超声波无损检测技术在煤矿机械设备中的应用

杨杰 郎艳

摘  要：近年来，我国超声波无损检测装置发展迅速，运用于航天航空、石油化工、特种设备等生产各领域。本文通过介绍超声波无损检测主要探测方式，该技术存在的优点，以及目前超声波检测在煤矿机械轴类零件、焊缝、锚杆缺陷检测中的运用。超声波无损检测可直接判断缺陷位置、性质、大小，使煤机设备的生产过程更加自动、智能，煤矿设备的运行可以更加高效、安全、可靠。

关键词：超声波无损检测;煤矿机械;缺陷;使用寿命

中图分类号：TD63    文献标识码：A      文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

我国是多煤少油的国家，煤炭目前占我国能源消耗比例约为60%，煤矿开采的高效、安全、智能化对煤矿开采具有十分重要意义。煤矿机械长期处于潮湿、多粉尘、多冲击载荷与重型载荷的工作环境，使用条件及维护条件较差，材料内部产生缺陷不易发现，产生应力集中极易造成煤矿机械的损坏，应定期对关键零部件进行检测，及早发现危险性缺陷，避免部件失效或断裂造成设备损坏，有效防止因零部件损坏而产生的安全生产事故。

无损检测技术可在不会对被测物体本身造成任何损伤，即可探测零部件表面或内部缺陷，并可根据反馈的现象，判断缺陷位置、大小、性质等特性，可将缺陷进行量化评价，目前已在工业领域得到广泛应用，对煤矿机械的生产制造和使用维护具有重要意义。目前常见的无损检测技术主要包含超声检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）、射线检测（RT）和涡流检测（ET）等多种方式[1];随着科技的日益更新，最新非接触无损检测技术也得到了长足发展，主要有空气耦合超声、激光超声、红外热像、散斑干涉技术等。煤矿机械生产中最常用的探伤方式为超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤这三种检测方法。

1  超声波无损检测技术

（1）超声波无损检测目前在煤机生产中运用较为广泛，主要原理是利用超声波在遇到不同介质后产生回波，探头发射并接收回波，通过电信号转换，并借助成像技术，在显示器中直观显示波形，测试人员通过对反射波的波形、振幅、频率进行分析，从而判断被测部件缺陷位置、形状、大小及性质，量化缺陷，为被测物体的安全性及可靠性提供有效依据。

（2）通过超声波探头发射脉冲波至被测物体内，根据其反射波情况来判断缺陷的方法为脉冲反射法，是超声波检测缺陷主要检测方法。超声波在传播过程中沿直线传播，当其垂直射入到声阻抗差比较大的两种介质中，则会出现波的反射和透射，同时声波在介质中的传播，随着距离的增大波能逐渐衰减。除此按照检测原理的不同还有穿透法和共振法。脉冲反射法可以准确的显示缺陷位置，缺陷的显示方式分为A、B、C型显示，目前运用较为广泛的是A型显示。A型显示为反射的超声波以脉冲的形式显示，显示器中的纵轴为超声波信号的幅值，横轴表示超声传播的时间（如图1）。假设超声波在被测物体中传播速度为，从发射到遇到缺陷返回的时间为，缺陷的声程为：。

缺陷的大小、深度、面积则可根据低波高度法、缺陷回波法、底面多次回波法来进行判断。当被测工件中无缺陷，底面产生多次回波，其幅度逐渐递减，若存在缺陷，缺陷波将先于底波出现，或直接由缺陷全部反射为缺陷波。对缺陷波的判断则需要更多的理论知识的支撑才能准确完成[2]。

（3）超声波无损检测探头的选择。根据探头的数量及形式可分为直探头、斜探头，可利用一个、两个甚至多个探头同时探伤。目前常用的探头分为直探头（纵波）、斜探頭（横波）。横波斜探头主要检测缺陷与检测面垂直或有一定角度，一般用于检测焊接缺陷（未熔合、夹渣、气泡等），纵波直探头主要检测缺陷与检测面平行，一般用于检测铸、锻件缺陷（夹层、折叠、裂纹等）。为使声波能量能有效进入被测工件中，同时减小被测物体与探头之间的摩擦，需要选择合理的耦合剂，常用的耦合剂有水、机油、甘油等。

（4）超声波检测较其他检测方式具有的优点。1）检测范围较广。可对铸、锻件等金属材料进行检测，也可对复合材料、非金属材料进行检测。2）超声波其穿透性好，能检测物体内较深的缺陷，定位较为准确。3）超声波无损检测对周围环境及检测人员基本不构成伤害。4）对被测物体不会产生机械损伤，不会破坏损害物体表面，降低物体机械性能的无损检测。5）设备轻便，灵敏度高，实用性强[3]。

