煤矿机电设备无损检测技术的应用及发展趋势
摘要：煤矿机电设备工况复杂、承受载荷大，设备关键部件常因小缺陷发展成大事故，应用无损检测技术是发现设备关键部件失效的有效手段。本文介绍了煤矿机电设备采用的无损检测方法及应用现状，分析了煤矿机电设备无损检测技术的发展趋势，并结合无损检测技术的应用实例分析，表明了无损检测技术的应用可提前检测出失效部位，有效避免事故，对煤矿安全高效生产具有重要意义。
关键词：煤矿；机电设备；无损检测
无损检测技术是在不损伤被检测对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测工程材料、零部件、结构件等内部或表面的缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、分布等做出判断和评价，已成为设备运行检测、故障隐患排查、提高检修质量的重要手段[1]。近年来煤炭行业普遍建设产高效矿井，其采掘设备正在转向大吨位、大功率与高强度方向，机电设备工作环境恶劣、采掘现场空间狭小，并且由于井下机电设备受力情况复杂，所承受冲击载荷巨大，易导致机电设备及其零部件的小损伤形成大故障或事故。因而，无损检测技术已经广泛的应用于煤矿机电设备检测中，并发挥着重要作用。
1 煤矿机电设备无损检测方法
目前，煤矿机电设备采用的无损检测方法主要有：超声波探伤法、渗透探伤法、射线探伤法、磁粉探伤法、漏磁探伤法、涡流探伤法和声发射探伤法。在煤矿井下机电设备的检测中选择无损检测技术，应对被检测对象（工件）的材质、成型方法、加工过程、缺陷类型、部位、大小、形状等分析来确定适合的检测方法。用于煤矿设备检测方法及其适用特点见下表[2]。
2 无损检测方法在煤矿机电设备的应用
煤矿机电设备关键部件主要有带式输送机滚筒主轴、主、副井绞车大轴、闸盘、减速箱内齿轮及齿轮轴、制动系统上的连杆、销轴、深度指示器传动连杆及销轴、天轮轴、罐笼悬挂件及销轴、主扇风机传动轴、压风机内的曲轴、活塞杆、连杆、风机叶片，锚杆等[3-5]。这些关键部件的材料缺陷，加工工艺缺陷及疲劳类缺陷等都是严重的事故隐患。
2.1 超声探伤与磁粉探伤在煤矿机电设备检测的应用
超声波探伤时，将工件置于超声场中，若工件没有缺陷，则超声场的分布正常；反之，由于超声波在异质界面上产生的反射、折射、透射干扰，超声场产生异常分布。通过两者比较，分析其间的变化特征，即可达到超声探伤的目的。
（1）超声探伤与磁粉探伤在风机风叶检测中应用。
潞安矿业集团除常村矿外，均是投产20a以上的老矿井，各矿主副井绞车大轴、减速机轴、天轮轴，风机传动大轴、风叶叶柄、罐笼悬挂销轴及压风机曲轴等关键件，经过长期的运行，都可能会产生不同程度缺陷，必须及时探伤检测，并评估其寿命以制定出维修方案，避免机电事故發生。为此，采用了超声探伤技术对以上关键件进行了检测，取得了良好的效果，现已规定了对5个矿井的大型机电设备进行每年一次的计划内设备检修制度[6]。
（2）超声探伤在绞车主轴检测中应用。
永城煤电公司车集矿从德国引进一套多绳摩擦轮式落地绞车，提升能力为680t/h；其主轴长约6000mm，直径600～800mm，材料为C45N碳钢锻制后全部经过机加工，最后热处理为正火+回火。为了保证该轴的安全使用，在开箱商检时对该轴进行超声波探伤检测，按GB/T6402-91标准，采用2.5MHz直探头，直接接触法，经探伤发现：该轴电机端（长约1800mm） 在径向200～400mm深的范围内，发现程度不同的反射回波，计算当量符合GB/T6402-91标准质量等级的2级，分析评定属于存在局部材质疏松[7]。
（3）超声探伤与磁粉探伤在滚筒主轴检测中应用。
带式输送机是现代煤矿运输的主要设备，传动滚筒是其关键部件，滚筒轴更是重中之重。传动滚筒轴属于锻件，运行古城中会受到交变的弯矩、扭矩以及冲击等载荷，因而对其质量要求很高，在精加工之后还须热处理。材料一般选用45#中碳钢，若其原材料存在内部缺陷，可能会导致机械伤害事故，以及热处理后产生裂纹等现象。因此，必须重视生产加工过程和长期服役的滚筒主轴进行无损检测。可采用磁场粉探测近表面的缺陷，对于内部较深处的缺陷，可采用多方位的纵向超声波探测。
（4）超声探伤在提升悬挂设备检测中应用。
在矿井施工中，提升机、罐笼、吊桶等提升悬挂设备的重要部件，长期处于重载和交变载荷的工作状态，容易产生疲劳裂纹等危险性的缺陷。在各种无损检测方法中，磁粉、渗透、涡流探伤只能检测表面缺陷，射线探伤的穿透能力较小，且无法判断缺陷深度。超声波探伤检测深度大、灵敏度高、仪器轻便等特点，对裂纹等危险性缺陷较为敏感。因此特别适合提升机主轴等大型提升设备部件的不解体探伤。
提升悬挂设备承载件大多为锻件，并经过热处理，晶粒较细。一般选择2.5MHz探测频率，Φ2mm平底孔当量灵敏度。当探测深度大于200mm时，可以选择Φ3mm平底孔当量灵敏度。探伤方法以直探头纵波探伤为主，并辅以斜探头横波探伤。重点检测部位为受力孔边缘区、轴径变化部位、键槽根部等应力集中区[8]。
