关于铁路建设行业生锈钢筋除锈的新探索

关于铁路建设行业生锈钢筋除锈的新探索

张炜博、钱仪、张浩燃

郑州铁路职业技术学院  郑州  451460

摘要：在铁路基建中钢筋的使用必不可少，同时钢筋除锈一直是业内关注热点。本文介绍了一种多维度智能变频的便携式钢筋激光除锈设备设计。产品本体以轻量级除锈枪与激光发射背包组成。从不同锈蚀程度与不同的除锈面积出发，进行多维度智能变频，使除锈更智能，更彻底。同时产品配备一款自研发的内循环水冷系统，一定程度上减少重量，提高冷却效率的同时做到低碳环保。

关键词：静电力液体透镜、自动变焦、AI视觉智能变频、内循环水冷

0引言

近年来我国基建水平迅速提高，铁路总里程已超过四十万公里，然而巨大的市场需求量下隐藏的是“用料质量”这一重大问题。根据日常走访，我们发现钢筋堆放在施工现场，风吹日晒极易生锈。现阶段国家政策大力推行绿色环保。然而现有的除锈方式，例如：机械除锈，喷砂除锈，化学除锈。均有风险大，效率低，污染大等缺点，与绿色制造这一当今制造业发展趋势背道而驰，绿色高效的激光除锈必然取代传统除锈。

1 产品功能设计思路

本文所介绍的激光除锈枪配备AI视觉处理系统，捕捉图像进行分析，静电力液体透镜根据镜片曲直程度改变激光扫射范围，激光发生器则根据锈蚀程度，发射不同频率的激光，实现“专锈专除”的智能除锈。同时激光发生器中设有循环水冷设备，在给激光发生器降温的同时，冷却水由软管通入枪体，对枪体进行降温。有效提高冷却效率。

图1  多维度智能变频的便携式钢筋激光除锈枪

2 静电力液体透镜自动变焦枪头

传统机械式的变焦光学系统如果要实现焦距的改变，那么就得改变各个组元之间的间隔，间隔改变之后，其光学系统的最终像面位置也会发生改变。 利用液体透镜所设计的变焦系统不需要组元的移动来改变整体光学系统的焦距，相比起统机械式的变焦光学系统来说，液体透镜变焦光学系统没有过于复杂的机械结构，并且在尺寸上要比传统机械的结构要更小，适合于小型光学系统设计。

电润湿（electrowettong on dielectric，EWOD）技术是目前广泛运用于液体镜头制造的一种技术。通过在电极和导电液体之间施加电压，改变导电液体和绝缘层之间的表面张力，从而使得两者之间的接触角改变，其原理如图2所示。

图2  电润湿原理

图3为液体透镜自动变焦的原理图，两种不相融的液体结合在一起形成弯月形透镜。一种液体为电解液，如水溶液；另一种液体是绝缘溶液，如非极性油。电压被施加在水溶液与金属电极之间，当外界施加电压时，沿容器周围的水溶液液面上升，油填充中间部分水溶液空出的空间，从而使两种液体之间的弯弧形产生变化，最终达到改变透镜焦距及实现自动变焦的目的。根据团队实验可得出变焦镜头参数如表 1 所示。

图3 电润湿液体透镜自动变焦原理

表1  变焦镜头参数

3 AI视觉智能图像识别激光变频技术

本产品的图像识别技术进行了一些改进，首先将收集到的钢筋图像进行预处理，图像预处理操作的主要目的是为了突出图像中需要的信号，同时减弱杂乱的信号，以便于后期图像信息的提取。经过图像灰度化，图像二值化，图像定位，图像归一化四个步骤处理后，根据钢筋锈蚀程度进行分级，整理后形成数据集。对基于卷积神经网络的图像识别程序进行进一步训练和测试。

图4  基于钢筋锈蚀图片数据集图像识别初步改进算法训练结果

在测距方面我们使用了脉冲式激光测距，原理是通过测量脉冲激光在测距系统与目标物之间的飞行时间间隔来计算距离，由于光在大气中的传播速度不变，因此只需要精准的计算出激光脉冲发射时刻与激光回波接收时刻的时间间隔t，乘以光速便可得到待测距离。假设光在大气中传播的速度为c，激光脉冲飞行时间间隔为t2-t1，则通过下式可计算出待测距离D：

图5  脉冲式激光测距系统框图

脉冲式激光测距系统具有瞬时功率高、抗干扰能力强、测量速度快和系统结构简单等优点，常用于中远程距离测量和激光雷达系统等。脉冲式激光测距系统由主控制器、激光发射机、激光接收机、计时模块和光学系统等部分组成，系统原理框图如图5所示。

4 TEC半导体内循环水冷系统

热管理解决方案有很多，主要分为两类：主动制冷和被动制冷。被动散热技术最常用于制冷到环境温度已经足够的情况。半导体制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成，所谓珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。

掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料碲化铋元件采用电串联并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与制冷原理是制冷还是加热，以及制冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的制冷器。

图6  TEC内循环水冷示意图

如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体制冷器，对于常年运行的设备，增大制冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。新一代TEC半导体制冷片与其他制冷技术相比，热电制冷器组件的优势在于精确的温度控制、更小体积、更快的升温速率、更高的效率、更高的可靠性和更低的噪音。

5 设备测试

在设备测试中，我们的产品除锈率高达到99%。与此同时将本产品与同阶段，同类型产品进行比较发现，我们的产品在能耗降低32%，成本减少45%的前提下，效率提升14.6%，除锈范围提升近2倍。由以上数据可得出结论，本产品具备核心竞争力，可以作为新一代钢筋除锈设备流入市场。

6 结束语

作者在设计完善本产品的过程中，多次进行实地调研，从最根本的需求出发，完善产品各项功能。从真实数据入手，发现问题，解决问题。历经多次实验改良，一种多维度智能变频的便携式钢筋激光除锈设备成功问世。解决了除锈不彻底，除锈不便捷等实际问题。

参考文献

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[2]张鑫,蒋世磊,赵金等.电润湿液体透镜变焦光学系统设计[J].光学与光电技术,2024,22(01):90-95.DOI:10.19519/j.cnki.1672-3392.2024.01.008.

[3]陈爽.基于深度神经网络的耐候桥梁钢锈蚀图像识别[D].北京交通大学,2020.DOI:10.26944/d.cnki.gbfju.2020.002120.

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