2 超声波无损检测在煤矿机械中的应用

（1）超声检测对轴类零部件的检测。煤矿机械中最基础也是最常用的部件就是轴类零部件，其原材料一般采用轧制或锻造工艺加工而成，本身在毛坯拉伸或者锻压过程中就容易出现裂纹。同时不同轴类零件的硬度有不同要求，往往通过热处理进行加工，在热处理过程中极易产生应力集中，产生裂纹或延时裂纹，无法及时发现。设备在使用过程中轴类零件受到冲击载荷、弯曲应力、拉伸应力或剪切应力，裂纹处逐渐变大或产生断裂造成严重的质量事故或安全事故。同时销轴有大有小，把销轴拆下升井再检测需耗费大量人力物力。便携式超声波检测仪无需破坏销轴本身状态的情况下，在井下便可操作，即可提高生产效率，同时保障设备使用寿命，降低故障率[4]。

（2）超声检测对结构件焊缝的检测。焊接作为煤矿机械目前运用最为基础及广泛的连接组成方式，焊缝质量的高低直接影响设备的使用寿命。随着各类新型材料的应用，结构越来越复杂，对焊接要求越来越高，焊接工艺，焊接材料，焊接参数、焊接顺序及焊接人员能力均对焊缝质量有直接影响。焊接残余应力极易造成结构件的变形和焊接缺陷，而主要焊缝处一般承受较大的承载力，焊接缺陷降低设备可靠性、安全性及使用寿命。磁粉探伤、渗透探伤也可应用于焊缝探伤，但仅焊缝表面缺陷有较好的探伤效果，不易发现焊缝中部的夹渣、气孔、裂纹等焊接缺陷。在图纸设计时，一般会对主要焊缝要求进行探伤检测，超声波无损检测可快速、省时、省力的检测出焊接缺陷，有效预防设备可能产生的故障[5]。

（3）超聲检测对锚杆的检测。煤矿井下主要加固支护方式为锚杆支护，由于巷道条件恶劣，锚杆的质量检测就显得尤为重要。目前常用的对锚杆检测的方式有无损检测和破坏性检测两种方式。随着无损检测技术的不断进步，可更全面、快捷、准确、无需破坏的超声波无损检测技术被应用于进行锚杆检测[6]。超声检测锚杆无需受到外力作用，不会对锚杆造成任何损伤，缩短锚杆寿命。

3 超声波检测未来的发展趋势

随着对煤矿生产安全性的要求越来越高，目前超声检测的方法仍有一定的局限性。超声检测的可靠性，对缺陷的定位、定量、定性的准确性，漏检率均对操作人员及仪器提出很高要求。超声波无损检测过程中需要对机械加工、热处理等多方面知识的支持。随着科技进步，超声波无损检测也向着自动化、数字化、智能化、图像化方向发展。

4 结语

近年来，我国数字化超声波无损检测装置的研制迅猛发展，有多家专门从事超声波无损检测装置的研究机构及生产厂家。超声波探伤仪器具有体积较小，携带方便，灵敏度高，费用较低，无污染等优点，可对煤矿机械中铸锻件、轴类零部件、焊缝、巷道锚杆等进行监测。不仅可及早发现缺陷，采取有效预防手段，尽早干预处理，防止设备带病运行造成更大的损失。

参考文献

[1]耿荣生，景鹏.蓬勃发展的我国无损检测技术[J].机械工程学报，2013，49（22）：1-7.

[2]李新明，段家宝，李常胜.关于超声波无损检测技术的应用研究[J].中国高新技术企业，2014（6）：29-30.

[3]郝利嘉.浅谈煤矿在用设备无损检测[J].机械管理开发，2017（4）：64-65+84.

[4]贾炎.煤矿机械设备中轴类零件超声检测技术[J].内燃机与配件，2018（17）：162-163.

[5]王毅.超声波检测技术及其在煤矿机械检测中的应用[J].机械管理开发，2017（11）：54-56.

[6]徐金海，周保精，吴锐.煤矿锚杆支护无损检测技术与应用[J].采矿与安全工程学报，2010，27（2）：166-170.

收稿日期：2019-12-10

作者简介：杨杰（1984—），女，山西盂县人，本科，工程师，研究方向：煤矿机械设计。

Application of Laser Cladding Technology in Coal Mine Machinery

YANG Jie  LANG Yan

（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation，Taiyuan Shanxi 030006）

Abstract：Coal mine machinery production conditions are bad， coal mine machinery failure seriously affects the service life of equipment， or even cause safety accidents. In the coal industry under the background of recession， using laser cladding technology to repair damaged parts can effectively prevent coal mine mechanical wear failure， improve the parts surface wear resistance， corrosion resistance， surface strength， such as performance， not only can prolong the service life of equipment， improve the efficiency of coal mining machinery production， reduce production cost， but also can reduce the harmful chemicals， harmful gases， the damage to the environment， accord with national green sustainable development strategy.

Keywords：Ultrasonic nondestructive testing;Coal mining machinery;Defect;Service life