張 強，薛光輝

(1. 中國中煤能源集團公司，北京 100120；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

基于金屬磁記憶檢測技術(shù)的振動篩大梁裂紋檢測研究

張 強1，薛光輝2

(1. 中國中煤能源集團公司，北京 100120；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

闡述了金屬磁記憶檢測技術(shù)及其技術(shù)特點，并利用EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀對馬脊梁洗煤廠應(yīng)用的319#振動篩大梁進行了檢測，預(yù)先發(fā)現(xiàn)了一處長約100 mm的早期裂紋，為其備件訂購、維修贏得了時間，從而避免了可能造成的巨大經(jīng)濟損失。

振動篩；裂紋檢測；金屬磁記憶檢測技術(shù)；早期裂紋

現(xiàn)代化選煤廠多采用模塊化設(shè)計與布置、流水線作業(yè)的生產(chǎn)方式。在選煤廠眾多選煤設(shè)備中，振動篩是關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著煤炭洗選工業(yè)的分級、脫介、脫水、脫泥等重要職能，在生產(chǎn)中該類設(shè)備數(shù)量多、規(guī)格多、事故多，一旦振動篩出現(xiàn)突發(fā)性故障無法運轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致選煤廠整個生產(chǎn)線陷入停頓，造成極大的經(jīng)濟損失。因此，振動篩的可靠性直接關(guān)系到選煤廠的經(jīng)濟效益。不論是國產(chǎn)還是國外引進的設(shè)備，運轉(zhuǎn)到一定時期后，其篩箱側(cè)板開裂、主梁斷裂、軸承損壞等事故均會發(fā)生，從而對選煤廠的正常生產(chǎn)造成影響，尤其是目前國產(chǎn)大型振動篩與國際先進技術(shù)水平相比差距較大，影響生產(chǎn)更為嚴(yán)重。

國內(nèi)外對振動篩的研究涉及眾多行業(yè)，范圍很廣，方法也很多，主要集中在理論和模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進，可靠性設(shè)計，難篩分物料的篩分技術(shù)，降噪、故障原因分析和技術(shù)改造等方面[1-5]。然而，對大型振動篩的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，特別是振動篩大梁和側(cè)幫裂紋的早期檢測和診斷的研究卻非常不足，因而無法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場對解決該問題的迫切需求。采用現(xiàn)代故障診斷技術(shù)對選煤廠大型振動篩進行狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)展以設(shè)備狀態(tài)為基礎(chǔ)的預(yù)防維修體制，及早發(fā)現(xiàn)故障(如裂紋、應(yīng)力集中等)征兆，實現(xiàn)故障早期診斷和預(yù)報，直至實現(xiàn)設(shè)備壽命預(yù)估，可有效避免因振動篩突然故障給選煤生產(chǎn)造成的巨大經(jīng)濟損失。為此，采用金屬磁記憶檢測技術(shù)，開展了振動篩大梁裂紋等早期缺陷檢測研究，以為振動篩的故障診斷提供技術(shù)支持，也為其他行業(yè)類似問題的解決提供借鑒。

1 金屬磁記憶檢測技術(shù)

金屬磁記憶檢測技術(shù)是上世紀(jì)俄羅斯杜波夫教授提出的一種新型無損檢測技術(shù)[6-8]，其基本原理是記錄在工作載荷作用下鐵磁性構(gòu)件局部應(yīng)力集中區(qū)域中產(chǎn)生的漏磁場，根據(jù)漏磁場來判斷應(yīng)力集中及損傷。

機械零部件和金屬構(gòu)件發(fā)生損壞的主要根源是各種微觀和宏觀機械應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中區(qū)域，腐蝕、疲勞和蠕變過程的發(fā)展最為激烈。機械應(yīng)力同鐵磁材料的自磁化現(xiàn)象和殘磁狀況有著直接的聯(lián)系。在地磁作用的條件下，鐵磁性構(gòu)件缺陷處的導(dǎo)磁率減小，工件表面的漏磁場增大，稱為鐵磁性材料的磁機械效應(yīng)。該效應(yīng)可增強鐵磁性構(gòu)件的表面磁場，增強的磁場“記憶”著部件缺陷或應(yīng)力集中位置，稱為金屬的“磁記憶”效應(yīng)。

理論和試驗均表明，金屬構(gòu)件的損壞與其先天的“遺傳”特性和后天的在役工作負(fù)荷相關(guān)，在缺陷的發(fā)生、發(fā)展過程中，應(yīng)力集中是根源，是構(gòu)件損壞的早期表現(xiàn)。工程部件由于疲勞、蠕變而產(chǎn)生的微裂紋會導(dǎo)致缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

試驗研究表明：鐵磁性金屬部件存在著磁機械效應(yīng)，其表面上的磁場分布與部件應(yīng)力載荷有一定的關(guān)系。鐵磁性部件缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp (y)改變符號且具有零值，如圖1所示。

