崔偉方　王衡

摘 要：近年來，超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸被應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。而將其應(yīng)用于煤礦行業(yè)，能對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)起到巨大的輔助作用。本文首先分析超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，然后闡述其基本原理，最后探討超聲無損檢測(cè)技術(shù)在軸類鍛件探傷和提升機(jī)滾筒主軸探傷中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲無損檢測(cè)技術(shù);原理;軸類鍛件;提升機(jī)滾筒主軸

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 超聲檢測(cè)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

超聲檢測(cè)是五大常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)之一，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展最快的一種無損檢測(cè)技術(shù)。利用超聲波來對(duì)固體內(nèi)部進(jìn)行無損檢測(cè)，始于20世紀(jì)20年代末期。1929年，蘇聯(lián)Sokolov首先提出了利用超聲波探查金屬物體內(nèi)部缺陷的建議。根據(jù)Sokolov提出的原理制成的第一種穿透法檢測(cè)儀器，于第二次世界大戰(zhàn)后研制成功并出現(xiàn)在市場(chǎng)上。但是，由于這種儀器的應(yīng)用范圍受到限制，且對(duì)缺陷檢測(cè)靈敏度較低，所以，未能得到廣泛應(yīng)用，不久便被淘汰了[1]。

脈沖反射法和脈沖發(fā)射法超聲檢測(cè)儀的出現(xiàn)，為超聲檢測(cè)注入了新的生命力。1940年，美國首次提出了脈沖發(fā)射法和以脈沖發(fā)射法原理為基礎(chǔ)的超聲檢測(cè)儀，并在之后的幾年內(nèi)逐步完善。1946年，英國制成功第一臺(tái)A型脈沖反射式超聲探傷儀，利用該儀器進(jìn)行檢測(cè)較為便捷，且靈敏度較高。

20世紀(jì)60年代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以前制約儀器電子性能的諸多指標(biāo)，如超聲檢測(cè)儀的靈敏度、分辨率、放大器線性等主要性能上取得突破性的進(jìn)展，檢測(cè)應(yīng)用方面也擴(kuò)大到焊縫檢測(cè)。

20世紀(jì)70年代，英國原子能管理局國家無損檢測(cè)研究中心哈威爾實(shí)驗(yàn)室的M.G.Silk.提出衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)技術(shù)（TOFD）。TOFD是一種利用超聲波的衍射現(xiàn)象、根據(jù)缺陷端點(diǎn)的衍射波信號(hào)來檢測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的超聲檢測(cè)技術(shù)，因其能較為準(zhǔn)確地測(cè)定缺陷自身高度，不受缺陷自身的影響，具有檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在歐洲和美洲等西方發(fā)達(dá)國家被廣泛應(yīng)用，我國也在推廣[2]。

我國系統(tǒng)地進(jìn)行超聲檢測(cè)的應(yīng)用與研究始于20世紀(jì)50年代初。近幾十年來，我國的超聲檢測(cè)技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但總體水平與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定差距。目前，超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷的定位、定量、定性還存在一定的局限性。

2 超聲檢測(cè)的基本原理

目前，主流的脈沖反射式超聲波檢測(cè)設(shè)備的工作原理如下：①設(shè)備發(fā)射電信號(hào)至探頭，探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成超聲波信號(hào)，并采用一定的方式進(jìn)入工件;②超聲波在工件中傳播，遇到界面時(shí)發(fā)生反射、折射;③反射的超聲波被探頭接收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)被檢測(cè)設(shè)備接收，并對(duì)電信號(hào)加以處理和分析，從而對(duì)工件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波動(dòng)傳播方向的關(guān)系，可將超聲波分為縱波、橫波、表面波和板波。其中，煤礦超聲波探傷中常使用縱波，其由縱波直探頭產(chǎn)生，其缺陷尺寸評(píng)定常采用當(dāng)量計(jì)算法。當(dāng)量法是指在同樣的檢測(cè)條件下，當(dāng)自然缺陷的回波波高與某一尺寸的平底孔回波等高時(shí)，則該尺寸為自然缺陷的當(dāng)量，即缺陷相當(dāng)于這一尺寸的平底孔[3]。

