在役皮帶運輸機滾筒軸的超聲波檢測與質量分析

黃海 張博 徐可濤

（云南恒峰工程質量檢測有限公司）

1 引言

皮帶運輸機是連接各項生產工序的重要傳輸設備，皮帶運輸機的運輸量也就意味著工廠的產量。隨著各大工廠的不斷發(fā)展，產量任務也不斷提升，如果在沒有繼續(xù)擴大規(guī)模的情況下，就需要加大負荷生產。皮帶滾筒軸在高負荷運行下易產生危害性缺陷，若未及時發(fā)現則容易引發(fā)斷軸設備事故（如圖1所示）。根據實際情況在皮帶運輸機未擴大規(guī)模或進行改良的情況下，需對皮帶滾筒軸進行周期性超聲波檢測，避免斷軸設備事故再次發(fā)生。本文結合工程實際對皮帶滾筒軸質量進行判斷分析。

圖1 滾筒軸發(fā)生斷裂

2 檢測方法

根據標準GB/T10595-2017《帶式輸送機》中A.2.4.1的要求，滾筒軸的無損檢測方法應按GB/T6402-2008《鋼鍛件超聲檢測方法》規(guī)定的方法進行[1]。

2.1 掃查方式的選擇

（1）100 %掃查覆蓋

對滾筒軸所有部位進行檢測即為100 %掃查覆蓋。

該方式的優(yōu)點：一是夠檢測出縱向和橫向缺陷，缺陷檢出率高；二是不易出現誤判；三是能采用多樣的檢測方法進行檢測（如磁粉檢測或滲透檢測），可避免出現表面缺陷漏檢的情況；四是按照標準進行全覆蓋檢測，對檢測人員的能力水平相對要求不高。

該方式的缺點：一是檢測工作量大，并且檢測費用高；二是軸需要從滾筒中拆卸出來，拆卸工程所需時間長。

100 %掃查覆蓋是目前對滾筒軸檢測的最優(yōu)方式，在條件允許的情況下，應當優(yōu)先采用該種方式檢測。

（2）部分掃查覆蓋

根據工廠實際情況，滾筒的安裝簡圖如圖2所示，滾筒軸基本上被筒體和軸承遮擋，露出的有效檢測面為兩側端面。但在役滾筒和備件滾筒要把軸拆卸出來是比較困難的，大部分工廠無法滿足要求，所以只能采用部分掃查覆蓋的方法進行檢測。

圖2 滾筒安裝簡圖（加粗部分為滾筒軸）

該方式的優(yōu)點：一是檢測工作量小，并且檢測費用低；二是能夠檢測出橫向缺陷；三是不用對滾筒進行拆卸，不影響生產，可短時間進行周期檢測。

該方式的缺點：一是不能檢測出縱向缺陷；二是懷疑是缺陷的部位不易驗證；三是不能檢測出滾筒軸表面缺陷；四是對檢測人員能力水平要求高。

2.2 檢測方法的選擇

根據標準GB/T6402-2008《鋼鍛件超聲檢測方法》中的要求，用于鍛件缺陷評定的超聲波檢測方法有：當量評定法和底面回波高度法。

（1）當量評定法

當量評定法是將缺陷的回波幅度與規(guī)則的人工反射體的回波幅度進行比較的方法，主要用于需要準確評級的工件的檢測方法，也是目前檢測工程應用最多的檢測方法。

當量評定法的優(yōu)點：一是能較為準確的檢測出缺陷的當量，從而準確評定級別；二是可適用于對形狀復雜而無底面回波的工件進行檢測；三是用人工反射體調好儀器以后，操作方便。

當量評定法的缺點：一是需要制作或找到與被檢工件材料相似的人工反射體，檢測成本較大；二是由于影響缺陷反射波的因素很多，如工件內部組織情況、工件外部形狀等，所以該方法確定的缺陷當量尺寸一般都比實際尺寸小；三是不適用于較長工件的檢測。

（2）底面回波高度法

底面回波高度法是根據底面回波高度給缺陷定量的方法，主要用于工件大缺陷評定的檢測。

底面回波高度法的優(yōu)點：一是不需要對比試塊和復雜的計算，檢測成本低；二是可以利用缺陷的陰影對缺陷大小進行評價，有助于檢測因缺陷形狀、反射率等原因使反射信號較弱的大缺陷。三是可以結合缺陷波形的變化，初步判定缺陷的性質，以及確定工件內部組織是否均勻。

