在役皮帶運(yùn)輸機(jī)滾筒軸的超聲波檢測(cè)與質(zhì)量分析

黃海 張博 徐可濤

（云南恒峰工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司）

1 引言

皮帶運(yùn)輸機(jī)是連接各項(xiàng)生產(chǎn)工序的重要傳輸設(shè)備，皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸量也就意味著工廠的產(chǎn)量。隨著各大工廠的不斷發(fā)展，產(chǎn)量任務(wù)也不斷提升，如果在沒有繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模的情況下，就需要加大負(fù)荷生產(chǎn)。皮帶滾筒軸在高負(fù)荷運(yùn)行下易產(chǎn)生危害性缺陷，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)則容易引發(fā)斷軸設(shè)備事故（如圖1所示）。根據(jù)實(shí)際情況在皮帶運(yùn)輸機(jī)未擴(kuò)大規(guī)模或進(jìn)行改良的情況下，需對(duì)皮帶滾筒軸進(jìn)行周期性超聲波檢測(cè)，避免斷軸設(shè)備事故再次發(fā)生。本文結(jié)合工程實(shí)際對(duì)皮帶滾筒軸質(zhì)量進(jìn)行判斷分析。

圖1 滾筒軸發(fā)生斷裂

2 檢測(cè)方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10595-2017《帶式輸送機(jī)》中A.2.4.1的要求，滾筒軸的無損檢測(cè)方法應(yīng)按GB/T6402-2008《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》規(guī)定的方法進(jìn)行[1]。

2.1 掃查方式的選擇

（1）100 %掃查覆蓋

對(duì)滾筒軸所有部位進(jìn)行檢測(cè)即為100 %掃查覆蓋。

該方式的優(yōu)點(diǎn)：一是夠檢測(cè)出縱向和橫向缺陷，缺陷檢出率高；二是不易出現(xiàn)誤判；三是能采用多樣的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)（如磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)），可避免出現(xiàn)表面缺陷漏檢的情況；四是按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)人員的能力水平相對(duì)要求不高。

該方式的缺點(diǎn)：一是檢測(cè)工作量大，并且檢測(cè)費(fèi)用高；二是軸需要從滾筒中拆卸出來，拆卸工程所需時(shí)間長(zhǎng)。

100 %掃查覆蓋是目前對(duì)滾筒軸檢測(cè)的最優(yōu)方式，在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用該種方式檢測(cè)。

（2）部分掃查覆蓋

根據(jù)工廠實(shí)際情況，滾筒的安裝簡(jiǎn)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(cè)面為兩側(cè)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(jìn)行檢測(cè)。

圖2 滾筒安裝簡(jiǎn)圖（加粗部分為滾筒軸）

該方式的優(yōu)點(diǎn)：一是檢測(cè)工作量小，并且檢測(cè)費(fèi)用低；二是能夠檢測(cè)出橫向缺陷；三是不用對(duì)滾筒進(jìn)行拆卸，不影響生產(chǎn)，可短時(shí)間進(jìn)行周期檢測(cè)。

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

2.2 檢測(cè)方法的選擇

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6402-2008《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》中的要求，用于鍛件缺陷評(píng)定的超聲波檢測(cè)方法有：當(dāng)量評(píng)定法和底面回波高度法。

（1）當(dāng)量評(píng)定法

當(dāng)量評(píng)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(jìn)行比較的方法，主要用于需要準(zhǔn)確評(píng)級(jí)的工件的檢測(cè)方法，也是目前檢測(cè)工程應(yīng)用最多的檢測(cè)方法。

當(dāng)量評(píng)定法的優(yōu)點(diǎn)：一是能較為準(zhǔn)確的檢測(cè)出缺陷的當(dāng)量，從而準(zhǔn)確評(píng)定級(jí)別；二是可適用于對(duì)形狀復(fù)雜而無底面回波的工件進(jìn)行檢測(cè)；三是用人工反射體調(diào)好儀器以后，操作方便。

當(dāng)量評(píng)定法的缺點(diǎn)：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(cè)成本較大；二是由于影響缺陷反射波的因素很多，如工件內(nèi)部組織情況、工件外部形狀等，所以該方法確定的缺陷當(dāng)量尺寸一般都比實(shí)際尺寸小；三是不適用于較長(zhǎng)工件的檢測(cè)。