金屬磁記憶檢測技術(shù)具有以下顯著的特點：①既可檢測出宏觀缺陷，又可檢測出微觀缺陷，并進行未來危險預(yù)報，準(zhǔn)確度高，可通過早期診斷對設(shè)備的安全性進行準(zhǔn)確評價；②無需專門的磁化裝置就能對鐵磁性構(gòu)件進行可靠檢測；③提離效應(yīng)影響??；④無需去除被檢測對象表面涂層，就能檢測橡膠等蒙皮下的缺陷；⑤無需對被測設(shè)備進行清洗、打磨等表面預(yù)處理，檢測方便，成本低；⑥無需系統(tǒng)、專業(yè)的培訓(xùn)，原理可靠，特征信號明顯，判據(jù)簡單；⑦檢測快速，能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測 (100 m/h)，效率高；⑧檢測設(shè)備體積小、重量輕，便于攜帶，可實現(xiàn)單人作業(yè)；⑨對設(shè)備外露部分檢測時，無需設(shè)備停機。

圖1 鐵磁性部件缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域磁場的切向分量示意圖Fig.1 Tangential component schematic of magnetic field in the region of fault or stress concentration of ferromagnetic parts

在實際應(yīng)用中，金屬磁記憶檢測技術(shù)可通過檢測部件表面的磁場分布情況間接地對部件缺陷或應(yīng)力集中位置進行診斷。

2 檢測對象與儀器

馬脊梁洗煤廠是中國中煤能源集團公司與大同煤礦集團公司共同組建的大同中煤出口煤基地建設(shè)有限公司下屬的一座現(xiàn)代化選煤廠，年入選量達360萬t。該廠主要洗選設(shè)備約30臺(套)，全部從國外引進。圖2所示為該選煤廠生產(chǎn)工藝流程圖。

馬脊梁洗煤廠采用模塊化安裝，占地面積要比同等選煤能力的選煤廠小，易于搬遷。2004年以來，生產(chǎn)中曾多次發(fā)生振動篩大梁出現(xiàn)裂紋后突然斷裂的事故，導(dǎo)致經(jīng)濟損失達數(shù)萬美元。加上該廠與馬脊梁煤礦是一體化設(shè)計，煤礦生產(chǎn)的原煤直接通過膠帶輸送到選煤廠洗選，沒有其他出煤口，因此選煤廠停工也會影響到煤礦的生產(chǎn)，間接損失也非常巨大。

2.1 檢測對象

馬脊梁洗煤廠319#振動篩為澳大利亞Honert公司生產(chǎn)的BRU-1-420/610型香蕉直線振動篩，承擔(dān)著入選原煤的脫泥和分級作業(yè)任務(wù)。該振動篩安裝于馬脊梁洗煤廠精洗車間中部，不僅拆卸不便且拆卸周期很長(約48 h)。該振動篩面積較大，長6.1 m，寬4.2 m，箱式結(jié)構(gòu)，其大梁位于振動篩箱體內(nèi)篩板下方，兩側(cè)為篩幫，大梁上還包裹有一層厚約8 mm的橡膠耐磨層(圖3)，常規(guī)檢測手段根本無法檢測其裂紋，因而故障信號的檢測和提取難度較大。

圖2 馬脊梁洗煤廠生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of Majiliang coal preparation plant

圖3 BRU-1-420/610型香蕉直線振動篩Fig.3 BRU-1-420/610 banana linear vibrating screen

2.2 檢測儀器

研究應(yīng)用的檢測儀器為EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀(圖4)是新一代電磁無損檢測設(shè)備，集金屬磁記憶檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)以及數(shù)字電子技術(shù)和微處理機技術(shù)于一體。該儀器采用最先進的微機技術(shù)、DSP技術(shù)和SMT工藝制造技術(shù)，性能穩(wěn)定可靠，信噪比高，能實時、有效地檢測金屬材料缺陷，區(qū)分合金種類和熱處理狀態(tài)以及厚度變化測量等，是一款實用性很強的數(shù)字化、多功能、便攜式電磁檢測設(shè)備。

圖4 EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀Fig.4 EMS-2003 intelligent magnetic memory and eddy current testing apparatus

該檢測儀的特性如下：①功能強大，具有磁記憶/渦流/遠場檢測功能；②操作簡便；③EL顯示；④靈敏直觀。應(yīng)力集中和金屬缺陷的位置可在檢測過程中即時確定；⑤具有數(shù)據(jù)分析功能；⑥具有數(shù)據(jù)存儲功能；⑦具有數(shù)據(jù)通訊功能。可通過RS232標(biāo)準(zhǔn)通訊接口與臺式計算機或同類儀器通信；⑧便攜實用。體積小，重量輕，功耗低，結(jié)構(gòu)緊致輕便，采用交、直流一體電源供電，儀器能在機內(nèi)鋰電池支持下連續(xù)工作4 h以上。