超聲波通常用分貝（dB）來作單位，對(duì)其的定義是某一超聲波聲壓與標(biāo)準(zhǔn)聲壓之比的對(duì)數(shù)的20倍，即

聲壓是指超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)[P1]與沒有超聲波存在時(shí)的靜態(tài)壓強(qiáng)[P0]之差，用[P]表示。超聲檢測(cè)儀器示屏上的波高與聲壓成正比，即波高比等于聲壓比。在實(shí)際應(yīng)用中，筆者通過工件缺陷波與工件底波波高之比來計(jì)算[Δ]，進(jìn)而計(jì)算缺陷的當(dāng)量，公式為：

式中，D為當(dāng)量值;[Δ]表示超聲波檢測(cè)儀器上的底波與缺陷波的分貝差，一般可直接讀取;h為缺陷深度;x為工件底面距表面的長(zhǎng)度，如徑向檢測(cè)軸則指直徑，如端面檢測(cè)軸則指長(zhǎng)度;[λ]為超聲波波長(zhǎng)，計(jì)算公式為：

3 超聲無損檢測(cè)技術(shù)在軸類鍛件探傷中的應(yīng)用

煤礦在用設(shè)備的超聲波探傷主要以軸類鍛件為主，如滾筒主軸、天輪軸等。鍛件常見的缺陷有縮孔、縮松、夾雜物、裂紋、折疊、白點(diǎn)。常用的檢測(cè)方法有縱波直入射檢測(cè)、縱波斜入射檢測(cè)、橫波檢測(cè)，其中縱波直入射檢測(cè)是最基本的檢測(cè)方式。軸類鍛件的鍛造工藝主要以拔長(zhǎng)為主，因而大部分缺陷的取向與軸線平行。此類缺陷的檢測(cè)以縱波直探頭從徑向檢測(cè)效果最佳。考慮到缺陷會(huì)有其他的分布及取向，因此，軸類鍛件檢測(cè)還應(yīng)輔以直探頭在端面的軸向檢測(cè)，必要時(shí)還應(yīng)輔以斜探頭的徑向檢測(cè)及軸向檢測(cè)[4]。

①直探頭徑向和軸向檢測(cè)如圖1所示。用直探頭作徑向檢測(cè)時(shí)，要將探頭置于軸的外圓作全面掃查，以發(fā)現(xiàn)軸類鍛件中常見的縱向缺陷;用直探頭作軸向檢測(cè)時(shí)，探頭置于軸的端面，并在軸端作全面掃查，以檢出與軸線相垂直的橫向缺陷。但是，當(dāng)軸的長(zhǎng)度太長(zhǎng)或軸有多個(gè)直徑不等的軸段時(shí)，會(huì)有聲束掃查不到的死區(qū)，可見，此方法有一定的局限性。

②斜探頭周向及軸向檢測(cè)。當(dāng)缺陷呈徑向且為單片狀時(shí)，或軸上有幾個(gè)不同直徑的軸段，直探頭徑向或軸向檢測(cè)方式都很難發(fā)現(xiàn)，此時(shí)需要使用適當(dāng)折射角的斜探頭作周向及軸向檢測(cè)。考慮到缺陷的取向，檢測(cè)時(shí)探頭應(yīng)作正、反兩個(gè)方向的全面掃查，如圖2和圖3所示。

鍛件常見缺陷回波有以下幾種：?jiǎn)蝹€(gè)缺陷回波、分散缺陷回波、密集缺陷回波和游動(dòng)回波。在圓柱形軸類鍛件檢測(cè)過程中，當(dāng)探頭沿著軸的外圓移動(dòng)時(shí)，示波屏上的缺陷波會(huì)隨著該缺陷檢測(cè)聲程的變化而游動(dòng)，這種游動(dòng)的動(dòng)態(tài)波形稱為游動(dòng)回波。

