張 強(qiáng)，薛光輝

(1. 中國(guó)中煤能源集團(tuán)公司，北京 100120；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

基于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的振動(dòng)篩大梁裂紋檢測(cè)研究

張 強(qiáng)1，薛光輝2

(1. 中國(guó)中煤能源集團(tuán)公司，北京 100120；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

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

振動(dòng)篩；裂紋檢測(cè)；金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)；早期裂紋

現(xiàn)代化選煤廠多采用模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)篩是關(guān)鍵設(shè)備之一，承擔(dān)著煤炭洗選工業(yè)的分級(jí)、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(dòng)篩出現(xiàn)突發(fā)性故障無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致選煤廠整個(gè)生產(chǎn)線陷入停頓，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，振動(dòng)篩的可靠性直接關(guān)系到選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益。不論是國(guó)產(chǎn)還是國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)到一定時(shí)期后，其篩箱側(cè)板開裂、主梁斷裂、軸承損壞等事故均會(huì)發(fā)生，從而對(duì)選煤廠的正常生產(chǎn)造成影響，尤其是目前國(guó)產(chǎn)大型振動(dòng)篩與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平相比差距較大，影響生產(chǎn)更為嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)外對(duì)振動(dòng)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(jì)和改進(jìn)，可靠性設(shè)計(jì)，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(duì)大型振動(dòng)篩的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，特別是振動(dòng)篩大梁和側(cè)幫裂紋的早期檢測(cè)和診斷的研究卻非常不足，因而無(wú)法滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)解決該問(wèn)題的迫切需求。采用現(xiàn)代故障診斷技術(shù)對(duì)選煤廠大型振動(dòng)篩進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(shí)現(xiàn)故障早期診斷和預(yù)報(bào)，直至實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命預(yù)估，可有效避免因振動(dòng)篩突然故障給選煤生產(chǎn)造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。為此，采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)，開展了振動(dòng)篩大梁裂紋等早期缺陷檢測(cè)研究，以為振動(dòng)篩的故障診斷提供技術(shù)支持，也為其他行業(yè)類似問(wèn)題的解決提供借鑒。

1 金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是上世紀(jì)俄羅斯杜波夫教授提出的一種新型無(wú)損檢測(cè)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(chǎng)，根據(jù)漏磁場(chǎng)來(lái)判斷應(yīng)力集中及損傷。

機(jī)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(jī)械應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中區(qū)域，腐蝕、疲勞和蠕變過(guò)程的發(fā)展最為激烈。機(jī)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(chǎng)增大，稱為鐵磁性材料的磁機(jī)械效應(yīng)。該效應(yīng)可增強(qiáng)鐵磁性構(gòu)件的表面磁場(chǎng)，增強(qiáng)的磁場(chǎng)“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(yàn)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(guò)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(huì)導(dǎo)致缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

試驗(yàn)研究表明：鐵磁性金屬部件存在著磁機(jī)械效應(yīng)，其表面上的磁場(chǎng)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(chǎng)的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp (y)改變符號(hào)且具有零值，如圖1所示。

金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)具有以下顯著的特點(diǎn)：①既可檢測(cè)出宏觀缺陷，又可檢測(cè)出微觀缺陷，并進(jìn)行未來(lái)危險(xiǎn)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確度高，可通過(guò)早期診斷對(duì)設(shè)備的安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)；②無(wú)需專門的磁化裝置就能對(duì)鐵磁性構(gòu)件進(jìn)行可靠檢測(cè)；③提離效應(yīng)影響??；④無(wú)需去除被檢測(cè)對(duì)象表面涂層，就能檢測(cè)橡膠等蒙皮下的缺陷；⑤無(wú)需對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行清洗、打磨等表面預(yù)處理，檢測(cè)方便，成本低；⑥無(wú)需系統(tǒng)、專業(yè)的培訓(xùn)，原理可靠，特征信號(hào)明顯，判據(jù)簡(jiǎn)單；⑦檢測(cè)快速，能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè) (100 m/h)，效率高；⑧檢測(cè)設(shè)備體積小、重量輕，便于攜帶，可實(shí)現(xiàn)單人作業(yè)；⑨對(duì)設(shè)備外露部分檢測(cè)時(shí)，無(wú)需設(shè)備停機(jī)。

圖1 鐵磁性部件缺陷或應(yīng)力集中區(qū)域磁場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用中，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可通過(guò)檢測(cè)部件表面的磁場(chǎng)分布情況間接地對(duì)部件缺陷或應(yīng)力集中位置進(jìn)行診斷。

