【doc】TD03D-Ⅲ泵管内壁硬度测试仪的研制

【doc】TD03D-Ⅲ泵管内壁硬度测试仪的研制 TD03D-?泵管内壁硬度测试仪的研制 第22卷第4期 2005年l2月 气动研究与实验 AERODYNAMICRESEARCH&PE胁lENT V6l_22.No.4 Dec..2005 TD03D一?泵管内壁硬度测试仪的研制 孙以心王朝安 (沈阳110034) 摘要本文介绍了TD03D—HI泵管内壁硬度测试仪的研制开发背景,测量的基本 原理,关键技术的实现以及难点,并较为详细的介绍了各组成部分的功能,最后介绍了该 仪器的先进性和市场应用前景.. 关键词泵管内壁硬度测试仪测量原理关键技术 引言 金属零件的表面硬度是表征力学性能的重要参数,对其工作性能(如承载能力,抗疲 劳特性,耐磨性,使用寿命等)有着极其重要的影响.因此,在机械零件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和制造过程 中,正确地选择金属材料和处理工艺(热处理,表面处理等),准确地测量其所具有的硬度 值,是对金属零件进行质量控制和检测的重要环节. 1开发背景及意义 为了对金属零件的硬度进行有效的控制和检测,正确有效的检测手段(检测方法和仪 器设备)是十分必要的.然而.对于平面零件的表面及筒型金属零件的外表面的硬 度检 测,目前国内外均有较为成熟的技术和准确可靠的检测仪器,但对于以内壁表面为工作面 的金属管件(如抽油泵筒,油缸,动作筒等)特别是距管口较远处的内表面硬度的测量,多 年来国内没有准确可靠而又实用的检测设备. 仪就用于石油开采的抽油泵筒而言,其内壁表面硬度不仅对其本身和柱塞的工作性 能及使用寿命有直接影响,更能影响油井的生产能力和经济效益.《中华人民共和国石油 天然气行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》中对泵筒内壁表面硬度就有非常严格的要求(58<HRC<66). 因此,无 第4期TD03D一?泵管内壁硬度测试仪的研制45 论是新泵还是修复泵,泵筒内壁表面的硬度测量是检测泵质量的重要指标. 多年来由于国内不能提供适用于泵筒内壁表面硬度的测量设备,多数泵筒生产和维 修单位不能对泵筒进行及时,有效,全面的硬度检测,致使不得不对部分泵筒进行抽样解 剖后.用普通表面硬度计进行硬度检测.既不经济,也不全面,难以达到全面控制质量的 目的.有的单位不得不以昂贵的外汇开支从国外引进仪器设备(如奥地利制造的N6Nxxx 型机械式硬度计).也有些泵筒生产和维修单位多年来只凭经验来判断硬度,以致于产品 很难达到技术指标要求.其硬度值只有4o一50HRC,甚至是20—40HRC,严重影响了泵的 使用寿命,影响了油井的采油效率和经济效益. TD03D系列泵管内壁硬度测试仪是由辽河油田提出确立的项目,经过对辽河油田 所 属的各个泵生产厂和维修车间,东北输油管理局铁岭机械厂等多个单位进行的需求调研, 各个单位x,-tfi~够进行金属泵管内壁表面硬度测量的仪器设备表示了迫切的需求愿望. 根据近年来辽河油田《抽油泵质量检测情况简报》报道,由于使用了TD03D系列泵管 内壁硬度测试仪,加大了质量监督力度,及时发现了硬度达不到标准要求的泵筒,对硬度 不合格产品进行了退货处理.杜绝了硬度不合格的抽油泵下井,有效的延长了抽油泵的使 用寿命. 该硬度测试仪的研制成功扭转了多年来由于国内外不能生产同类产品而不得不从国外 进ISl,或对产品进行破坏性抽检的局面.国内不仅石油行业对该项目产品的需求迫切,此 外,还可在军工,机械,化工等其他行业推广,用于对各种金属管件内壁表面硬度的测量. 经过几年来的产品生级和技术更新,I'D03D一1II泵管内壁硬度测试仪在继承了前几 款仪器的优点基础上更全面地提高了各项技术指标.同时经过反复性测试结果表明,该 产品的功能,测量精度,自动化程度等方面均优于某些单位高价引进的奥地利EMCO公司 生产的N6N-.LXX型硬度计. 综上,本项产品的研制成功完全填补了国内空白,代替进口产品,同时具有出口创汇 的可能性 2测量的基本原理 图1测量方法 TDO3D一?型泵管内壁硬度…仪,是一种用于测量金属管件内壁表面硬度的检测 装置.该设备依据中华人民共和臣家标准(GB230—83)一《金属洛氏硬度试验方法》中 46TD03D一?泵管内壁硬度测试仪的研制第4期 有关规定,结合油田测量金属管件内壁表面硬度的实际需求,应用军工技术研制成功的. TD03D一11型泵管内壁硬度测试仪直接测量金属管件内壁表面硬洛氏度唧A值.并 可自动转换成HRC值.其测量方法如图1所示. 在初负荷Po和总负荷P的作用下,将一个标准的金刚石压头(圆锥体,顶尖为120 度,顶部曲率半径为0.200rmn)压人被测金属管件的内壁表面,然后卸除主负荷P1(P1=P — Po),在初负荷作用下.