，提供压缩空气给气动马达和摆动气缸，气动马达的输出轴在压缩空气作用下发生旋转，带动与气动马达输出轴相连的弧形铣刀发生旋转，以使弧形铣刀的耐磨涂层和待切割管道之间产生摩擦，对待切割管道进行切削。与此同时，摆动气缸在压缩空气作用下，通过第一同步带轮—同步带—第二同步带轮—摇臂—气动马达—弧形铣刀的传递路线，带动弧形铣刀实现摆动，以实现从上往下从待切割管道上切取试样。

在上述技术方案中，弧形铣刀上升至的预设距离，以使弧形铣刀和待切割管道产生接触，通过调整两者接触程度的深浅实现取样深浅和大小的调整，即接触程度的深浅与弧形铣刀在管道上取样的深浅和大小程度相关，两者接触程度深，弧形铣刀的旋转和摆动会切削大块试样，且取样程度较深。

在上述技术方案中，通过调整弧形铣刀的大小来实现取样大小的调整。

本发明的技术方在针对高温下在役设备，可高效、微损从在役设备上切割微小试样，且对金属材料组织无损伤，还可将它应用到焊缝或热影响区等难于取样分析的敏感部位和不具备破坏取样条件的设备及管道的材料取样中，解决在役设备材料性能评估的难题。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.便携式微创取样机，其特征在于，包括空气压缩机，输气管，弧形铣刀，气动马达，摆动机构，调整机构，固定支座和锁紧链条，其中：

固定支座设置在锁紧链条中，在固定支座上设置固定孔，用来固定整个微创取样机；

空气压缩机通过输气管分别与气动马达和摆动气缸相连；

气动马达的主轴与弧形铣刀固定连接，且气动马达与摇臂固定相连；

摆动机构包括摇臂、摆动气缸、第一外壳、第二外壳、第一同步带轮、第二同步带轮、同步带、输出轴，第一外壳和第二外壳固定相连并共同组成壳体，在壳体内设置第一同步带轮和第二同步带轮，第一同步带轮通过同步带和第二同步带轮相连，在第一外壳外侧固定设置摆动气缸，摆动气缸的转子穿过第一外壳与第一同步带轮相连，第二同步带轮的输出轴穿过第一外壳与摇臂相连；

在摆动机构的第二外壳的外侧设置调整机构，包括调整手轮，刻度盘，丝杠支撑座，调整丝杠，滑块，丝杠螺母和锁紧螺母，其中滑块通过螺纹与摆动机构的第二外壳相连，滑块与丝杠螺母通过螺纹固定，丝杠螺母与调整丝杠相连，调整丝杠和调整手轮相连，在调整手轮下方设置刻度盘，用来记录调整丝杠转动的距离，在刻度盘下方设置丝杠支撑座，用以锁紧丝杠防止微创取样机切削过程丝杠发生转动；在滑块的侧面设置加紧螺母，用以锁死滑块的位置，防止取样过程中发生移动。

2.根据权利要求1所述的便携式微创取样机，其特征在于，固定支座通过连接螺栓与锁紧链条连接；锁紧链条之间通过锁紧钉相互连接，在套住并加紧待处理工件之后，将锁紧链条的两端进行固定，使用锁紧螺母锁紧位于锁紧链条两端的链条连接块。

3.根据权利要求1所述的便携式微创取样机，其特征在于，空气压缩机通过输气管的第一分路与气动马达相连；空气压缩机通过输气管的第二分路和输气管的第三分路与摆动气缸相连。

4.根据权利要求1所述的便携式微创取样机，其特征在于，弧形铣刀端部有外螺纹，而气动马达的主轴内部有内螺纹，两者通过螺纹实现紧密连接；弧形铣刀是碗状半球壳，半球壳的边缘采用电镀方法制备耐磨涂层，通过耐磨涂层与切割管道的摩擦，实现管道的切削。

5.根据权利要求1所述的便携式微创取样机，其特征在于，在第二外壳上设置标尺，用于测量壳体的高度并调整，标尺长度为第二外壳高度的三分之一到一倍。

6.如权利要求1—5之一所述的便携式微创取样机在在役设备上的应用，其特征在于，以固定支座和锁紧链条将整个机器固定在待取样的试样上，利用调整机构调整弧形铣刀与试样表面的距离，以空气压缩机分别驱动气动马达和摆动机构，选择270°摆动气缸，两个同步带轮传动比为4:3，从而将摆动气缸的270°旋转变为摇臂的360°旋转，带动弧形铣刀在试样表面进行取样。

7.根据权利要求6所述的便携式微创取样机在在役设备上的应用，其特征在于，通过调整弧形铣刀和试样接触程度的深浅实现取样深浅和大小的调整。

8.根据权利要求6所述的便携式微创取样机在在役设备上的应用，其特征在于，通过调整弧形铣刀的大小来实现取样大小的调整。