高效无损检测——涡流阵列检测在大型轧机齿轮中的应用

导读

用磁粉探伤检测大型轧机齿轮时，效率低、耗时长，限制了齿轮的全面检测。本文采用涡流阵列对澳大利亚大型球磨机齿轮进行检测。检测结果表明，涡流阵列比磁粉检测节省80%的检测时间，检测结果以扫描图像的形式显示，可以快速有效地判断缺陷，有助于分析轧机齿轮的状态。

磨机是选矿工艺中的核心设备之一，并日益向大型化发展。现在，已经设计了一台23 MW超大型齿轮传动磨机。目前，轧机齿轮在实际应用中的传动功率高达18MW，其外径为13.3m，齿数高达364。

1　大型磨机齿轮现状

大型磨机齿轮的运行工况特点是低速、重载、频繁冲击，受高湿、高尘、昼夜温差大、夏热冬冷等恶劣环境的影响。齿轮制造和实际使用过程中经常存在以下问题：

(1)齿轮设计强度不足，达不到设计使用寿命；

(2)齿轮局部铸造缺陷导致局部强度不足；

(3)加工不当产生局部台阶或高点，导致使用过程中该区域应力集中，疲劳应力过大；

(4)安装时对中误差过大，导致运行时齿轮在齿宽方向偏心载荷严重；

(5)基础沉降破坏齿轮的正常啮合，产生冲击振动；

(6)操作不当导致齿轮承受过大的冲击；

(7)外部浆液漏到齿面，导致齿形严重磨损。

如果齿轮齿面啮合线和齿根圆角处出现疲劳点蚀和表面裂纹，不及时处理，最终会导致断齿。根据国内的案例，堆焊修复一颗断齿需要3天左右的时间。如果需要更换齿轮，在人员、用具、齿轮备件(大型轧机大齿轮生产周期为6个月)准备就绪的前提下，计划更换时间至少为15天。

国内选矿厂大齿轮断齿事故频繁发生。主要原因是大型齿轮检查不到位，没有及时发现问题，导致重大事故发生。国内常用的磁粉检测方法效率低、耗时长等明显缺点也是大型齿轮很少得到有效检测的客观原因。首先，这种方法需要在检查前将牙齿表面的高粘度合成油脂清理干净，检查后补充牙齿表面的油脂。至少需要3天才能完成对有数百个齿面的大型轧机齿轮的检查。其次，由于齿轮形状和齿间距的限制，检测区域无法完全覆盖，操作不方便。第三，磁粉检测的检验结果难以保存和归档。如何快速有效地检测大型磨机齿轮齿面一直困扰着选矿厂设备管理和维护部门。

涡流检测能有效解决常规检测效率低、存档难的问题。作为一种高效的无损检测方法，它具有实施简单、检测速度快、对表面和近表面缺陷灵敏度高、无需去除表面涂层等优点。这种方法不需要清理牙齿表面的高粘度合成油脂，检测结果可以显示缺陷的位置和形状，比磁粉检测反映的更全面。专用探头单次扫描即可覆盖单侧齿廓，配套仪器软件可即时生成检查报告，轻松归档齿面检查结果文件。综上所述，与现有的检测方法相比，涡流阵列检测具有很大的优势。涡流检测和磁粉检测技术的对比示例如表1所示。

表1涡流阵列检测与磁粉检测技术的对比

2　涡流阵列检测

2.1基本原则

涡流检测的原理如图1所示。当向测试线圈施加交流电时，线圈周围会产生交变磁场。由于电磁感应的存在，线圈下方的导电样品中会产生涡流。由于原始磁场呈周期性变化，感应磁场和涡流磁场也呈周期性变化。根据电磁场原理，感应磁场总是阻碍原磁场的变化，即当原磁场增大时，感应磁场也会反向增大；反之，当原始磁场减弱时，感应磁场也会反向减弱，最终可以实现磁场之间的动态平衡。当检测线圈移动到导体的缺陷位置时，导体试样中涡流的形状会受到缺陷的干扰。换句话说，当导体处于缺陷处时，电导率发生变化，导致涡流的形状受到影响，感应磁场也随之变化。这种变化破坏了原有的平衡，原有的线圈会感受到这种变化。根据这种变化，可以间接检测导体中的缺陷。

图1涡流阵列检测原理

涡流技术通过电子驱动布置在同一探头组件中的多个涡流传感器，读取传感器测量的数据，多路采集数据，避免单个线圈之间的相互感应，将各个单元获得的涡流响应信号接入信号处理系统，完成一个阵列的巡检。涡流扫描涡流阵列传感器的一次检测过程相当于传统的单个涡流探头的分步扫描过程(见图2)，节省了检测时间。

