超声无损检测技术在煤矿中的应用

崔伟方　王衡

摘 要：近年来，超声检测技术发展迅速，逐渐被应用于各个工业领域。而将其应用于煤矿行业，能对煤矿的安全生产起到巨大的辅助作用。本文首先分析超声检测技术发展历史及现状，然后阐述其基本原理，最后探讨超声无损检测技术在轴类锻件探伤和提升机滚筒主轴探伤中的应用。

关键词：超声无损检测技术;原理;轴类锻件;提升机滚筒主轴

Abstract： In recent years， ultrasonic testing technology has developed rapidly and has been gradually applied in various industrial fields. And its application in coal mine industry can play a huge auxiliary role in the safe production of coal mine. This paper first analysed the development history and current situation of ultrasonic testing， then elaborated its basic principle， and finally discussed the application of ultrasonic non-destructive testing technology in shaft forging inspection and hoist drum spindle inspection.

Keywords： ultrasound nondestructive testing technology;principle;shaft forging;hoist drum spindle

1 超声检测发展历史及现状

超声检测是五大常规无损检测技术之一，是目前国内外应用最广泛、使用频率最高且发展最快的一种无损检测技术。利用超声波来对固体内部进行无损检测，始于20世纪20年代末期。1929年，苏联Sokolov首先提出了利用超声波探查金属物体内部缺陷的建议。根据Sokolov提出的原理制成的第一种穿透法检测仪器，于第二次世界大战后研制成功并出现在市场上。但是，由于这种仪器的应用范围受到限制，且对缺陷检测灵敏度较低，所以，未能得到广泛应用，不久便被淘汰了[1]。

脉冲反射法和脉冲发射法超声检测仪的出现，为超声检测注入了新的生命力。1940年，美国首次提出了脉冲发射法和以脉冲发射法原理为基础的超声检测仪，并在之后的几年内逐步完善。1946年，英国制成功第一台A型脉冲反射式超声探伤仪，利用该仪器进行检测较为便捷，且灵敏度较高。

20世纪60年代，随着电子技术的发展，以前制约仪器电子性能的诸多指标，如超声检测仪的灵敏度、分辨率、放大器线性等主要性能上取得突破性的进展，检测应用方面也扩大到焊缝检测。

20世纪70年代，英国原子能管理局国家无损检测研究中心哈威尔实验室的M.G.Silk.提出衍射时差法超声检测技术（TOFD）。TOFD是一种利用超声波的衍射现象、根据缺陷端点的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的超声检测技术，因其能较为准确地测定缺陷自身高度，不受缺陷自身的影響，具有检测灵敏度高等优点，因此在欧洲和美洲等西方发达国家被广泛应用，我国也在推广[2]。

我国系统地进行超声检测的应用与研究始于20世纪50年代初。近几十年来，我国的超声检测技术取得了巨大进步，但总体水平与发达国家相比仍存在一定差距。目前，超声检测技术对缺陷的定位、定量、定性还存在一定的局限性。

2 超声检测的基本原理

目前，主流的脉冲反射式超声波检测设备的工作原理如下：①设备发射电信号至探头，探头将电信号转变成超声波信号，并采用一定的方式进入工件;②超声波在工件中传播，遇到界面时发生反射、折射;③反射的超声波被探头接收并转变为电信号被检测设备接收，并对电信号加以处理和分析，从而对工件质量进行评价。

根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系，可将超声波分为纵波、横波、表面波和板波。其中，煤矿超声波探伤中常使用纵波，其由纵波直探头产生，其缺陷尺寸评定常采用当量计算法。当量法是指在同样的检测条件下，当自然缺陷的回波波高与某一尺寸的平底孔回波等高时，则该尺寸为自然缺陷的当量，即缺陷相当于这一尺寸的平底孔[3]。

超声波通常用分贝（dB）来作单位，对其的定义是某一超声波声压与标准声压之比的对数的20倍，即

声压是指超声场中某一点在某一时刻所具有的压强[P1]与没有超声波存在时的静态压强[P0]之差，用[P]表示。超声检测仪器示屏上的波高与声压成正比，即波高比等于声压比。在实际应用中，笔者通过工件缺陷波与工件底波波高之比来计算[Δ]，进而计算缺陷的当量，公式为：

式中，D为当量值;[Δ]表示超声波检测仪器上的底波与缺陷波的分贝差，一般可直接读取;h为缺陷深度;x为工件底面距表面的长度，如径向检测轴则指直径，如端面检测轴则指长度;[λ]为超声波波长，计算公式为：

3 超声无损检测技术在轴类锻件探伤中的应用

煤矿在用设备的超声波探伤主要以轴类锻件为主，如滚筒主轴、天轮轴等。锻件常见的缺陷有缩孔、缩松、夹杂物、裂纹、折叠、白点。常用的检测方法有纵波直入射检测、纵波斜入射检测、横波检测，其中纵波直入射检测是最基本的检测方式。轴类锻件的锻造工艺主要以拔长为主，因而大部分缺陷的取向与轴线平行。此类缺陷的检测以纵波直探头从径向检测效果最佳。考虑到缺陷会有其他的分布及取向，因此，轴类锻件检测还应辅以直探头在端面的轴向检测，必要时还应辅以斜探头的径向检测及轴向检测[4]。

