本實用新型涉及測量裝置技術(shù)領域，具體地，涉及一種用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置。

背景技術(shù)：

封頭是反應堆安全殼、化工儲罐等鋼制薄壁壓力容器的一部分，在核電、化工等各領域中有著廣泛的應用。這些薄壁壓力容器需具備一定的內(nèi)壓承載能力，且多含有高溫、高壓或易燃易爆介質(zhì)，因此對結(jié)構(gòu)完整性要求很高。鋼制薄壁壓力容器的封頭在內(nèi)壓作用下容易發(fā)生局部屈曲失效，需針對封頭的屈曲失效開展驗證性或研究性試驗。已有的理論和試驗研究表明，屈曲對殼表面的初始幾何缺陷比較敏感，初始幾何缺陷幅值對屈曲載荷有較大影響，但初始幾何缺陷難以準確獲得；此外，在屈曲過程中常伴隨著較大的變形，各部分的變形情況也難以測量。為精確測量封頭的初始形貌和表面缺陷，以及封頭內(nèi)壓屈曲試驗過程中的形貌變化，需要在封頭外安裝形貌測量裝置，且該測量裝置不能影響封頭內(nèi)壓屈曲試驗。

現(xiàn)有的形貌測量裝置包括：

1、接觸式形貌測量裝置。常用的接觸式形貌測量裝置有LVDT(線性可變差動變壓器)位移傳感器、三坐標測量儀，然而，接觸式測量需逐點測量，測量速度慢；而且，無法測量工件上小于探頭直徑的小孔或缺陷；此外，如果測量頭的壓力過大會使被測工件表面發(fā)生變形，從而影響測量精度。

2、非接觸式形貌測量裝置。常用的非接觸式形貌測量裝置有激光式位移傳感器等，激光式位移傳感器的安裝通常需配特定的支架，單獨的傳感器難以獲得可靠的安裝和測量性能，而多個傳感器將導致成本上升；此外，為了減少機械位移而導致測量精度的下降，穩(wěn)固的支架是必不可少的。

因此，綜合現(xiàn)有技術(shù)及工程試驗的實際需求，需要開發(fā)出一種適用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置，以有效解決封頭的曲面形貌和缺陷難以測量以及封頭內(nèi)壓屈曲試驗過程中形貌變化難以測量的問題。

為達到上述目的或目的之一，本實用新型的技術(shù)解決方案如下：

一種用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置，包括支撐框架和支撐座，所述支撐座被配置為用于支撐封頭，其特征在于：所述形貌測量裝置還包括旋轉(zhuǎn)框架、弧形導軌組件和位移傳感器，所述旋轉(zhuǎn)框架以可旋轉(zhuǎn)的方式與支撐框架連接，所述弧形導軌組件固定在旋轉(zhuǎn)框架上，并且所述位移傳感器被配置為與弧形導軌組件結(jié)合并能夠沿弧形導軌組件的導軌移動。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述形貌測量裝置還包括轉(zhuǎn)軸、第一步進電機和傳動帶，所述轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)框架相對固定，并可旋轉(zhuǎn)地固定在支撐框架上，所述形貌測量裝置被配置為通過傳動帶和轉(zhuǎn)軸將第一步進電機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給旋轉(zhuǎn)框架。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述轉(zhuǎn)軸通過調(diào)心球軸承可旋轉(zhuǎn)地固定在支撐框架上。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述形貌測量裝置還包括滑座和滑座驅(qū)動裝置，所述位移傳感器固定在滑座上，所述滑座能夠利用滑座驅(qū)動裝置沿弧形導軌組件的導軌移動。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，在所述滑座上設置有第二步進電機和滑輪，所述第二步進電機與齒輪結(jié)合并且被配置為驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，并且所述弧形導軌組件包括固定裝置、弧形滑槽和弧形齒條，所述弧形滑槽固定在固定裝置上，所述弧形齒條固定在弧形滑槽，其中所述滑輪被配置為與弧形滑槽結(jié)合，并且所述齒輪被配置為與弧形齒條結(jié)合。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述弧形導軌組件包括兩個弧形滑槽，并且在所述滑座上設置有多個滑輪，每一個弧形滑槽與至少一個滑輪結(jié)合。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述滑輪的數(shù)量為三個，三個滑輪在滑座上呈三角形布局。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述滑輪具有兩個平行的輪緣，在兩個平行的輪緣之間形成凹部，并且所述弧形滑槽的垂直于縱向延伸方向的截面具有“山”字形。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述位移傳感器為激光位移傳感器。

根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施例，所述支撐框架為十字交叉型框架或圓筒形框架。

本實用新型提供了一種用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置，在形貌測量中激光位移傳感器可繞封頭作360°圓周運動，能測量封頭某一高度的圓周形貌，完成一周測量后，改變位移傳感器測點，通過滑座帶動位移傳感器沿弧形導軌組件移動到指定位置，重新繞封頭一周測量，如此重復多次測量，能夠滿足封頭形貌全方位測量需求。由此，本實用新型為實現(xiàn)封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量，提供了一種簡單易行的裝置。相對現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點：

