于鳳云，閆春雨，王學(xué)惠，胡金平，馮明軍

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈的金屬磁記憶檢測及損傷評價(jià)

于鳳云，閆春雨，王學(xué)惠，胡金平，馮明軍

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

圓環(huán)鏈斷鏈?zhǔn)且鸸伟遢斔蜋C(jī)故障的重要因素，將金屬磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用于圓環(huán)鏈的檢測和損傷評價(jià)有其特殊的意義。通過測量磁信號，能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，跟蹤變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對圓環(huán)鏈損傷程度的有效評價(jià)，從而防止斷裂事故發(fā)生。對某選煤廠刮板輸送機(jī)的新鏈和使用時(shí)間不同的三種圓環(huán)鏈進(jìn)行磁記憶檢測，獲得不同磨損狀態(tài)圓環(huán)鏈的殘余磁場強(qiáng)度。結(jié)果表明：圓環(huán)鏈的使用時(shí)間越長，殘余磁場強(qiáng)度均值越大，殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量和標(biāo)準(zhǔn)差也明顯增加，其損傷程度也越嚴(yán)重。該研究應(yīng)用多個(gè)參數(shù)對磁記憶檢測結(jié)果進(jìn)行分析，綜合評價(jià)圓環(huán)鏈的損傷程度，為圓環(huán)鏈的無損檢測和損傷評價(jià)提供新方法和新途徑。

刮板輸送機(jī)；圓環(huán)鏈；金屬磁記憶檢測；磁場強(qiáng)度

0 引 言

圓環(huán)鏈在采礦、冶金等工業(yè)部門應(yīng)用廣泛，尤其在煤礦行業(yè)，它是采煤機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械的重要部件，它的安全運(yùn)行是礦井正常生產(chǎn)和煤礦工人安全的重要保障。由于設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)以及工作條件等因素，圓環(huán)鏈的破壞斷裂事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，造成生命財(cái)產(chǎn)安全事故[1]。在刮板機(jī)使用過程中，斷鏈故障占礦井機(jī)電事故影響產(chǎn)量的34%[2]。因此，需要采用合適的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

對于圓環(huán)鏈的無損檢測，付興武等[3]采取漏磁探傷的方法，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上給出礦用圓環(huán)鏈缺陷漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度與缺陷特征尺寸的關(guān)系，給出圓環(huán)鏈缺陷漏磁場強(qiáng)度的計(jì)算方法，但由于圓環(huán)鏈的特殊形狀，只能檢測其直邊部分的缺陷。葉平等[4]對圓環(huán)鏈裂紋的在線檢測采用電磁聲技術(shù)，但將電磁聲傳感器用于圓環(huán)鏈檢測時(shí)，會存在對鋼板、鋼棒類工件檢測中所不曾遇到的一些問題，因?yàn)閳A環(huán)鏈的焊縫和長期使用后的銹蝕，會對表面波的傳播產(chǎn)生影響，造成超聲波的散射、衍射，嚴(yán)重時(shí)會影響到接收信號的拾取。王金海[5]采用電渦流法對圓環(huán)鏈進(jìn)行檢測，僅能對探頭掃查到的部位進(jìn)行檢測，對圓環(huán)鏈的圓弧部分則無能為力。為此，筆者提出圓環(huán)鏈金屬磁記憶檢測方法。