底面回波高度法的缺點：一是不能明確地給出缺陷尺寸；二是不適用于對形狀復雜而無底面回波的工件進行檢測[2]；三是如需要初步判定缺陷性質，對檢測人員的能力水平要求較高；質量等級的評定僅適用于由缺陷的存在引起的底波快速衰減，沒有當量評定法的評級精準。

在實際工廠中，業(yè)主方通常的要求為：判斷滾筒軸中是否存在引起斷軸的危害性缺陷。由于滾筒軸從軸的兩邊端頭進行檢測時底波較為明顯，滾筒軸又存在一些臺階和鍵槽干擾檢測，故滾筒軸檢測使用的檢測手段選用底面回波高度法。

2.3 底面回波高度法基準波的調節(jié)及質量等級的評定

首先確定滾筒軸完好部位的底波，調整到滿幅度的70 %，作為評定回波信號的基準，如圖3和圖4所示（其中T代表發(fā)射波，B代表底波，B1代表臺階波）。在檢測過程中，靈敏度不變，用有缺陷時的底面回波幅度BF與無缺陷時的底面回波幅度B相比，得出底波降低系數R（見式1）。

圖3 無缺陷波形示意圖

圖4 實際中無缺陷波形示意圖

R為1時表示無缺陷，BF/B的值越小，代表缺陷就越大。根據標準《鋼鍛件超聲檢測方法》GB/T6402-2008中的要求，由缺陷引起底波降低的質量評級參照表1執(zhí)行。

表1 由缺陷引起底波降低的質量分級

3 對滾筒軸中危害缺陷及相應超聲波波形的分析

滾筒軸屬于鍛件。鍛件中常見的缺陷有：縮孔和縮管、疏松、非金屬夾雜物、夾砂、折疊、密集缺陷、裂紋、晶粒粗大等。而斷軸主要是由密集缺陷、裂紋和材質本身強度不夠（晶粒粗大）等原因引起的，故滾筒軸的檢測主要也是針對危害性缺陷的檢測。

3.1 密集缺陷

在檢測中，示波屏上同時顯示的缺陷回波很多，缺陷之間的間隔很小，甚至連成一片，這種缺陷回波稱為密集缺陷回波。較大面積的密集缺陷能使低波下降嚴重或者消失，在滾筒軸檢測中不允許出現，其波形如圖5所示（其中F代表缺陷）。

3.2 裂紋

裂紋的產生原因很多，種類也多，滾筒軸的檢測主要針對于橫向裂紋，也是引發(fā)斷軸的主要因素之一。鍛件橫向裂紋的反射波比較明顯，若方向正好垂直于檢測方向且裂紋較深，則會出現多次缺陷波反射，同時底波直接消失，如圖6所示；若裂紋方向與檢測方向傾斜較大，則會出現一次較低的缺陷波，且底波直接消失，如圖7所示；若裂紋裂的較淺，則會出現裂紋缺陷波和衰減后的底波，如圖8所示。

圖6 裂紋方向垂直于檢測方向反射波

圖7 裂紋方向傾斜于檢測方向反射波

圖8 較淺裂紋波形圖

3.3 晶粒粗大

滾筒軸內部組織晶粒粗大，則其強度、塑性和韌性均會降低，在高負荷運行的情況下極易斷軸。同時晶粒粗大的滾筒軸超聲波檢測難以發(fā)現內部缺陷，不符合探傷要求，故發(fā)現晶粒粗大的滾筒軸必須報廢。當材質晶粒粗大時，在超聲波顯示屏上會出現連續(xù)的草狀回波，底波較低，嚴重時底波會直接消失，波形如圖9所示。此類情況一般出現在滾筒軸的生產制造過程中。

圖9 晶粒粗大波形示意圖

4 在役滾筒軸的檢測

以采礦皮帶滾筒軸的檢測為例，根據廠家提供的圖紙，檢測的滾筒軸長度為3 190 mm，檢測面直徑為300 mm，軸的兩端對稱，具體如圖10所示：

圖10 滾筒軸簡圖

4.1 檢測前的準備

（1）探頭的選擇

滾筒軸的檢測主要采用直探頭，根據標準《鋼鍛件超聲檢測方法》GB/T6402-2008，探頭的標稱頻率在1.0 MHZ-6.0 MHZ之間，探頭的晶片有效直徑應在10 mm-40 mm之間[3]。滾筒軸屬于鍛件，而且比較長，結合實際條件，我們選用2.5 MHZ頻率、14 mm有效晶片直徑的探頭作為主要檢測的探頭。

