一種特種設(shè)備階差測量儀器的設(shè)計研究

羅華斌，黃世岸，黃勇釗，鄭云琴，莫肯堂

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，廣西 南寧 530200）

特種設(shè)備安裝、檢驗過程中，檢驗員時常會遇到需要測量兩個對接面因施工質(zhì)量等原因造成錯邊所形成的階差值，判斷其是否符合安全技術(shù)規(guī)范要求的情況。由于特種設(shè)備部件對接的型式多樣，工藝各異，對接處常會產(chǎn)生焊縫凸起、接縫間隙大及接口不平齊等形態(tài)，使用現(xiàn)有的常規(guī)測量器具進行階差測量時，難以直接測量其階差尺寸，因而常需要通過使用一些輔助工具協(xié)助常規(guī)測量器具采用間接測量的方法求取階差值。間接測量所需的量值一般不能直接測出，必須通過建立函數(shù)關(guān)系y=f（x1,x2,…,xn），首先測量有關(guān)的獨立自變量值x1,x2,…,xn后,再經(jīng)過計算而得到。獨立自變量xn有極限測量誤差δn，自變量個數(shù)越多，間接測量對應(yīng)量值y的極限測量誤差δy越大，輔助工具的介入，也可能由于操作不規(guī)范產(chǎn)生間接誤差，再次放大了最終測量結(jié)果的極限測量誤差范圍，降低了測量的準(zhǔn)確度。為了能準(zhǔn)確快捷地測量此類階差尺寸，現(xiàn)通過研究特種設(shè)備常見階差的特點，設(shè)計出一種能直接精確測量常見階差的儀器，對保證階差測量精度，提升安裝、檢驗質(zhì)量具有重要的應(yīng)用意義。

1 階差測量儀器的設(shè)計

本設(shè)計通過解讀特種設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對階差的相關(guān)要求，確定階差測量儀器所需的測量數(shù)值范圍及其精度要求；對特種設(shè)備檢測中常見的對接階梯型式進行分析，確定階差測量儀器采用的測量方法及結(jié)構(gòu)構(gòu)造，從而獲得一種適用于特種設(shè)備階差測量的儀器。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求

查閱機電類特種設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，部分涉及階梯差值測量要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如下。

大型游樂設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求：GB/T 18159-2019《滑行車類游樂設(shè)施通用技術(shù)條件》對軌道接口測量要求：軌道接口處高低差應(yīng)不大于1mm；GB/T 18168-2017《水上游樂設(shè)施通用技術(shù)條件》對滑梯接口測量要求：水滑道表面的滑梯對接縫沿滑行方向不應(yīng)有逆向階差，順向階差應(yīng)不大于2mm，滑道邊緣的過渡圓角半徑應(yīng)不小于3mm；GB/T 18169-2008《碰碰車類游藝機通用技術(shù)條件》對地板拼接測量要求：地板應(yīng)拼接緊密、平整，拼接處的高低差應(yīng)不大于2mm。

起重機械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求：GB/T 14405-2011《通用橋式起重機》規(guī)定：鋼軌接頭應(yīng)滿足的要求為，接頭處鋼軌頂部的垂直錯位值HF≤1mm、水平錯位值HS≤1mm；GB/T 10183.1-2018《起重機 車輪及大車和小車軌道公差 第一部分 總則》表2對運行軌道鋼軌接頭公差值分等級提出了相應(yīng)的要求。

電梯相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求：TSG T7005-2012《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——自動扶梯與自動人行道》4.3扶手裝置；4.4護壁板之間的間隙等項目對凸起物高度和接縫間隙大小提出了尺寸控制的要求。

通過對特種設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的分析可知，特種設(shè)備階差測量中，測量單位普遍為毫米級，因此，階差測量儀器讀數(shù)應(yīng)能精確到0.1mm，才能滿足特種設(shè)備階差測量使用要求。

1.2 階梯結(jié)構(gòu)型式及測量方法

特種設(shè)備檢測進行階差測量時，常遇到的階梯結(jié)構(gòu)型式以下3種型式為主要型式,示意圖見圖1。

圖1 三種常見的對接階梯

（1）結(jié)構(gòu)規(guī)整緊湊的對接階梯。該對接階梯的對接面緊密拼接，被測面平整無凹凸不平的異形結(jié)構(gòu)，如圖1中Ⅰ所示。此時，使用鋼直尺或平面不平度測量儀等常規(guī)量具，緊靠對接縫對兩被測面的距離進行測量，即能夠直接測量出階差高度h的值。

（2）接口有凸起物的對接階梯。此類對接階梯的對接面有高出其最高被測面的凸起，如悍高和橡膠墊等，妨礙測量人員使用常規(guī)測量儀器直接測量兩被測面的階差值。如圖1中Ⅱ所示，間接測量時，需要使用高度值為h2、h3的兩個輔助工具將其中一被測面進行墊高，再延伸至另一被測量面上方，形成一個高于凸起物的輔助測量面，使用常規(guī)儀器測量輔助測量面與被測面的階差高度h1，階差值h=h1-h2-h3。產(chǎn)生的極限測量誤差δh=δh1+δh2δh3，多次測量的誤差疊加放大了被測量h的極限測量誤差，降低了階差測量準(zhǔn)確度。