1 檢測機(jī)理

金屬磁記憶檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍比較廣泛，它對一切鐵磁工件的應(yīng)力集中均能檢測，在航空、石油、電力等行業(yè)都有應(yīng)用實(shí)例。圓環(huán)鏈在焊接、冷加工、工作載荷尤其在疲勞載荷作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，在圓環(huán)鏈出現(xiàn)缺陷或缺陷形成之前，其微小區(qū)域的變化在地球磁場作用下，會發(fā)出磁場變化信息。由于圓環(huán)鏈材料自身的遺傳性，即在生產(chǎn)制造中形成的微觀缺陷以及在后來運(yùn)行中負(fù)荷的關(guān)系，金屬磁記憶以累積的方式表現(xiàn)出來，運(yùn)行中圓環(huán)鏈負(fù)荷作用力大小和方向的變化會引起金屬磁量值H大小和方向的變化。在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的磁致伸縮性質(zhì)的形變會引起磁疇壁位移，改變其自發(fā)磁化方向，形成磁疇的固定節(jié)點(diǎn)，增加磁場能量，從而使磁彈性能發(fā)生變化。通過檢測圓環(huán)鏈的磁信號，能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，實(shí)現(xiàn)對圓環(huán)鏈應(yīng)力集中的檢測[6]。理論分析可知，在缺陷或應(yīng)力集中的地方，金屬的磁導(dǎo)率最小，在表面形成最大漏磁場，如圖1所示。通過測量圓環(huán)鏈漏磁場的法向分量Hy，能夠分析圓環(huán)鏈的應(yīng)力和損傷情況。

圖1 漏磁場法向分量Fig.1 Normal component of leakage field

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 原始情況分析

實(shí)驗(yàn)所選用的圓環(huán)鏈為某選煤廠濃縮池內(nèi)的工作圓環(huán)鏈，材質(zhì)為16Mn，規(guī)格φ18×64 mm，運(yùn)輸能力6～7 t/h，電機(jī)功率17 kW。根據(jù)煤炭工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)MT36-80《礦用圓環(huán)鏈的規(guī)格和性能》，理論上該圓環(huán)鏈的最小內(nèi)寬為21 mm，最大外寬為60 mm。

為對比分析不同損傷程度圓環(huán)鏈的法向殘余磁場強(qiáng)度，選取新鏈和使用時(shí)間不同的三種圓環(huán)鏈，其實(shí)物照片如圖2所示。從圓環(huán)鏈的外觀明顯看出，圓弧部分內(nèi)側(cè)有不同程度的磨損。圓環(huán)鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)的主要零件，工作時(shí)承受較大的張力，并與溜槽相互摩擦。兩圓環(huán)鏈在工作過程中又是相互接觸的，在刮板機(jī)直線部分由于擠壓產(chǎn)生疲勞；在通過鏈輪時(shí)，由于相對滑動摩擦與擠壓而磨損，這種磨損，平環(huán)與立環(huán)同時(shí)產(chǎn)生。同時(shí)，直邊部分外側(cè)磨損。這是圓環(huán)鏈與溜槽磨損最嚴(yán)重的部分，磨損后使鏈環(huán)直徑縮小，外寬隨之減小，強(qiáng)度下降，這種磨損，立環(huán)比平環(huán)嚴(yán)重。圓弧部分外側(cè)也發(fā)生了不同程度的磨損，這部分磨損主要是圓環(huán)鏈在經(jīng)過機(jī)頭鏈輪時(shí)，與鏈輪輪齒嚙合過程中產(chǎn)生相對滑動而造成的，平環(huán)比立環(huán)嚴(yán)重[7]。對四種圓環(huán)鏈的內(nèi)寬和內(nèi)長進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)內(nèi)寬由21.96增加至23.80 mm，內(nèi)長由64.32增加到68.70 mm。從這些尺寸的變化中可以明顯看出，隨著使用時(shí)間的增加，圓環(huán)鏈的損傷在加劇，導(dǎo)致圓環(huán)鏈整體長度增加，圓環(huán)鏈變松。當(dāng)鏈條的伸長量超過2.5%～3.0%[8]，圓環(huán)鏈損壞或磨損嚴(yán)重，則不能再使用，應(yīng)更換新鏈條[9]。

a 新鏈 b 使用2個(gè)月 c 使用4個(gè)月 d 使用6個(gè)月

2.2 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

圓環(huán)鏈平放，檢測法向殘余磁場強(qiáng)度Hy。只要檢測面處于同一平面內(nèi)，對于任一測點(diǎn)來說，檢測面與地磁軸之間角度的不同并不影響檢測結(jié)果的可靠性[10]，因此，具體的檢測路線如圖3所示，按照測點(diǎn)序號從1到44的順序進(jìn)行。在圓環(huán)鏈的直邊每側(cè)各取11個(gè)(測點(diǎn)序號1～11、23～33)，圓弧部分各取13個(gè)(測點(diǎn)序號11～23，記為圓弧1；33～1，記為圓弧2)測點(diǎn)。檢測儀器采用分辨力1 μT的SG-4L特斯拉計(jì)，探頭提離值2 mm。