①直探头径向和轴向检测如图1所示。用直探头作径向检测时，要将探头置于轴的外圆作全面扫查，以发现轴类锻件中常见的纵向缺陷;用直探头作轴向检测时，探头置于轴的端面，并在轴端作全面扫查，以检出与轴线相垂直的横向缺陷。但是，当轴的长度太长或轴有多个直径不等的轴段时，会有声束扫查不到的死区，可见，此方法有一定的局限性。

②斜探头周向及轴向检测。当缺陷呈径向且为单片状时，或轴上有几个不同直径的轴段，直探头径向或轴向检测方式都很难发现，此时需要使用适当折射角的斜探头作周向及轴向检测。考虑到缺陷的取向，检测时探头应作正、反两个方向的全面扫查，如图2和图3所示。

锻件常见缺陷回波有以下几种：单个缺陷回波、分散缺陷回波、密集缺陷回波和游动回波。在圆柱形轴类锻件检测过程中，当探头沿着轴的外圆移动时，示波屏上的缺陷波会随着该缺陷检测声程的变化而游动，这种游动的动态波形称为游动回波。

锻件常见非缺陷回波有以下几种：①周向检测圆柱形锻件时产生的三角反射波;②轴向检测细长轴类锻件时，由于波形转换，在示波屏上出现的迟到波;③当锻件中存在与检测面成61°倾角的缺陷时，示波屏上会出现61°反射波，以及锻件的台阶、凹槽等外形轮廓也会出现一些轮廓回波。

4 超声无损检测技术在提升机滚筒主轴探伤中的应用

在煤矿中，超声无损检测技术也常被应用于提升机滚筒主轴探伤。接下来笔者对提升机滚筒主轴的受力进行简要分析，以期为超声检测工作提供指导。

滚筒主轴（见图4）是提升机的主要承力部件，提升机在提升过程中所受的各种动载荷和静载荷都由滚筒主轴承担。正常提升时，作用在滚筒主轴上的载荷主要有钢丝绳的拉力、主轴自重及其附件重量、轴承座的固定力。矿井提升系统如图5所示，滚筒主轴受力分析简图如图6所示。

钢丝绳的拉力方向固定，大小变化。对双码提升来说，滚筒主轴及其附件重力大小和方向不变，实际应用中多为双码提升，特例暂不做讨论。轴承座的固定力大小和方向随钢丝绳拉力的变化而变化。

在图4、图5和图6中，A、D点为轴两端的轴承座;B、C间为滚筒;G为滚筒主轴及附件自重;F1、F2为主轴两端轴承座固定力;F拉为钢丝绳拉力。减速机给主轴一个扭矩Me，则CD段承受一个大小约为Me的扭矩，BC段承受一个大小约为[12Me]的扭矩，AB段承受的扭矩可忽略不计;AB段所受剪切力约为[12F1]，CD段所受剪切力为[12F2]，BC段剪切力可忽略不计;AB段所受弯矩由A点至B点逐渐增大，最大约为F1LAB，CD段所受弯矩由D点至C点逐渐增大，最大约为F2LAB;BC段弯矩介于F1LAB与F2LCD之间，由B点到C点成递增或递减关系，弯矩最大点在A点或B点，视A、B、C、D四点相对位置所定。综上所述，CD段承受的内外力最为集中，超声检测时尤为注意。

除上述由于外力造成的应力集中外，还有主轴自身结构和材质造成的应力集中，如切向槽根部、台阶部位、过盈配合部位，还有组织不均匀引起的应力集中。

5 结語

随着技术的进步，超声检测技术在煤矿中的应用将会越来越广泛，且已经显现出巨大的社会效益和经济效益。超声检测技术同时可以检验产品质量，发现生产工艺中的优缺点，大大降低了企业的安全风险和生产成本。超声检测技术对人体无害，仪器小巧，操作简便，可适用于各种工作场合，为各种检测需求提供支持。但是，超声检测技术还有各种各样的局限性，但随着技术的进步，相信超声检测技术会逐渐完善，为安全生产提供更加科学可靠的决策依据。

参考文献：

[1]王建明.超声检测技术在煤矿机电设备安全检测中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2018（12）：28-29.

[2]刘军.某矿井提升机主轴断裂事故分析[J].煤矿机械，2005（11）：60-62.

[3]安道星，栗润萍.矿井提升机主轴强度计算分析[J].水力采煤与管道运输，2007（4）：62-64.

[4]付春太.煤矿在役提升机主轴无损探伤的探讨[J].煤，2009（8）：64-65，82.