基于金属磁记忆检测技术的振动筛大梁裂纹检测研究

张 强，薛光辉

(1. 中国中煤能源集团公司，北京 100120；2. 中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

基于金属磁记忆检测技术的振动筛大梁裂纹检测研究

张 强1，薛光辉2

(1. 中国中煤能源集团公司，北京 100120；2. 中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083)

阐述了金属磁记忆检测技术及其技术特点，并利用EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪对马脊梁洗煤厂应用的319#振动筛大梁进行了检测，预先发现了一处长约100 mm的早期裂纹，为其备件订购、维修赢得了时间，从而避免了可能造成的巨大经济损失。

振动筛；裂纹检测；金属磁记忆检测技术；早期裂纹

现代化选煤厂多采用模块化设计与布置、流水线作业的生产方式。在选煤厂众多选煤设备中，振动筛是关键设备之一，承担着煤炭洗选工业的分级、脱介、脱水、脱泥等重要职能，在生产中该类设备数量多、规格多、事故多，一旦振动筛出现突发性故障无法运转，将导致选煤厂整个生产线陷入停顿，造成极大的经济损失。因此，振动筛的可靠性直接关系到选煤厂的经济效益。不论是国产还是国外引进的设备，运转到一定时期后，其筛箱侧板开裂、主梁断裂、轴承损坏等事故均会发生，从而对选煤厂的正常生产造成影响，尤其是目前国产大型振动筛与国际先进技术水平相比差距较大，影响生产更为严重。

国内外对振动筛的研究涉及众多行业，范围很广，方法也很多，主要集中在理论和模态分析，结构设计和改进，可靠性设计，难筛分物料的筛分技术，降噪、故障原因分析和技术改造等方面[1-5]。然而，对大型振动筛的状态监测和故障诊断，特别是振动筛大梁和侧帮裂纹的早期检测和诊断的研究却非常不足，因而无法满足生产现场对解决该问题的迫切需求。采用现代故障诊断技术对选煤厂大型振动筛进行状态监测，发展以设备状态为基础的预防维修体制，及早发现故障(如裂纹、应力集中等)征兆，实现故障早期诊断和预报，直至实现设备寿命预估，可有效避免因振动筛突然故障给选煤生产造成的巨大经济损失。为此，采用金属磁记忆检测技术，开展了振动筛大梁裂纹等早期缺陷检测研究，以为振动筛的故障诊断提供技术支持，也为其他行业类似问题的解决提供借鉴。

1 金属磁记忆检测技术

金属磁记忆检测技术是上世纪俄罗斯杜波夫教授提出的一种新型无损检测技术[6-8]，其基本原理是记录在工作载荷作用下铁磁性构件局部应力集中区域中产生的漏磁场，根据漏磁场来判断应力集中及损伤。

机械零部件和金属构件发生损坏的主要根源是各种微观和宏观机械应力集中，在应力集中区域，腐蚀、疲劳和蠕变过程的发展最为激烈。机械应力同铁磁材料的自磁化现象和残磁状况有着直接的联系。在地磁作用的条件下，铁磁性构件缺陷处的导磁率减小，工件表面的漏磁场增大，称为铁磁性材料的磁机械效应。该效应可增强铁磁性构件的表面磁场，增强的磁场“记忆”着部件缺陷或应力集中位置，称为金属的“磁记忆”效应。

理论和试验均表明，金属构件的损坏与其先天的“遗传”特性和后天的在役工作负荷相关，在缺陷的发生、发展过程中，应力集中是根源，是构件损坏的早期表现。工程部件由于疲劳、蠕变而产生的微裂纹会导致缺陷处出现应力集中。

试验研究表明：铁磁性金属部件存在着磁机械效应，其表面上的磁场分布与部件应力载荷有一定的关系。铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp (y)改变符号且具有零值，如图1所示。

金属磁记忆检测技术具有以下显著的特点：①既可检测出宏观缺陷，又可检测出微观缺陷，并进行未来危险预报，准确度高，可通过早期诊断对设备的安全性进行准确评价；②无需专门的磁化装置就能对铁磁性构件进行可靠检测；③提离效应影响小；④无需去除被检测对象表面涂层，就能检测橡胶等蒙皮下的缺陷；⑤无需对被测设备进行清洗、打磨等表面预处理，检测方便，成本低；⑥无需系统、专业的培训，原理可靠，特征信号明显，判据简单；⑦检测快速，能够实现快速检测 (100 m/h)，效率高；⑧检测设备体积小、重量轻，便于携带，可实现单人作业；⑨对设备外露部分检测时，无需设备停机。

图1 铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场的切向分量示意图Fig.1 Tangential component schematic of magnetic field in the region of fault or stress concentration of ferromagnetic parts

在实际应用中，金属磁记忆检测技术可通过检测部件表面的磁场分布情况间接地对部件缺陷或应力集中位置进行诊断。

2 检测对象与仪器

马脊梁洗煤厂是中国中煤能源集团公司与大同煤矿集团公司共同组建的大同中煤出口煤基地建设有限公司下属的一座现代化选煤厂，年入选量达360万t。该厂主要洗选设备约30台(套)，全部从国外引进。图2所示为该选煤厂生产工艺流程图。