圖3 磁場強(qiáng)度檢測點(diǎn)的劃分Fig.3 Division of magnetic intensity monitoring points

3 結(jié)果與分析

3.1 殘余磁場強(qiáng)度及其差數(shù)模量

圓環(huán)鏈1為新鏈，各測點(diǎn)殘余磁場強(qiáng)度Hy如圖4所示。為分析的方便，定義殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量|ΔHy|，如公式(1)，該參數(shù)的含義與磁場強(qiáng)度梯度一致，能夠反映圓環(huán)鏈各點(diǎn)應(yīng)力集中的程度，殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量如圖4b所示。

|ΔHy|=|Hyi-Hyi-1|,

(1)

式中:Hyi、Hyi-1——第i、i-1個(gè)測點(diǎn)處的法向殘余磁場強(qiáng)度，mT。

如圖4a殘余磁場強(qiáng)度最大值Hymax為0.115 mT，最小值Hymin為 -0.016 mT，殘余磁場強(qiáng)度波動量為0.131 mT，均值為0.052 mT。在直邊與圓弧過渡部分(靠近直邊一側(cè))Hy較大，如圖4測點(diǎn)序號為11、22～29，其中最大值|ΔHy|max0.115出現(xiàn)在測點(diǎn)29處。圓弧部分的殘余磁場強(qiáng)度最大值為0.097 mT，出現(xiàn)在圓弧1最邊緣的一點(diǎn)，如圖4a的23測點(diǎn)處，圖4c270°處。在直邊與圓弧過渡部分(靠近直邊一側(cè))殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量較大，如圖4b測點(diǎn)序號為9、11、12、20、22、30、35，其中殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量最大值|ΔHy|max為0.034 mT，出現(xiàn)在測點(diǎn)序號11處，即直邊部分與圓弧部分的過渡位置，這也是圓環(huán)鏈易斷裂部位。殘余磁場強(qiáng)度出現(xiàn)兩處零值點(diǎn)，如圖4a測點(diǎn)38～39、43～44之間，圖4d 60°～90°、330°～0°之間。

a 總的殘余磁場強(qiáng)度

b 差數(shù)模量

c 半圓弧1

d 半圓弧2

由于篇幅所限，圓環(huán)鏈2、3、4的殘余磁場強(qiáng)度及其差數(shù)模量曲線不再單獨(dú)給出，將四個(gè)圓環(huán)鏈殘余磁場強(qiáng)度按檢測路線上測點(diǎn)順序用雷達(dá)圖統(tǒng)一表示，如圖5所示；殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量只給出最大值|ΔHy|max，如圖6；殘余磁場強(qiáng)度波動量HF如圖7所示。

使用時(shí)間為2個(gè)月的圓環(huán)鏈2上各測點(diǎn)的殘余磁場強(qiáng)度波動范圍-0.036～0.118 mT，其最大值出現(xiàn)在圓弧2靠接直邊的位置，如圖5中Hy2曲線的36號測點(diǎn)處；在圓弧2中間部分殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量較大，測點(diǎn)序號為37處，最大值為0.104 mT，此處應(yīng)力集中程度較大，圓弧中部承受較大的剪切應(yīng)力，是塑性斷裂的主要部位；兩處過零點(diǎn)位置與圓環(huán)鏈1一致。