2.2 漏磁探伤与X射线探伤在煤矿机电设备检测的应用
（1）漏磁探伤在提升钢丝绳检测中应用。
目前，对于钢丝绳的日常检查，大部分煤矿现场仍然采用着目视手摸等传统的检测方法。由于人工目视方法的准确性和可靠性有限，且检测速度慢、效率低；另一方面，定期更换钢丝绳又会造成巨大的浪费。基于此，华中理工大学机电工程公司与高峰矿业公司，针对矿用提升机钢丝绳无损检测技术开展了研究[9]，采用MTC-B型检测仪对其使用的钢丝绳进行精确检测，并根据确切的探伤结果判断钢丝绳残余承载能力，评估钢丝绳的安全系数，预测其使用的寿命。通过多次的实测使用，该MTC技术实用、可靠、先进、方便，解决了钢丝绳的在线定量检测问题，改变了以往靠人工目测和游标卡尺量的情况，提高了钢丝绳的利用率，节约了成本。
（2）漏磁探伤与X射线探伤在钢丝绳芯输送带检测中应用。
由于煤矿井下环境条件恶劣，输送带钢丝绳的安全检测是安全生产中的重要工作，断绳锈蚀及接头抽动等条件下运行都属于安全隐患。对于其安全检测，一般采用的X光透视法，但存在以下弊病[10]：检测时必须停止生产，且需加大风量；因光源较小，对整条输送带及其所有的接头检测难度较大、耗时长；对输送带的锈蚀、小幅度断绳及抽动等情况不易被检测到，且X光辐射会造成人员身体损害。因此，使用需要一种全面自动检测的装置。大同煤矿集团公司通过安装ZSW-II型煤矿用钢芯输送带漏磁无损监测装置，该装置可实现输送机运行中钢丝绳芯各种断绳、锈蚀、接头抽动、移位、镀锌层老化等情况的在线检测及精确定位，可将检测报告进行局域网数据共享[11]。
3 无损检测在煤矿机电设备检测的发展趋势
基于以上应用分析，煤矿设备无损检测技术的发展趋势如下：
（1）研制新的防爆型、本安型矿用无损检测装置与设备。随着计算机技术、电子信息技术的进步，高效率、高精度、高灵敏度、的无损检测装置不断涌向工况企业现场，为现场的机电设备安全检测提供了强有力的支持。因而结合煤矿生产条件，应该研制防爆型、本质安全型防爆检测装置与设备，并且其形式将趋于便携式、低功耗。
（2）建立系统的无损检测评价准则与体系。随着无损检测技术在煤矿的应用，各类设备的无损检测技术应用特点不一、方法各异，评价准则不统一、评判标准各异不利于无损检测技术的信息共享与推广，因而，科学系统地建立矿用无损检测技术评判体系，规范其应用技术细节，将是矿用无损检测技术发展的必然趋势。
（3）建设煤矿机电设备无损检测诊断技术网络。国内外煤矿设备监控系统实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水、供电等设备工况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监测和控制，但无法对煤矿机电设备关键部位的缺陷进行实时监控。所以，建设无损检测技术网络，对煤矿机电设备的安全运行状况实施监测，并实现信息共享是现代化煤矿机电安全管理发展的必然趋势。
4 结语
通过综合分析无损检测技术在煤矿机电设备检测中的应用现状，得出无损检测技术在我国大部分煤矿机电设备的运行维护过程中发挥着重要作用，对煤矿安全高效生产具有重要意义。由于煤矿工况复杂，煤炭企业应加强无损检测技术队伍建设、研制新的防爆型或本安型无损检测装置和设备，并且系统、科学地建立煤矿机电设备无损检测评价体系，以及煤矿机电设备无损检测技术网络，以提高设备检测效率与检修质量。
参考文献：
[1]杜宇.無损检测技术在煤矿设备维修中的应用[J].中国煤炭，2003，（9）：43.
[2]郭美生.无损检测技术在煤矿机械设备维修中的应用[J].煤炭技术，2004，23（12）.
[3]韩正菊.无损检测技术在煤矿通风机叶片上的应用[J].中州煤炭，2006，（4）：60.
[4]王云田.带式输送机滚筒轴缺陷的分布规律及探伤方法的研究[J].山西机械，1997，（3）：36-37.
[5]段苏然，付龙，段伟.锚杆无损检测技术在煤矿中的应用[J].西部探矿工程，2009，（12）：99-100.
[6]付春太，秦建峰，洪富干.超声探伤技术在煤矿的应用[J].成果应用，2000，9（6）：32-33.
[7]陈涛.车集矿主井绞车主轴金相分析及缺陷评定[J].煤炭科学技术，2003，31（6）.
[8]秦晓光，武杰，温付成，等.超声波在矿井建设中的应用[J].煤矿开采，2002，7（2）：75-76.
[9]湛志勇，康宜华.高峰矿提升机用钢丝绳无损检测方法的研究[J].工业安全与环保，2001，27（7）：22-24.
[10]刘泽宇.钢丝绳芯胶带实时在线检测仪的应用[J].煤矿开采，2006，11（3）：81-82.
[11]宋双林.ZSW-II型矿用钢丝绳芯输送带无损检测装置[J].同煤科技，2010，（1）：9-11.
作者简介：薛涛（1989-），陕西西安人，助理工程师。