（2）底面回波高度法

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

底面回波高度法的優(yōu)點(diǎn)：一是不需要對(duì)比試塊和復(fù)雜的計(jì)算，檢測(cè)成本低；二是可以利用缺陷的陰影對(duì)缺陷大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，有助于檢測(cè)因缺陷形狀、反射率等原因使反射信號(hào)較弱的大缺陷。三是可以結(jié)合缺陷波形的變化，初步判定缺陷的性質(zhì)，以及確定工件內(nèi)部組織是否均勻。

底面回波高度法的缺點(diǎn)：一是不能明確地給出缺陷尺寸；二是不適用于對(duì)形狀復(fù)雜而無底面回波的工件進(jìn)行檢測(cè)[2]；三是如需要初步判定缺陷性質(zhì)，對(duì)檢測(cè)人員的能力水平要求較高；質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定僅適用于由缺陷的存在引起的底波快速衰減，沒有當(dāng)量評(píng)定法的評(píng)級(jí)精準(zhǔn)。

在實(shí)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(jìn)行檢測(cè)時(shí)底波較為明顯，滾筒軸又存在一些臺(tái)階和鍵槽干擾檢測(cè)，故滾筒軸檢測(cè)使用的檢測(cè)手段選用底面回波高度法。

2.3 底面回波高度法基準(zhǔn)波的調(diào)節(jié)及質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定

首先確定滾筒軸完好部位的底波，調(diào)整到滿幅度的70 %，作為評(píng)定回波信號(hào)的基準(zhǔn)，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(tái)階波）。在檢測(cè)過程中，靈敏度不變，用有缺陷時(shí)的底面回波幅度BF與無缺陷時(shí)的底面回波幅度B相比，得出底波降低系數(shù)R（見式1）。

圖3 無缺陷波形示意圖

圖4 實(shí)際中無缺陷波形示意圖

R為1時(shí)表示無缺陷，BF/B的值越小，代表缺陷就越大。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》GB/T6402-2008中的要求，由缺陷引起底波降低的質(zhì)量評(píng)級(jí)參照表1執(zhí)行。

表1 由缺陷引起底波降低的質(zhì)量分級(jí)

3 對(duì)滾筒軸中危害缺陷及相應(yīng)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(zhì)本身強(qiáng)度不夠（晶粒粗大）等原因引起的，故滾筒軸的檢測(cè)主要也是針對(duì)危害性缺陷的檢測(cè)。

3.1 密集缺陷

在檢測(cè)中，示波屏上同時(shí)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(yán)重或者消失，在滾筒軸檢測(cè)中不允許出現(xiàn)，其波形如圖5所示（其中F代表缺陷）。

3.2 裂紋

裂紋的產(chǎn)生原因很多，種類也多，滾筒軸的檢測(cè)主要針對(duì)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(cè)方向且裂紋較深，則會(huì)出現(xiàn)多次缺陷波反射，同時(shí)底波直接消失，如圖6所示；若裂紋方向與檢測(cè)方向傾斜較大，則會(huì)出現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)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(cè)方向反射波

圖7 裂紋方向傾斜于檢測(cè)方向反射波

圖8 較淺裂紋波形圖

3.3 晶粒粗大

滾筒軸內(nèi)部組織晶粒粗大，則其強(qiáng)度、塑性和韌性均會(huì)降低，在高負(fù)荷運(yùn)行的情況下極易斷軸。同時(shí)晶粒粗大的滾筒軸超聲波檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，不符合探傷要求，故發(fā)現(xiàn)晶粒粗大的滾筒軸必須報(bào)廢。當(dāng)材質(zhì)晶粒粗大時(shí)，在超聲波顯示屏上會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的草狀回波，底波較低，嚴(yán)重時(shí)底波會(huì)直接消失，波形如圖9所示。此類情況一般出現(xiàn)在滾筒軸的生產(chǎn)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(cè)

以采礦皮帶滾筒軸的檢測(cè)為例，根據(jù)廠家提供的圖紙，檢測(cè)的滾筒軸長(zhǎng)度為3 190 mm，檢測(cè)面直徑為300 mm，軸的兩端對(duì)稱，具體如圖10所示：

圖10 滾筒軸簡(jiǎn)圖

4.1 檢測(cè)前的準(zhǔn)備

（1）探頭的選擇

滾筒軸的檢測(cè)主要采用直探頭，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《鋼鍛件超聲檢測(cè)方法》GB/T6402-2008，探頭的標(biāo)稱頻率在1.0 MHZ-6.0 MHZ之間，探頭的晶片有效直徑應(yīng)在10 mm-40 mm之間[3]。滾筒軸屬于鍛件，而且比較長(zhǎng)，結(jié)合實(shí)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(cè)的探頭。

（2）掃查參數(shù)