圓環(huán)鏈3的殘余磁場強(qiáng)度數(shù)值在-0.104～0.195 mT之間，波動范圍比圓環(huán)鏈1、2的有所增加。殘余磁場強(qiáng)度最大值0.195 mT出現(xiàn)測點(diǎn)38處，如圖5中Hy3曲線所示。在圓弧2部分，殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量最大，其數(shù)值為0.101 mT，出現(xiàn)在測點(diǎn)26、27處，殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量的分布特征與使用圓環(huán)鏈2的一致。圓環(huán)鏈3的殘余磁場強(qiáng)度存在6處過零點(diǎn)。

圓環(huán)鏈4的殘余磁場強(qiáng)度波動范圍比3號圓環(huán)鏈又有所增加，達(dá)到0.381 mT，如圖7所示。差數(shù)模量最大值出現(xiàn)的位置與3號圓環(huán)鏈一樣，也是圓環(huán)鏈易斷部位，與使用2個(gè)月和4個(gè)月的圓環(huán)鏈的差數(shù)模量分布特征一致。

使用過的圓環(huán)鏈2、3、4與圓環(huán)鏈1相比，殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量最大值|ΔHy|max差別不大，但與圓環(huán)鏈1相比，|ΔHy|max卻明顯增加，如圖6所示。

隨著圓環(huán)鏈?zhǔn)褂脮r(shí)間的增加及變形量的增加，其殘余磁場強(qiáng)度波動量呈現(xiàn)增大趨勢，如圖7所示。

圖5 殘余磁場強(qiáng)度雷達(dá)圖Fig.5 Radar map of residual magnetic field intensity

圖6 殘余磁場強(qiáng)度差數(shù)模量最大值Fig.6 Maximal absolute value

圖7 殘余磁場強(qiáng)度波動量Fig.7 Fluctuation of residual magnetic field intensity of residual magnetic field intensity differences

3.2 殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差

上述殘余磁場強(qiáng)度Hy反映的是圓環(huán)鏈上各測點(diǎn)的磁場狀態(tài)，對數(shù)據(jù)提供的信息利用不夠，不能反應(yīng)圓環(huán)鏈應(yīng)力或變形的總體狀態(tài)；|ΔHy|max能夠區(qū)分新鏈和使用時(shí)間不同的圓環(huán)鏈，但對使用過的不同應(yīng)力狀態(tài)或變形情況的圓環(huán)鏈卻無法區(qū)分；殘余磁場強(qiáng)度波動量能夠反映圓環(huán)鏈總磁場強(qiáng)度的變動，但不能夠體現(xiàn)每個(gè)測點(diǎn)位置的變形情況。同時(shí)，在跟蹤圓環(huán)鏈變形過程中，每各測量節(jié)點(diǎn)圓環(huán)鏈的初始磁場和周圍磁場條件都可能會發(fā)生變化。為此，提出一個(gè)新的評估參數(shù)-殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ(Hy)，如式(2)，即每個(gè)測點(diǎn)的Hy相對于殘余磁場強(qiáng)度均值的集中程度。依此才能更全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)磁場強(qiáng)度的變化情況。

(2)

式中：Hyi——第i個(gè)測點(diǎn)的法向殘余磁場強(qiáng)度，mT；

n——采樣點(diǎn)數(shù)，n=44。

由式(2)計(jì)算得到四個(gè)圓環(huán)鏈的σ(Hy)，如圖3所示，隨著圓環(huán)鏈?zhǔn)褂脮r(shí)間增長，即損傷程度的加劇，σ(Hy)明顯增加，從檢測數(shù)據(jù)的分布情況分析，σ(Hy)與使用時(shí)間之間的關(guān)系符合二次曲線的形狀，其擬合關(guān)系式和擬合曲線如圖8所示，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999～9.000。

根據(jù)圓環(huán)鏈材料16Mn的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ(Hy)與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系可得到相應(yīng)的變形[11]。將圓環(huán)鏈殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與材料16Mn拉伸變形量分別進(jìn)行歸一化處理，二者歸一化后的結(jié)果HR如圖9所示。從圖9可以看出，殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與變形量有較好的一致性，即使用時(shí)間長或損傷嚴(yán)重的圓環(huán)鏈，其殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差大，變形量也大；