鍛件常見非缺陷回波有以下幾種：①周向檢測(cè)圓柱形鍛件時(shí)產(chǎn)生的三角反射波;②軸向檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)軸類鍛件時(shí)，由于波形轉(zhuǎn)換，在示波屏上出現(xiàn)的遲到波;③當(dāng)鍛件中存在與檢測(cè)面成61°傾角的缺陷時(shí)，示波屏上會(huì)出現(xiàn)61°反射波，以及鍛件的臺(tái)階、凹槽等外形輪廓也會(huì)出現(xiàn)一些輪廓回波。

4 超聲無損檢測(cè)技術(shù)在提升機(jī)滾筒主軸探傷中的應(yīng)用

在煤礦中，超聲無損檢測(cè)技術(shù)也常被應(yīng)用于提升機(jī)滾筒主軸探傷。接下來筆者對(duì)提升機(jī)滾筒主軸的受力進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以期為超聲檢測(cè)工作提供指導(dǎo)。

滾筒主軸（見圖4）是提升機(jī)的主要承力部件，提升機(jī)在提升過程中所受的各種動(dòng)載荷和靜載荷都由滾筒主軸承擔(dān)。正常提升時(shí)，作用在滾筒主軸上的載荷主要有鋼絲繩的拉力、主軸自重及其附件重量、軸承座的固定力。礦井提升系統(tǒng)如圖5所示，滾筒主軸受力分析簡(jiǎn)圖如圖6所示。

鋼絲繩的拉力方向固定，大小變化。對(duì)雙碼提升來說，滾筒主軸及其附件重力大小和方向不變，實(shí)際應(yīng)用中多為雙碼提升，特例暫不做討論。軸承座的固定力大小和方向隨鋼絲繩拉力的變化而變化。

在圖4、圖5和圖6中，A、D點(diǎn)為軸兩端的軸承座;B、C間為滾筒;G為滾筒主軸及附件自重;F1、F2為主軸兩端軸承座固定力;F拉為鋼絲繩拉力。減速機(jī)給主軸一個(gè)扭矩Me，則CD段承受一個(gè)大小約為Me的扭矩，BC段承受一個(gè)大小約為[12Me]的扭矩，AB段承受的扭矩可忽略不計(jì);AB段所受剪切力約為[12F1]，CD段所受剪切力為[12F2]，BC段剪切力可忽略不計(jì);AB段所受彎矩由A點(diǎn)至B點(diǎn)逐漸增大，最大約為F1LAB，CD段所受彎矩由D點(diǎn)至C點(diǎn)逐漸增大，最大約為F2LAB;BC段彎矩介于F1LAB與F2LCD之間，由B點(diǎn)到C點(diǎn)成遞增或遞減關(guān)系，彎矩最大點(diǎn)在A點(diǎn)或B點(diǎn)，視A、B、C、D四點(diǎn)相對(duì)位置所定。綜上所述，CD段承受的內(nèi)外力最為集中，超聲檢測(cè)時(shí)尤為注意。

除上述由于外力造成的應(yīng)力集中外，還有主軸自身結(jié)構(gòu)和材質(zhì)造成的應(yīng)力集中，如切向槽根部、臺(tái)階部位、過盈配合部位，還有組織不均勻引起的應(yīng)力集中。

5 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲檢測(cè)技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，且已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。超聲檢測(cè)技術(shù)同時(shí)可以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝中的優(yōu)缺點(diǎn)，大大降低了企業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本。超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)人體無害，儀器小巧，操作簡(jiǎn)便，可適用于各種工作場(chǎng)合，為各種檢測(cè)需求提供支持。但是，超聲檢測(cè)技術(shù)還有各種各樣的局限性，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，相信超聲檢測(cè)技術(shù)會(huì)逐漸完善，為安全生產(chǎn)提供更加科學(xué)可靠的決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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