2 檢測(cè)對(duì)象與儀器

馬脊梁洗煤廠是中國(guó)中煤能源集團(tuán)公司與大同煤礦集團(tuán)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(dá)360萬(wàn)t。該廠主要洗選設(shè)備約30臺(tái)(套)，全部從國(guó)外引進(jìn)。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(lái)，生產(chǎn)中曾多次發(fā)生振動(dòng)篩大梁出現(xiàn)裂紋后突然斷裂的事故，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)萬(wàn)美元。加上該廠與馬脊梁煤礦是一體化設(shè)計(jì)，煤礦生產(chǎn)的原煤直接通過(guò)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(huì)影響到煤礦的生產(chǎn)，間接損失也非常巨大。

2.1 檢測(cè)對(duì)象

馬脊梁洗煤廠319#振動(dòng)篩為澳大利亞Honert公司生產(chǎn)的BRU-1-420/610型香蕉直線振動(dòng)篩，承擔(dān)著入選原煤的脫泥和分級(jí)作業(yè)任務(wù)。該振動(dòng)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(zhǎng)(約48 h)。該振動(dòng)篩面積較大，長(zhǎng)6.1 m，寬4.2 m，箱式結(jié)構(gòu)，其大梁位于振動(dòng)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(cè)手段根本無(wú)法檢測(cè)其裂紋，因而故障信號(hào)的檢測(cè)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(dòng)篩Fig.3 BRU-1-420/610 banana linear vibrating screen

2.2 檢測(cè)儀器

研究應(yīng)用的檢測(cè)儀器為EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測(cè)儀(圖4)是新一代電磁無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，集金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)技術(shù)以及數(shù)字電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)于一體。該儀器采用最先進(jìn)的微機(jī)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(shí)時(shí)、有效地檢測(cè)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(cè)量等，是一款實(shí)用性很強(qiáng)的數(shù)字化、多功能、便攜式電磁檢測(cè)設(shè)備。

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

該檢測(cè)儀的特性如下：①功能強(qiáng)大，具有磁記憶/渦流/遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)功能；②操作簡(jiǎn)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(cè)過(guò)程中即時(shí)確定；⑤具有數(shù)據(jù)分析功能；⑥具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；⑦具有數(shù)據(jù)通訊功能。可通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)通訊接口與臺(tái)式計(jì)算機(jī)或同類儀器通信；⑧便攜實(shí)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(jī)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(cè)儀對(duì)洗煤廠振動(dòng)篩進(jìn)行例行檢測(cè)。圖5為319#BRU-1-420/610型香蕉直線振動(dòng)篩第三根梁左側(cè)第二個(gè)軌座處的檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合金屬磁記憶檢測(cè)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(dòng)篩第三根梁左側(cè)第二個(gè)軌座處磁記憶檢測(cè)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(dòng)篩第三根大梁左側(cè)第二個(gè)軌座處的橡膠蒙皮拆除，果然發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)約100 mm的裂紋，如圖6所示。由于成功檢測(cè)出振動(dòng)篩大梁的早期裂紋故障，為其備件訂購(gòu)、維修贏得了時(shí)間，因此避免了一次有可能造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

圖6 319#振動(dòng)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(yǔ)

現(xiàn)代化選煤廠多采用模塊化設(shè)計(jì)與安裝、流水線作業(yè)的生產(chǎn)方式。振動(dòng)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(jí)、脫介、脫水、脫泥等重要職能，一旦出現(xiàn)突發(fā)故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線停工停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有無(wú)需專門磁化，提離效應(yīng)小，無(wú)需清洗、打磨等預(yù)處理，無(wú)需去除蒙皮等表面涂層，檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用金屬磁記憶檢測(cè)儀器對(duì)馬脊梁洗煤廠319#振動(dòng)篩大梁進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)了一處長(zhǎng)約100 mm的早期裂紋，從而為其備件訂購(gòu)、維修贏得了時(shí)間，避免了一次有可能造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。該檢測(cè)技術(shù)對(duì)于其他類似鐵磁性構(gòu)件的裂紋缺陷早期檢測(cè)也具有借鑒意義。

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

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

[3] 彭晨宇，蘇榮華. 大型振動(dòng)篩動(dòng)態(tài)有限元模型建立及精度分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，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(dòng)篩分機(jī)動(dòng)力學(xué)分析[J]. 煤礦機(jī)械，2005(4)：57-59.

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

[6] 薛光輝，趙國(guó)瑞，朱世剛，等. 基于金屬磁記憶檢測(cè)和渦流檢測(cè)技術(shù)的大型振動(dòng)篩下橫梁裂紋檢測(cè)方法[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2008AA062200)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2009QJ16)

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

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