基于金屬磁記憶檢測技術的振動篩大梁裂紋檢測研究

張 強，薛光輝

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

基于金屬磁記憶檢測技術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. 中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083)

闡述了金屬磁記憶檢測技術及其技術特點，并利用EMS-2003智能磁記憶/渦流檢測儀對馬脊梁洗煤廠應用的319#振動篩大梁進行了檢測，預先發現了一處長約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濟損失。

振動篩；裂紋檢測；金屬磁記憶檢測技術；早期裂紋

現代化選煤廠多采用模塊化設計與布置、流水線作業的生產方式。在選煤廠眾多選煤設備中，振動篩是關鍵設備之一，承擔著煤炭洗選工業的分級、脫介、脫水、脫泥等重要職能，在生產中該類設備數量多、規格多、事故多，一旦振動篩出現突發性故障無法運轉，將導致選煤廠整個生產線陷入停頓，造成極大的經濟損失。因此，振動篩的可靠性直接關系到選煤廠的經濟效益。不論是國產還是國外引進的設備，運轉到一定時期后，其篩箱側板開裂、主梁斷裂、軸承損壞等事故均會發生，從而對選煤廠的正常生產造成影響，尤其是目前國產大型振動篩與國際先進技術水平相比差距較大，影響生產更為嚴重。

國內外對振動篩的研究涉及眾多行業，范圍很廣，方法也很多，主要集中在理論和模態分析，結構設計和改進，可靠性設計，難篩分物料的篩分技術，降噪、故障原因分析和技術改造等方面[1-5]。然而，對大型振動篩的狀態監測和故障診斷，特別是振動篩大梁和側幫裂紋的早期檢測和診斷的研究卻非常不足，因而無法滿足生產現場對解決該問題的迫切需求。采用現代故障診斷技術對選煤廠大型振動篩進行狀態監測，發展以設備狀態為基礎的預防維修體制，及早發現故障(如裂紋、應力集中等)征兆，實現故障早期診斷和預報，直至實現設備壽命預估，可有效避免因振動篩突然故障給選煤生產造成的巨大經濟損失。為此，采用金屬磁記憶檢測技術，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支持，也為其他行業類似問題的解決提供借鑒。

1 金屬磁記憶檢測技術

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

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

理論和試驗均表明，金屬構件的損壞與其先天的“遺傳”特性和后天的在役工作負荷相關，在缺陷的發生、發展過程中，應力集中是根源，是構件損壞的早期表現。工程部件由于疲勞、蠕變而產生的微裂紋會導致缺陷處出現應力集中。

試驗研究表明：鐵磁性金屬部件存在著磁機械效應，其表面上的磁場分布與部件應力載荷有一定的關系。鐵磁性部件缺陷或應力集中區域磁場的切向分量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，并進行未來危險預報，準確度高，可通過早期診斷對設備的安全性進行準確評價；②無需專門的磁化裝置就能對鐵磁性構件進行可靠檢測；③提離效應影響小；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無需對被測設備進行清洗、打磨等表面預處理，檢測方便，成本低；⑥無需系統、專業的培訓，原理可靠，特征信號明顯，判據簡單；⑦檢測快速，能夠實現快速檢測 (100 m/h)，效率高；⑧檢測設備體積小、重量輕，便于攜帶，可實現單人作業；⑨對設備外露部分檢測時，無需設備停機。

圖1 鐵磁性部件缺陷或應力集中區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

在實際應用中，金屬磁記憶檢測技術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有限公司下屬的一座現代化選煤廠，年入選量達360萬t。該廠主要洗選設備約30臺(套)，全部從國外引進。圖2所示為該選煤廠生產工藝流程圖。

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，生產中曾多次發生振動篩大梁出現裂紋后突然斷裂的事故，導致經濟損失達數萬美元。加上該廠與馬脊梁煤礦是一體化設計，煤礦生產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，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公司生產的BRU-1-420/610型香蕉直線振動篩，承擔著入選原煤的脫泥和分級作業任務。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，箱式結構，其大梁位于振動篩箱體內篩板下方，兩側為篩幫，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備，集金屬磁記憶檢測技術、渦流檢測技術以及數字電子技術和微處理機技術于一體。該儀器采用最先進的微機技術、DSP技術和SMT工藝制造技術，性能穩定可靠，信噪比高，能實時、有效地檢測金屬材料缺陷，區分合金種類和熱處理狀態以及厚度變化測量等，是一款實用性很強的數字化、多功能、便攜式電磁檢測設備。

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具有數據分析功能；⑥具有數據存儲功能；⑦具有數據通訊功能。可通過RS232標準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，結構緊致輕便，采用交、直流一體電源供電，儀器能在機內鋰電池支持下連續工作4 h以上。

3 研究與應用

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第二個軌座處的檢測結果，結合金屬磁記憶檢測技術判據，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第二個軌座處磁記憶檢測結果Fig.5 Magnetic memory testing result at the left 2nd rail chair of the 3rd beam in 319# vibrating screen

根據此判斷，將包裹在振動篩第三根大梁左側第二個軌座處的橡膠蒙皮拆除，果然發現了長約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濟損失。

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

4 結語

現代化選煤廠多采用模塊化設計與安裝、流水線作業的生產方式。振動篩是選煤流水線上的關鍵設備之一，承擔著煤炭洗選工業的分級、脫介、脫水、脫泥等重要職能，一旦出現突發故障，會導致整個生產線停工停產，造成巨大經濟損失。金屬磁記憶檢測技術是一種新興的無損檢測技術，具有無需專門磁化，提離效應小，無需清洗、打磨等預處理，無需去除蒙皮等表面涂層，檢測效率高，檢測結果準確等諸多優點。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，預先發現了一處長約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濟損失。該檢測技術對于其他類似鐵磁性構件的裂紋缺陷早期檢測也具有借鑒意義。

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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

國家高技術研究發展計劃(863)重點資助項目(2008AA062200)；中央高校基本科研業務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項目管理工作。

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