（3）接口存在間隙的對接階梯。此類對接階梯一般是由于安裝性能要求、造型要求或工藝要求的原因?qū)е陆涌谛纬闪艘粋€影響常規(guī)測量儀器進行直接測量的間距。如圖1中Ⅲ所示，采用間接測量的方法進行測量時，需要使用高度值為h5的輔助工具，緊靠在其中一個被測面上形成一個延伸測量面，解決因?qū)娱g隙造成無法使用常規(guī)儀器直接測量的問題。此時，測量延伸測量面與另一被測面的階差高度h4，階差值h=h4-h5。產(chǎn)生的極限測量誤差δh=δh4+δh5，多次測量的誤差疊加放大了被測量h的極限測量誤差，降低了階差測量準(zhǔn)確度。

1.3 被測量面的結(jié)構(gòu)型式

特種設(shè)備階梯差值測量中，常見的階梯對接結(jié)構(gòu)為平面對接和弧面對接兩種結(jié)構(gòu)型式，如圖2所示。由于被測量面可能是平面或弧面，建立測量方法時，應(yīng)充分考慮儀器應(yīng)能夠同時適用于這兩種階梯對接型式的測量。

圖2 兩種階梯對接結(jié)構(gòu)型式

1.4 測量方法的確定

階差測量時，需要選定其中一個測量面作為基準(zhǔn)面，測量另一被測量面到基準(zhǔn)面的距離。從上述兩種階梯對接結(jié)構(gòu)型式來分析，平面對接時，儀器與被測面可采用“面—面”貼合的方法定位基準(zhǔn)面，進而進行階差測量。

弧面對接階差測量如圖3所示，可利用被測弧面的軸心線在兩弧面上進行垂直投影，形成投影線l1與投影線l2，沿垂直投影方向測量兩投影線之間的距離即為弧面對接形成的階差值a。測量時階差測量儀器應(yīng)垂直靠在被測面上，測量基準(zhǔn)由點m、n確定，另一被測量面測量點由點p確定，點m、n、p在同一平面內(nèi)，求取p與點m、n所在直線之間的距離關(guān)系即為階差測量值。

圖3 弧面對接階差測量方法示意圖

顯而易見，平面對接時，也可以通過測量直線法向投影到兩對接平面形成的兩投影線之間的距離的方式來測量平面對接階差值。因此，通過測量直線在兩被測量面法向投影線之間距離的測量方法，能夠滿足特種設(shè)備階差測量的一般要求。

1.5 階差儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過以上確定的階差測量方法，進行階差測量儀器結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計，建立模型如圖4。

圖4 階差測量儀器建模

階差測量儀器包括有主尺、主游尺、輔助游尺、副游尺及縱尺。主尺和副游尺的尺身槽為一體設(shè)計，且相互垂直，主游尺與輔助游尺兩量爪尖端（M、N）所在直線與主尺平行?？v尺活動收容于副游尺的尺身槽內(nèi)，當(dāng)縱尺“0”刻度與副游尺“0”刻度線對齊時（以下稱歸零），縱尺、主游尺、輔助游尺三者量爪尖端（M、N、P）處于同一直線。副游尺及主游尺同時歸零時，縱尺及主游尺量爪尖端閉合，此時，點M、P重合。

為了達到測量精度，主尺、縱尺、主游尺、副游尺均有刻度，主尺、縱尺最小刻度值為1mm，主游尺、副游尺刻度將49mm分成50等分，最小刻度值為0.98mm，尺身與游尺對應(yīng)刻度示值讀取精度均為0.02mm，滿足前述階差測量儀器的精度要求。

2 儀器使用方法

階差測量儀器使用前，調(diào)節(jié)鎖定螺釘使全部游尺處于緊密配合且又能靈活活動的狀態(tài)，通過驗證點M、P是否重合，點M、N、P是否共直線來確認儀器是否完好及示值準(zhǔn)確。如圖5所示，使用時,根據(jù)被測面的結(jié)構(gòu)特點調(diào)節(jié)主游尺、輔助游尺至適合位置，并將輔助游尺的量爪尖端N和主游尺的量爪尖端M垂直靠在被測量面A上形成測量基準(zhǔn)；移動縱尺使縱尺量爪尖端P靠在被測平面B上，此時，縱尺的刻度示值為x，x即為階差測量值。

圖5 測量儀器使用示意圖

如果將M、P定位至兩被測面的邊緣線上，則可同時測取對接口形成的間距寬度y值。鎖緊鎖定螺釘，可取離被測量面讀取數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

通過對特種設(shè)備對接面階差特點的分析研究，確立儀器測量方案，繼而設(shè)計出階差測量儀器，該階差測量儀器具有操作靈活、用途多樣、使用環(huán)境受限小等優(yōu)點，能夠很好地解決特種設(shè)備檢測中較為復(fù)雜的階差測量工作，提升測量效率和精度。