激光位移傳感器比接觸式測量速度快，不會使被測工件表面發(fā)生變形；

采用與封頭曲面一致的弧形導軌，不會出現(xiàn)測量死角；

可測量封頭的初始幾何缺陷；

可測量封頭內(nèi)壓過程中的形貌變化；

本實用新型通過計算機完成內(nèi)壓屈曲過程的實時監(jiān)控，安全性高。

可見，本實用新型實現(xiàn)了封頭內(nèi)壓屈曲形貌測量，采用激光位移傳感器測量封頭的初始形貌和缺陷，以及屈曲過程中封頭形貌變化。利用簡單易行的方法對激光位移傳感器進行固定安裝，從而實現(xiàn)對封頭形貌快速、準確、高精度的測量，且不影響封頭內(nèi)壓屈曲試驗。

附圖說明

圖1為根據(jù)本實用新型實施例的用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置的示意圖；以及

圖2為示出根據(jù)本實用新型實施例的滑座與弧形導軌組件的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細描述本實用新型的示例性的實施例，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。另外，在下面的詳細描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細節(jié)以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或多個實施例在沒有這些具體細節(jié)的情況下也可以被實施。在其他情況下，公知的結(jié)構(gòu)和裝置以圖示的方式體現(xiàn)以簡化附圖。

參照圖1，本實用新型的用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置包括支撐框架1、支撐座2、旋轉(zhuǎn)框架3，位移傳感器4，滑座5、滑座驅(qū)動裝置6、弧形導軌組件7、第一步進電機9、傳動帶10、調(diào)心球軸承11、轉(zhuǎn)軸12、固定裝置13、弧形滑槽14、滑輪15、弧形齒條16、齒輪17、第二步進電機18，其中所述支撐座2被配置為用于支撐封頭8，所述位移傳感器4優(yōu)選地為激光位移傳感器。

需要說明的是，支撐框架1可以為十字交叉型框架或圓筒形框架，如圖1所示，支撐框架的截面呈倒U形形狀；所述旋轉(zhuǎn)框架3以可旋轉(zhuǎn)的方式與支撐框架1連接，具體地，所述轉(zhuǎn)軸12與旋轉(zhuǎn)框架3相對固定，所述轉(zhuǎn)軸12通過調(diào)心球軸承11可旋轉(zhuǎn)地固定在支撐框架1上，通過傳動帶10和轉(zhuǎn)軸12將第一步進電機9的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給旋轉(zhuǎn)框架3；所述弧形導軌組件7固定在旋轉(zhuǎn)框架3上，并且所述位移傳感器4被配置為與弧形導軌組件7結(jié)合并能夠沿弧形導軌組件7的導軌移動。在工作中，步進電機9和傳動帶10形成轉(zhuǎn)軸驅(qū)動裝置，帶動旋轉(zhuǎn)框架3做圓周運動。

如圖1所示，所述位移傳感器4固定在滑座5上，所述滑座5能夠利用滑座驅(qū)動裝置6沿弧形導軌組件7的導軌移動，具體地，在所述滑座5上設置有第二步進電機18和滑輪15，所述第二步進電機18與齒輪17結(jié)合并且被配置為驅(qū)動齒輪17旋轉(zhuǎn)，并且所述弧形導軌組件7包括固定裝置13(其中固定裝置可以為弧形固定板，用于固定導軌)、弧形滑槽14和弧形齒條16，所述弧形滑槽14固定在固定裝置13上，所述弧形齒條16固定在弧形滑槽14，其中所述滑輪15被配置為與弧形滑槽14結(jié)合，并且所述齒輪17被配置為與弧形齒條16結(jié)合，如圖2所示。

可選地，所述弧形導軌組件7包括兩個弧形滑槽14，并且在所述滑座5上設置有多個滑輪15，每一個弧形滑槽14與至少一個滑輪15結(jié)合；在一個優(yōu)選實施例中，所述滑輪15的數(shù)量為三個，三個滑輪15在滑座5上呈三角形布局。提供多個滑輪、兩個弧形滑槽、以及滑輪在滑座上呈三角形布局能夠增加穩(wěn)定性。

如圖2所示，所述滑輪15具有兩個平行的輪緣，在兩個平行的輪緣之間形成凹部，并且所述弧形滑槽14的垂直于縱向延伸方向的截面具有“山”字形。

在圖示的實施例中，具有兩個弧形滑槽14，分別形成一個導軌，其中一導軌由弧形滑槽14和弧形齒條16組成，另一導軌只有弧形滑槽14。所述的滑座驅(qū)動裝置6被構(gòu)造為包括第二步進電機18、齒輪17和滑輪15，參照圖2，帶凹槽的滑輪15固定在帶凸槽的弧形滑槽14上，通過第二步進電機18帶動齒輪17轉(zhuǎn)動，齒輪17沿著弧形齒條16帶動滑座5運動。