3 研究與應(yīng)用

利用EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀對洗煤廠振動篩進行例行檢測。圖5為319#BRU-1-420/610型香蕉直線振動篩第三根梁左側(cè)第二個軌座處的檢測結(jié)果，結(jié)合金屬磁記憶檢測技術(shù)判據(jù)，可以看出該處可能存在裂紋故障。

圖5 319#振動篩第三根梁左側(cè)第二個軌座處磁記憶檢測結(jié)果Fig.5 Magnetic memory testing result at the left 2nd rail chair of the 3rd beam in 319# vibrating screen

根據(jù)此判斷，將包裹在振動篩第三根大梁左側(cè)第二個軌座處的橡膠蒙皮拆除，果然發(fā)現(xiàn)了長約100 mm的裂紋，如圖6所示。由于成功檢測出振動篩大梁的早期裂紋故障，為其備件訂購、維修贏得了時間，因此避免了一次有可能造成的巨大經(jīng)濟損失。

圖6 319#振動篩第三根梁裂紋照片F(xiàn)ig.6 Crack picture in the 3rd beam of 319# vibrating screen

4 結(jié)語

現(xiàn)代化選煤廠多采用模塊化設(shè)計與安裝、流水線作業(yè)的生產(chǎn)方式。振動篩是選煤流水線上的關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著煤炭洗選工業(yè)的分級、脫介、脫水、脫泥等重要職能，一旦出現(xiàn)突發(fā)故障，會導(dǎo)致整個生產(chǎn)線停工停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟損失。金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)，具有無需專門磁化，提離效應(yīng)小，無需清洗、打磨等預(yù)處理，無需去除蒙皮等表面涂層，檢測效率高，檢測結(jié)果準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點。通過采用金屬磁記憶檢測儀器對馬脊梁洗煤廠319#振動篩大梁進行檢測，預(yù)先發(fā)現(xiàn)了一處長約100 mm的早期裂紋，從而為其備件訂購、維修贏得了時間，避免了一次有可能造成的巨大經(jīng)濟損失。該檢測技術(shù)對于其他類似鐵磁性構(gòu)件的裂紋缺陷早期檢測也具有借鑒意義。

[1] 張則榮，樊智敏，王永巖． 大型直線振動篩的疲勞壽命及可靠性分析[J]． 煤炭學(xué)報， 2014， 39(S1): 257-261．

[2] 郭曉玲，楊 潔. 大型振動篩動力分析及優(yōu)化設(shè)計[J]. 煤炭技術(shù)，2014，33(12)：271-273.

[3] 彭晨宇，蘇榮華. 大型振動篩動態(tài)有限元模型建立及精度分析[J]. 煤炭學(xué)報，2012，37(4)：344～349.

[4] 孟玲琴，王志偉，歷云娜，等. 雙質(zhì)體自同步直線振動篩分機動力學(xué)分析[J]. 煤礦機械，2005(4)：57-59.

[5] 王 雷，宋維源，李 吉. 振動篩噪聲機理分析與研究[J]. 煤礦機械，2004(8)：27-29.

[6] 薛光輝，趙國瑞，朱世剛，等. 基于金屬磁記憶檢測和渦流檢測技術(shù)的大型振動篩下橫梁裂紋檢測方法[J]. 煤炭學(xué)報，2010(7)：1215-1218.

[7] Yantek,David S ,Jurovcik,Paul,Bauer,Eric R. Noise and vibration reduction of a vibrating screen[C]. 2005 SME Annual Meeting: Got Mining - Preprints,2005：519-531.

[8] Doubov A A． Screening of weld quality using the metal magnetic memory[J]． Welding in the World， 1998，41( 3) : 196-199．

Study on crack detection of vibrating screen crossbeam based on metal magnetic memory testing

ZHANG Qiang1,XUE Guang-hui2

(1. China National Coal Group Corporation,Beijing 100120,China; 2.School of Mechanical Electronic & Information Engineering,China University of Mining & Technology (Beijing),Beijing 100083,China)

Metal magnetic memory testing technique is one of non-destructive testing technologies grown in recent years,widely used in the fields of non-destructive testing with its many advantages; technical feature of metal magnetic memory testing is presented in the paper. Detections were carried out on the vibrating screen in Majiliang coal preparation plant with the EMS-2003 metal magnetic memory testing and eddy current testing apparatus,then an early crack with the length of 100mm was found,which won the time for the booking of spare parts and its maintenance and avoided great economic loss likely resulted in by the founded failure. The results have important reference significance and value to detection of early defects in the other ferromagnetic constructions.

vibrating screen; metal magnetic memory testing; crack detection; early crack

1001-3571(2015)02-0008-04

TD452

A

2014-09-24

10.16447/j.cnki.cpt.2015.02.003

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)重點資助項目(2008AA062200)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助項目(2009QJ16)

張 強(1966—)，男，山東省蓬萊市人，高級工程師，碩士，從事集團能源基本建設(shè)項目管理工作。

E-mail：zhangqiang@chinacoal.com Tel：18618228136