测量压痕深度的残余增量(e).并以0.002rmn为单位来表示.金 属表面越硬,其压痕的残余增量(e)值越小.因此用(100一e)值来表示金属表面的洛氏硬 度Hm值,其值越大表示金属表面的硬度越高.即lIRA=100一e,式中e为以0.002nma 为单位的压痕深度的残余增量. 3关键技术实现及难点 由测量的基本原理可以知道金属管件内壁表面洛氏硬度测量的主要技术难点是: 1)在金属管件内孑L的不同深度处,对被测点精度地施加测量初负荷和主负荷,施加和 测量负荷的精度均应小于0.3% 2)实时精硬的测量在两次初负荷状态下,金刚石压头对金属表面的压痕深度,测量 误 差应小于0.00i~un. 3)对所施加的负荷及由此而产生的压痕深度进行实时控制,数据采集处理,显示,存 储,打印,实现测最过程的自动化,数字化和人性化. 为了实现对金属管件内壁表面硬度的精硬测量,我们解决了上述问题,并某些关键技 术上有所创新. 1)将多年来从事的军工技术用于民品开发中,在多年来从事多分量风洞测力天平研 制技术的高级工程师王朝安的努力基础上,研制了商精度负荷传感器.其特点是: a:体积小,便于在有限的奎间巾使用; b:测量精度高,线性和重复性误差小予0.2% c:刚度大,保证了在懑加负荷过程中加载方向的准确性. 2)精确设计了对金属表1lj=『施加负荷的机械传动机构.其特点是: a:便于实施均匀,快速,稳定,准确地实施加负荷; b:为负荷传感器提供r准确合理的移动轨道,不仅保证了通过负荷传感器沿着正确 的方向对被测金属表面施加负荷,又:会因为负荷传感器与轨道之间的磨擦丽影响对施 加负荷值的精确测量. c:通过一定的机械结构,将压头的线位移进行了机械放大,因此可以用较大量程的, 离精度(分辨翠达l,.1f|)位移传感器测量压痕深度,有利于提高测量精度. 3)研究了施加负荷均匀性的方法,采用步进电机自动加负荷,又成功地解决了电机工 作时所产生的电磁干扰,实现了具有糈神控制,宴时采集,精确处理和显示,存储及打印, 便于携带的智能化仪器仪表. 第4期TD03D—nl泵管内壁硬度测试仪的研制47 …一 卜…一(]{扩瞳块卜_u…一一紧压卜,一紧螺杆卜一手轮lL一—-.JL..—.一一J0—-——一?一——————-J,一—J 图2FD03D—nl泵管内璧硬度测试仪原理框图 4组成部分及其功能 此硬件设计主要完成以下功能: ?CPU处理器 ?电源部分:将电池6伏电压转变成+3.3伏和一3.3伏 ?信号放大电路:分别将负荷传感器的信号和泣移传感器的信号放大. ?A/D转换电路 ?数据存储电路及电机自动加裁荷 电气(硬件设计说明) ?CPU处理器:采用当今流行的嵌入式微控制器(MCU),片内集成了模拟,数字外设 及其他功能部件;内置大容量FLASH程序存储器,数据存储器(RAM),多路l2位AID. ?电源部分:电源+3.3v采用低压差电荷泵式电源管理芯片,从而使系统的供电系 统准确而稳定. ?信号放大电路:采用高精度军工级放大器,使电桥的小信号得以精确放大. ?通讯串行口或串行打印口,可实现数据实时打印及上传PC电脑. ?数据存储电路将测试结果数据存储在串行FLASH芯片中.它是一款16Mbit串行 接口的Flash存储器,内部有4096扇区,每扇区528字节. ?采,{jCUP控制高精度步进电机进行自动加载荷方工.使加载速度和精度都有质 的飞跃 综上,I'DI)3Dm泵管内壁硬度测试仪能实现国际HRA,IIRC洛氏硬度显示,测试范围 >60HtlA(2R示值误差:+/一llqRA,一3+50%宽温工业设计,实时显示,数据存 48rD03D一?泵管内壁硬度测试仪的研制第4期 储及打印,测式周期:约lO秒. 5结论 图4仪器 经历了需求调研,资料收集,设-i-t-~Jn-r,安装调试,市场检验等各个阶段.TDO3D一? 泵管内壁硬度测试仪均成功地达到了如前所述的各项指标,经过对比测试结果表明,在产 品功能,测量精度,自动化程度等方而均冼于国外进口产品,但价格却比国外进口产品低 很多.在辽河油田,华北锏【玎,及西安,山东泵管生产厂家等多个使用单位的使用现场都 能看到我fi.]的仪器在稳定的工作. 该成果研制的成功填补了国内的空白,扭转了多年来由于国内不能生产同类产品内 不得不从国外进口,或对产品进行破坏性抽检的局面.国内不仅石油行业对该项目产品 的需求迫切,此外,还可在军.工,机械,化工等其他行业推广,用于对各种金属管件内壁表 面硬度的测量. 参考文献 [1]中华人民共和国同家标准((B230—83)一金属洛氏硬度试验方法》 [2]中华人民共和国国家标准(JJO112,83)一《金属洛氏硬度计签定规程》