掃查部位為軸兩側(cè)端面，相鄰探頭移動(dòng)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(cè)表面應(yīng)無油漆、氧化皮和干結(jié)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(dòng)及引起判斷錯(cuò)誤的物質(zhì)。同時(shí)要求表面粗糙度Ra≤6.3 μm。

4.2 滾筒軸實(shí)際檢測(cè)中的缺陷分析

按照文中2.3中底面回波高度法基準(zhǔn)波的調(diào)節(jié)方法，將完好滾筒軸的底波幅度調(diào)整為如圖4所示的波形，作為評(píng)定回波信號(hào)的基準(zhǔn)，然后開始對(duì)滾筒軸的兩側(cè)端面進(jìn)行全覆蓋掃查。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)以下典型缺陷：

（1）磨損后引發(fā)的裂紋

滾筒軸和脹套在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，軸徑表面受脹套的擠壓力和復(fù)合機(jī)械力的作用出現(xiàn)長(zhǎng)久性變形，然而金屬的退讓性非常差，出現(xiàn)間隙后，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，間隙就會(huì)越來越大直到磨損的情況出現(xiàn)。磨損使得軸的自身強(qiáng)度不足，在磨損較深處易產(chǎn)生裂紋。

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)滾筒軸出現(xiàn)磨損。當(dāng)探頭移動(dòng)到滾筒軸端面中間位置時(shí)，波形如圖4所示，證明此軸只存在局部缺陷。當(dāng)探頭移動(dòng)到滾筒軸端面邊緣時(shí)，出現(xiàn)如圖11所示波形，530 mm（臺(tái)階）處出現(xiàn)幅度為滿幅度80 %的缺陷波，980 mm（脹套）處出現(xiàn)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(xiàn)，底波幅度下降至滿幅度的41 %。根據(jù)式（1）得：

圖11 探頭移到端面邊緣時(shí)的缺陷波形

對(duì)照表1進(jìn)行評(píng)級(jí)，此滾筒軸評(píng)為3級(jí)，建議對(duì)此軸進(jìn)行修復(fù)處理。后經(jīng)實(shí)際拆卸后驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)距端面980 mm的脹套處出現(xiàn)一定磨損，并伴有較淺表面裂紋，同時(shí)由于維護(hù)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(shí)際拆卸后軸的磨損情況

（2）臺(tái)階、鍵槽處產(chǎn)生的裂紋

滾筒軸主要承受著扭轉(zhuǎn)載荷，長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，極易在臺(tái)階、鍵槽等處附近產(chǎn)生疲勞裂縫。疲勞裂紋危害巨大，且產(chǎn)生時(shí)間不確定，需要對(duì)滾筒軸進(jìn)行周期性檢測(cè)。

檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)滾筒軸內(nèi)部在530 mm（臺(tái)階）處存在大面積疲勞裂紋缺陷。由于裂紋方向與檢測(cè)方向有一定傾斜，超聲波屏幕上出現(xiàn)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(jù)式（1）對(duì)照表1進(jìn)行評(píng)級(jí)，此滾筒軸評(píng)為1級(jí)，建議對(duì)此軸作報(bào)廢處理。經(jīng)拆卸破壞后驗(yàn)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(shí)際中檢測(cè)出傾斜裂紋波形圖

圖14 實(shí)際破壞后的斷面圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，通過部分覆蓋的掃查方式和底面回波高度法對(duì)滾筒軸進(jìn)行檢測(cè)，可有效地發(fā)現(xiàn)滾筒軸內(nèi)部存在的缺陷。同時(shí)結(jié)合對(duì)缺陷波形圖的分析，可對(duì)滾筒軸做出相應(yīng)的質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)。

（2）結(jié)合工廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，建議在役滾筒軸的周期檢測(cè)時(shí)間為半年，對(duì)新進(jìn)備件進(jìn)行上線前檢測(cè)，同時(shí)建議工廠維保人員嚴(yán)格按照維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程對(duì)滾筒軸進(jìn)行檢查和潤(rùn)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(yùn)輸機(jī)一旦出現(xiàn)斷軸設(shè)備事故，工廠將會(huì)部分停產(chǎn)或直接停產(chǎn)，引起巨大損失。而若是提前發(fā)現(xiàn)滾筒軸存在危害性缺陷，立即更換，則最多停產(chǎn)1天，既保證了皮帶運(yùn)輸機(jī)的使用安全，也為企業(yè)節(jié)省了80 %以上的停產(chǎn)檢修時(shí)間，從而證明了超聲波檢測(cè)的必要性。