反之，使用時(shí)間短或損傷一般的圓環(huán)鏈殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變形量都比較小。因此，可以利用殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差描述圓環(huán)鏈的損傷程度，作為評價(jià)其變形的依據(jù)。具體做法：通過大量實(shí)驗(yàn)給出圓環(huán)鏈殘余磁場強(qiáng)度的標(biāo)定曲線，根據(jù)材料性能，設(shè)定閾值。在此基礎(chǔ)上，對在役圓環(huán)鏈殘余磁場強(qiáng)度進(jìn)行測量，計(jì)算其σ(Hy)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)σ(Hy)接近或達(dá)到閾值時(shí)，及時(shí)更換圓環(huán)鏈，防止斷鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生。當(dāng)然，由于圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)、傳感器形狀、檢測方法的限制，目前，離這一技術(shù)的現(xiàn)場準(zhǔn)確、快速應(yīng)用還有一段距離，還有許多研究工作需要進(jìn)一步深入開展。

圖8 殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Standard deviation

圖9 殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差-變形量歸一化結(jié)果Fig.9 Normalization result of distortion of residual magnetic field intensity of residual magnetic field intensity

4 結(jié)束語

磁記憶檢測可以為刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈的無損探傷評價(jià)提供新的方法。通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理，筆者認(rèn)為：由于磁機(jī)械效應(yīng)的存在使鐵磁性圓環(huán)鏈的表面磁場增強(qiáng)，可以在不充磁的情況下對其磁信號進(jìn)行檢測；刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈?zhǔn)芰η闆r復(fù)雜，損傷嚴(yán)重，現(xiàn)場中一般由工人根據(jù)圓環(huán)鏈磨損的嚴(yán)重程度，決定是否需要更換。將金屬磁記憶檢測方法應(yīng)用到圓環(huán)鏈檢測以后，可以根據(jù)磁記憶檢測得到的殘余磁場強(qiáng)度、殘余磁場強(qiáng)度變動量、殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差評估圓環(huán)鏈的變形狀態(tài)，這其中殘余磁場強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差是最為有效的評價(jià)參數(shù)；通過檢測和跟蹤殘余磁場強(qiáng)度及其相應(yīng)數(shù)值的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)刮板鏈的薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)防斷鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，保證刮板輸送機(jī)的安全運(yùn)行。

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(編輯 晁曉筠 校對 李德根)

Metal magnetic memory testing and damage evaluation of ring chain for scraper conveyor

YuFengyun,YanChunyu,WangXuehui,HuJingping,FengMingjun

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

The ring chain breakage constitutes an important factor behind the failure of the scraper conveyors,which explains why it is so important to apply metal magnetic memory testing technique to the detection and damage evaluation of ring chain.Magnetic signal measurement affords the ability to find the stress concentration areas,follow the variation tendency,achieve the effective evaluation of the damage degree of the ring chain,and thereby prevent the occurrence of fracture.This paper describes the magnetic memory test of both a new chain of scraper conveyor in a coal preparation plant and three ring chains with different using time and provides the residual magnetic field intensity of ring chains with different wear states.The deeper analysis of testing magnetic signals verifies that a longer use of ring chain is associated with a larger mean value of residual magnetic intensity,suggesting a significant increase in the absolute value and the standard deviation of residual magnetic field intensity differences and the resultant more serious injury.The research drawing on the analysis of the results of magnetic memory test using multiple parameters and the comprehensive evaluation of the damage degree of ring chain may provide a new method for nondestructive test and damage evaluation of ring chains.

scraper conveyor; ring chain; metal magnetic memory testing; magnetic field intensity

2017-02-10

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541691)

于鳳云(1968-)，女，黑龍江省慶安人，教授，博士，研究方向:機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，E-mail：1578415766@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.009

TG115.28

2095-7262(2017)02-0139-05

A