本實用新型的實施過程如下：進行封頭內(nèi)壓屈曲試驗時，將封頭殼固定于支撐座2上。首先通過第二步進電機18帶動滑塊5和激光位移傳感器4沿著弧形導軌組件7運動到指定位置，激光位移傳感器4發(fā)出激光束并接收反射光束，并將數(shù)據(jù)傳給計算機；然后，利用第一步進電機9帶動旋轉(zhuǎn)框架3繞封頭360°轉(zhuǎn)動，激光位移傳感器4將封頭相應的測點數(shù)據(jù)傳回計算機；重復上述過程，直至激光位移傳感器4采集完整個封頭形貌數(shù)據(jù)。

進一步需要說明的是，支撐框架1頂部中間有兩個調(diào)心球軸承11，調(diào)心球軸承與普通軸承的區(qū)別就是調(diào)心球軸承可自動調(diào)整因軸不同心引起的軸心不正，轉(zhuǎn)軸12穿過兩個調(diào)心球軸承11，并固定住，轉(zhuǎn)軸12與旋轉(zhuǎn)框架3相連，第一步進電機9通過傳動帶10帶動轉(zhuǎn)軸12轉(zhuǎn)動，進而帶動旋轉(zhuǎn)框架3做圓周運動，弧形導軌組件7固定在旋轉(zhuǎn)框架3上，所以旋轉(zhuǎn)框架3做圓周運動時，弧形導軌組件7也跟著一起做圓周運動。

根據(jù)本實用新型，試驗封頭外設置了可360°旋轉(zhuǎn)的激光位移傳感器，傳感器由旋轉(zhuǎn)框架帶動，繞著封頭試件進行水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動和沿弧形軌道方向的移動，采用非接觸式激光測量裝置，測量封頭初始形貌和缺陷，以及內(nèi)壓屈曲過程中的形貌變化。

為準確測量，應盡量保證旋轉(zhuǎn)框架端面水平，使其軸線與被測試件軸線平行。在旋轉(zhuǎn)框架轉(zhuǎn)動過程中，框架本身的自重不平衡和其它干擾可能會破壞這種平衡關(guān)系，因而選用帶有自調(diào)心作用的軸承，調(diào)心球軸承為含有二條滾道的內(nèi)圈和滾道為球面的外圈之間裝配有鼓形滾子的軸承。外圈滾道面的曲率中心與軸承中心一致，因而具有自動調(diào)心功能，可自動調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正。

形貌測量對精度要求較高，位移傳感器需在步進電機帶動下準確運動至每個選定離散點?；诖耍柽x擇脈沖式步進電機控制旋轉(zhuǎn)框架，通過調(diào)整電機脈沖數(shù)使旋轉(zhuǎn)框架運動至選定位置點。選定位置點需滿足缺陷分辨率和有限元計算精度要求，因而選用脈沖式步進電機實現(xiàn)小位移高精度的進給。

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”)。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，盡管每走一步的步距角存在一定的誤差，然而，連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周360°后，其累積誤差為零。另外，步進電機動態(tài)響應快，控制性能好，只要改變輸入脈沖的順序，就能方便地改變其旋轉(zhuǎn)方向。同時步進電機可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的，為使電機等載重物不滑落，優(yōu)選地選用帶自鎖功能的步進電機。

弧形導軌組件中的弧形滑槽、弧形齒條等的曲率與封頭的曲率一致，把弧形齒條和弧形滑槽結(jié)合在一起，在滑座上安裝齒輪、第二步進電機和負載物，與滑座一起移動。

位移傳感器是利用各種元件檢測對象物的物理變化量，通過將該變化量換算為距離，來測量從傳感器到對象物的距離的機器。根據(jù)使用元件的不同，分為接觸式位移傳感器、光學式位移傳感器、線性位移傳感器、超聲波位移傳感器等。

激光位移傳感器是光學位移傳感器的一種，可不接觸地精確測量被測物體的位置、位移變化等，主要應用于檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量。本實用新型所需測距短精度高，因此優(yōu)選選用激光三角測量法的激光位移傳感器。

根據(jù)本實用新型的用于封頭內(nèi)壓屈曲試驗的形貌測量裝置，可測量封頭初始形貌和缺陷，亦可測量封頭內(nèi)壓過程中的形貌變化，通過計算機遠距離精確控制，提高了測量安全性?？商峁┓忸^形貌的科學測量數(shù)據(jù)，測量實際形貌用于模擬分析，更符合工程實際，有利于理論與試驗相結(jié)合分析。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行變化。本實用新型的適用范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。

附圖標記列表：

1 支撐框架

2 支撐座

3 旋轉(zhuǎn)框架

4 位移傳感器

5 滑座

6 滑座驅(qū)動裝置

7 弧形導軌組件

8 封頭

9 第一步進電機

10 傳動帶

11 調(diào)心球軸承

12 轉(zhuǎn)軸

13 固定裝置

14 弧形滑槽

15 滑輪

16 弧形齒條

17 齒輪

18 第二步進電機