马脊梁洗煤厂采用模块化安装，占地面积要比同等选煤能力的选煤厂小，易于搬迁。2004年以来，生产中曾多次发生振动筛大梁出现裂纹后突然断裂的事故，导致经济损失达数万美元。加上该厂与马脊梁煤矿是一体化设计，煤矿生产的原煤直接通过胶带输送到选煤厂洗选，没有其他出煤口，因此选煤厂停工也会影响到煤矿的生产，间接损失也非常巨大。

2.1 检测对象

马脊梁洗煤厂319#振动筛为澳大利亚Honert公司生产的BRU-1-420/610型香蕉直线振动筛，承担着入选原煤的脱泥和分级作业任务。该振动筛安装于马脊梁洗煤厂精洗车间中部，不仅拆卸不便且拆卸周期很长(约48 h)。该振动筛面积较大，长6.1 m，宽4.2 m，箱式结构，其大梁位于振动筛箱体内筛板下方，两侧为筛帮，大梁上还包裹有一层厚约8 mm的橡胶耐磨层(图3)，常规检测手段根本无法检测其裂纹，因而故障信号的检测和提取难度较大。

图2 马脊梁洗煤厂生产工艺流程图Fig.2 Process flow diagram of Majiliang coal preparation plant

图3 BRU-1-420/610型香蕉直线振动筛Fig.3 BRU-1-420/610 banana linear vibrating screen

2.2 检测仪器

研究应用的检测仪器为EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪(图4)是新一代电磁无损检测设备，集金属磁记忆检测技术、涡流检测技术以及数字电子技术和微处理机技术于一体。该仪器采用最先进的微机技术、DSP技术和SMT工艺制造技术，性能稳定可靠，信噪比高，能实时、有效地检测金属材料缺陷，区分合金种类和热处理状态以及厚度变化测量等，是一款实用性很强的数字化、多功能、便携式电磁检测设备。

图4 EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪Fig.4 EMS-2003 intelligent magnetic memory and eddy current testing apparatus

该检测仪的特性如下：①功能强大，具有磁记忆/涡流/远场检测功能；②操作简便；③EL显示；④灵敏直观。应力集中和金属缺陷的位置可在检测过程中即时确定；⑤具有数据分析功能；⑥具有数据存储功能；⑦具有数据通讯功能。可通过RS232标准通讯接口与台式计算机或同类仪器通信；⑧便携实用。体积小，重量轻，功耗低，结构紧致轻便，采用交、直流一体电源供电，仪器能在机内锂电池支持下连续工作4 h以上。

3 研究与应用

利用EMS-2003智能磁记忆/涡流检测仪对洗煤厂振动筛进行例行检测。图5为319#BRU-1-420/610型香蕉直线振动筛第三根梁左侧第二个轨座处的检测结果，结合金属磁记忆检测技术判据，可以看出该处可能存在裂纹故障。

图5 319#振动筛第三根梁左侧第二个轨座处磁记忆检测结果Fig.5 Magnetic memory testing result at the left 2nd rail chair of the 3rd beam in 319# vibrating screen

根据此判断，将包裹在振动筛第三根大梁左侧第二个轨座处的橡胶蒙皮拆除，果然发现了长约100 mm的裂纹，如图6所示。由于成功检测出振动筛大梁的早期裂纹故障，为其备件订购、维修赢得了时间，因此避免了一次有可能造成的巨大经济损失。

图6 319#振动筛第三根梁裂纹照片Fig.6 Crack picture in the 3rd beam of 319# vibrating screen

4 结语

现代化选煤厂多采用模块化设计与安装、流水线作业的生产方式。振动筛是选煤流水线上的关键设备之一，承担着煤炭洗选工业的分级、脱介、脱水、脱泥等重要职能，一旦出现突发故障，会导致整个生产线停工停产，造成巨大经济损失。金属磁记忆检测技术是一种新兴的无损检测技术，具有无需专门磁化，提离效应小，无需清洗、打磨等预处理，无需去除蒙皮等表面涂层，检测效率高，检测结果准确等诸多优点。通过采用金属磁记忆检测仪器对马脊梁洗煤厂319#振动筛大梁进行检测，预先发现了一处长约100 mm的早期裂纹，从而为其备件订购、维修赢得了时间，避免了一次有可能造成的巨大经济损失。该检测技术对于其他类似铁磁性构件的裂纹缺陷早期检测也具有借鉴意义。

[1] 张则荣，樊智敏，王永岩． 大型直线振动筛的疲劳寿命及可靠性分析[J]． 煤炭学报， 2014， 39(S1): 257-261．

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[3] 彭晨宇，苏荣华. 大型振动筛动态有限元模型建立及精度分析[J]. 煤炭学报，2012，37(4)：344～349.

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[6] 薛光辉，赵国瑞，朱世刚，等. 基于金属磁记忆检测和涡流检测技术的大型振动筛下横梁裂纹检测方法[J]. 煤炭学报，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

国家高技术研究发展计划(863)重点资助项目(2008AA062200)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2009QJ16)

张 强(1966—)，男，山东省蓬莱市人，高级工程师，硕士，从事集团能源基本建设项目管理工作。

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