图2涡流传感器扫描

2.2渗透深度

涡流密度在扫描深度内不是常数，面密度最大，随深度呈指数递减，即离探头线圈越远，涡流密度越小。由于普通涡流检测对被检测试件的表面和近表面缺陷具有较高的灵敏度，因此对深层缺陷的灵敏度较低。标准渗透深度方程用于解释涡流检测的渗透能力，渗透能力随频率、电导率或磁导率的增加而降低。对于特厚且性质均匀的材料，标准穿透深度为表面涡流密度从100%下降到37%时的深度。当检测非常浅的缺陷且被测物体很薄时，必须使用高频。同样，为了检测被测物体表面下的缺陷，且被测物体具有高导电性、磁性或厚度，必须使用较低的频率。但过低的检测频率会降低仪器的灵敏度，增加误差。

(1)

式中：为标准贯入深度，mm；f是采样频率，Hz；为相对渗透率，h/mm；为电导率，S/m-1。

2.3扫描视图

涡流成像是涡流阵列检测技术的重要组成部分，是实现快速有效缺陷检测不可或缺的关键技术。常用的涡流阵列成像方法一般可分为阻抗平面图、波段图和C扫描图。阻抗平面图显示了阻抗幅度和相位的二维变化，阻抗曲线随扫描时间变化。涡流阵列用于检测阻抗变化的大小来调整图像的灰度。阻抗变化越大，图像颜色越暗，表明受损部位越严重。据此制作的色谱图称为C扫描图像。c扫描图像可以是二维的，也可以是三维的，因此可以快速准确地判断被检零件是否有缺陷以及缺陷的大致位置等。没有大量知识和经验的检查员。

3　应用案例

便携式检测系统包括涡流阵列探头和处理器。如果齿轮齿廓复杂，不同规格尺寸变化较大，可以定制一定范围模数的测头。磨机大齿轮基圆大，齿廓曲率小，看起来比较直，齿根圆和齿顶圆比较光滑。定制的涡流阵列探头紧贴牙齿表面，一次扫描可覆盖和去除

图3齿面涡流阵列探头

与大多数无损检测仪器类似，涡流阵列探测器在使用前需要进行校准。当测试过程中提离发生变化时，涡流产生的磁场对提离距离非常敏感，因此需要对提离距离进行校准，以避免测试过程中提离距离的波动。增益校准可以使缺陷图像的整体对比度更加清晰，有利于区分缺陷信号和非缺陷信号，使操作者更准确、直观地判断缺陷。

澳大利亚选矿厂大型球磨机的齿轮如图4所示。齿轮的主要参数列于表2。采用涡流阵列对其进行检测。检查过程中，两名技术人员在两个工作日内完成了582个牙面的检查。不考虑转磨和休息的时间，每个牙面的平均检查时间仅用了15s，相应的C扫描图像自动保存在系统中。

图4选矿厂球磨机大齿轮

表2大齿轮主要参数

19A的齿面如图5所示。上面有3个铸坑。根据涡流阵列检测原理，当涡流检测线圈扫描通过这三个铸坑时，线圈的阻抗会发生变化，坑越深或越大，变化越大。c扫描图像如图6所示。从图6中可以看出，结果清晰直观地呈现出三个彩色高点，两个较深凹坑的阻抗变化幅度明显较大。

图5齿面编号19A

图6对应的c扫描结果图像

通过对齿面的检查。224A(如下图7所示)，发现C扫描结果图像中阻抗幅度变化异常(见图8)。从设备制造商处了解到，在生产过程中在该区域发现了缺陷，然后进行了常规的表面修复。而C扫描结果图像中阻抗幅值的异常变化是由于堆焊材料的电导率和磁导率与齿轮本身材料的差异造成的。

图7否224A堆焊齿面

图8对应的c扫描结果图像

通过对齿面的检查。296A(如图9所示)，发现C扫描结果图像清晰显示某一区域阻抗幅度变化较大(如图10所示)。详细检查对应的齿面后，发现有模糊的表面裂纹。

图9齿面编号296A有模糊裂纹

图10相应的c扫描结果图像

4　结语

与传统的磁粉检测相比，涡流检测技术在检测大型磨削齿轮的表面或浅表面缺陷方面具有很大的优势。首先，检查每个齿面只需15s左右，可减少80%左右的检查时间。其次，检测结果可以显示C扫描图像，不需要很强的专业知识就可以轻松识别牙齿表面缺陷；最后，每个测试结果自动保存，整个档位测试报告也可以自动汇总导出，方便存档和跟踪。使用这种检测技术时，被检测件的表面电导率和磁导率的变化、扫描速度和运动稳定性都会对结果产生一定的影响。因此，在使用前需要了解被测件材料的特性，对其进行适当的校准，设置合理的参数，积累更多的测试经验，才能更好地保证测试结果的可靠性、一致性和正确性。

来源：矿机之家

声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。 联系方式：services@kjzj.com