（2）掃查參數

掃查部位為軸兩側端面，相鄰探頭移動覆蓋區(qū)至少為有效探頭直徑的10 %，手工掃查速度不超過150 mm/s。

（3）表面要求

檢測表面應無油漆、氧化皮和干結的油脂、表面無凹凸不平，或任何其他引起耦合失效，阻礙探頭自由移動及引起判斷錯誤的物質。同時要求表面粗糙度Ra≤6.3 μm。

4.2 滾筒軸實際檢測中的缺陷分析

按照文中2.3中底面回波高度法基準波的調節(jié)方法，將完好滾筒軸的底波幅度調整為如圖4所示的波形，作為評定回波信號的基準，然后開始對滾筒軸的兩側端面進行全覆蓋掃查。檢測過程中發(fā)現以下典型缺陷：

（1）磨損后引發(fā)的裂紋

滾筒軸和脹套在長期運行過程中，軸徑表面受脹套的擠壓力和復合機械力的作用出現長久性變形，然而金屬的退讓性非常差，出現間隙后，若未及時發(fā)現并采取措施，間隙就會越來越大直到磨損的情況出現。磨損使得軸的自身強度不足，在磨損較深處易產生裂紋。

檢測中發(fā)現一個滾筒軸出現磨損。當探頭移動到滾筒軸端面中間位置時，波形如圖4所示，證明此軸只存在局部缺陷。當探頭移動到滾筒軸端面邊緣時，出現如圖11所示波形，530 mm（臺階）處出現幅度為滿幅度80 %的缺陷波，980 mm（脹套）處出現超屏缺陷波，并且兩者之間伴有較低草狀波（較小密集缺陷）出現，底波幅度下降至滿幅度的41 %。根據式（1）得：

圖11 探頭移到端面邊緣時的缺陷波形

對照表1進行評級，此滾筒軸評為3級，建議對此軸進行修復處理。后經實際拆卸后驗證發(fā)現距端面980 mm的脹套處出現一定磨損，并伴有較淺表面裂紋，同時由于維護保養(yǎng)不到位，露在空氣中的表面部位存在一定的腐蝕情況，如圖12所示。

圖12 實際拆卸后軸的磨損情況

（2）臺階、鍵槽處產生的裂紋

滾筒軸主要承受著扭轉載荷，長時間的高負荷運轉，極易在臺階、鍵槽等處附近產生疲勞裂縫。疲勞裂紋危害巨大，且產生時間不確定，需要對滾筒軸進行周期性檢測。

檢測中發(fā)現一個滾筒軸內部在530 mm（臺階）處存在大面積疲勞裂紋缺陷。由于裂紋方向與檢測方向有一定傾斜，超聲波屏幕上出現一次幅度為滿幅度88 %的缺陷波，底波消失，BF=0 %，波形如圖13所示。根據式（1）對照表1進行評級，此滾筒軸評為1級，建議對此軸作報廢處理。經拆卸破壞后驗證，斷面示意圖如圖14所示，斷裂面與端面存在一定傾斜度。

圖13 實際中檢測出傾斜裂紋波形圖

圖14 實際破壞后的斷面圖

5 結語

（1）經實際驗證，通過部分覆蓋的掃查方式和底面回波高度法對滾筒軸進行檢測，可有效地發(fā)現滾筒軸內部存在的缺陷。同時結合對缺陷波形圖的分析，可對滾筒軸做出相應的質量等級評價。

（2）結合工廠的實際生產情況，建議在役滾筒軸的周期檢測時間為半年，對新進備件進行上線前檢測，同時建議工廠維保人員嚴格按照維護保養(yǎng)規(guī)程對滾筒軸進行檢查和潤滑保養(yǎng)，盡量避免滾筒軸因磨損而引發(fā)裂紋缺陷。

（3）皮帶運輸機一旦出現斷軸設備事故，工廠將會部分停產或直接停產，引起巨大損失。而若是提前發(fā)現滾筒軸存在危害性缺陷，立即更換，則最多停產1天，既保證了皮帶運輸機的使用安全，也為企業(yè)節(jié)省了80 %以上的停產檢修時間，從而證明了超聲波檢測的必要性。