使用磁粉探伤来检测大型磨机齿轮时，因其效率低和耗时长等问题限制了对齿轮全方位的检测。笔者使用涡流阵列对澳大利亚大型球磨机齿轮进行试验性检测，检测结果证明：涡流阵列较磁粉探伤可节约80%的检测时间，且检测结果以扫描图像形式显示，可快速有效地判定其缺陷，有助于对磨机齿轮状态进行分析。
磨机是选矿流程中的核心设备之一，且日益向大型化方向发展。现已设计出23 MW超大型齿轮传动的磨机。目前实际应用的磨机齿轮传递功率已高达18MW，其外径为13.3m，齿数多达364个。
1大型磨机齿轮现状
大型磨机齿轮运行工况具有转速低、负载重和冲击频繁等特点，且其长期受湿度大、粉尘多和昼夜温差变化大以及夏热冬冷等恶劣环境的影响。齿轮生产制造和实际使用过程中也常存在以下问题：
(1)齿轮设计强度不足，无法达到设计使用年限；
(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，使用过程中导致该区域应力集中和疲劳应力过大；
(4)安装时对中误差过大，导致运行时齿轮在齿宽方向严重偏载；
(5)地基沉降破坏齿轮正常啮合而产生冲击振动；
(6)不当操作导致齿轮承受冲击过大；
(7)外部矿浆泄漏至齿面，导致齿廓受到严重磨损。
在齿轮齿面啮合线、齿根圆角等位置，如果出现疲劳点蚀、表面裂纹而不及时处理，最终将导致断齿。根据国内案例，采用堆焊修复一个断齿所需时间约为3天；如果需更换齿轮，在人员、器具和齿轮备件(大型磨机的大齿轮生产周期为6个月)准备到位的前提下，有计划更换所需时间至少为15天。
国内大型选矿厂大齿轮断齿的事故频繁发生，主要原因是对大齿轮检查不到位，没有及时发现问题，导致重大事故的发生。国内普遍采用的磁粉检测方法效率低和耗时长等明显缺点也是大齿轮很少被有效检测的客观原因。首先，该方法检测前需要清理齿面高黏度合成润滑脂和检查后齿面补润滑脂，完成有数百个齿面的大型磨机齿轮的检测将耗时至少3天；其次，由于齿轮形状和齿间空间限制，其检测区域无法全覆盖，操作也不方便；再次，磁粉检测的检查结果保存和归档也存在困难。如何快速和有效地检测大型磨机大齿轮齿面一直困扰着选矿厂的设备管理和维护部门。
涡流阵列检测可以有效地解决现有的常规检测效率低和存档困难等问题。它作为一种高效无损检测方法，具有容易实施、检测速度快、对表面及近表面缺陷非常敏感、无需除去表面涂层等优点。该方法检测时不需要清理齿面上的高黏度合成润滑脂，检测结果可以显示缺陷位置、形状等信息，比磁粉检测反映的内容更全面。特制的探头能够单次扫描覆盖单侧齿廓，同时配套的仪器软件可即刻生成检测报告，轻松归档齿面检查结果文件。综上所述，与现有的检测方式相比，涡流阵列检测具有极大的优势。涡流阵列检测和磁粉检测技术的对比如表1所示。
表1涡流阵列检测和磁粉检测技术的对比
2涡流阵列检测
2.1基本原理
涡流阵列检测原理如图1所示，当检测线圈通交流电，线圈的周围会产生交变磁场，由于电磁感应现象的存在，线圈下的导电试样中会产生涡流。随着原磁场周期性交互变化，产生的感应磁场及涡流磁场也呈周期性变化。由电磁场原理可知，感应的磁场总是阻碍原磁场的改变，即当原磁场增大时，感应磁场也会反向增强；相反，当原磁场减小时，感应磁场也会反向减小，最终可以达到磁场间的一种动态平衡。当检测线圈移动到导体的缺陷位置时，涡流在导体试件中的形态会被缺陷干扰。换言之，导体在缺陷处，电导率发生了变化，导致涡流的形态受到了影响，感应磁场随之变化，这种变化破坏了原有的平衡，原线圈就会感受到这种变化。根据这一变化，就可以间接地检测出导体内的缺陷。
涡流阵列技术以电子方式驱动排列在同一个探头组合件中的多个涡流传感器，并读取传感器测出的数据，通过多路转换方式进行数据采集，避免单个线圈之间的互相感应，将各单元获取的涡流响应信号接入信号处理系统中，完成一个阵列的巡回检测。涡流传感器扫描涡流阵列传感器的一次检测过程相当于传统单个涡流探头对部件往返步进扫描的过程（见图2），节省了检测时间。
图 1 涡流阵列检测原理
2.2穿透深度
涡流密度在扫描深度上不是恒定的，表面密度最大，随深度呈指数下降，即距离探头线圈越远涡流密度越小。因普通涡流检测在受检试件表面、近表面缺陷处灵敏度较高，对深处缺陷的检测灵敏度较低。标准穿透深度方程用于解释涡流检测的穿透能力，它随着频率、电导率或渗透率的增加而降低。对于特别厚且性能均匀的材料，标准穿透深度是涡流密度由表面上的100%衰减到37%时的深度。在检测非常浅的缺陷且被测物体较薄时，必须使用高频率。类似地，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，磁性或较厚时，则必须使用较低的频率；但检测频率太低会降低仪器的灵敏度，增加误差。，
(1)
式中：δ为标准渗透深度，mm；f为采样频率，Hz；µ为相对磁导率，H/mm；σ为电导率，S/m-1。
2.3扫描视图
涡流阵列成像是涡流阵列检测技术的重要组成部分，是实现缺陷快速、有效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、带状视图和C扫描图像。阻抗平面图是将阻抗幅值和相位变化进行二维显示，将阻抗变化曲线随扫描时间变化进行二维显示。用涡流阵列检测阻抗变化量的大小来调节图像的灰度，阻抗变化量越大，则图像颜色越深，表示受损件越严重，据此做出的色谱图称为C扫描图像。C扫描图像可以是二维或三维，无须检测人员具有大量知识经验，就可以快速准确地判断受检件有无缺陷和缺陷的大致位置等信息。
3应用案例
便携式检测系统包括涡流阵列探头和处理器。如果齿轮齿廓形状比较复杂和不同规格尺寸变化较大时，可针对一定范围模数定制探头。磨机的大齿轮基圆大，齿廓曲率小，显得平直，齿根圆和齿顶圆处比较平滑，定制的涡流阵列探头与齿面贴合紧密，一次扫描可以覆盖检测整个齿。小齿轮基圆小，且常采用正变位，齿廓曲率大，显得弯曲；为了避免根切，齿根处加工有圆角，在使用涡流阵列探伤时，同样的探头需要分2次扫描来覆盖一个小齿轮齿面，且无法检测齿根处加工的圆角。
和大多数无损检测仪器类似，涡流阵列检测仪也需进行使用前的校准。在检测过程中提离发生变化时，涡流产生的磁场对提离的距离十分敏感，因此需要进行提离校准，尽量避免检测过程中提离距离的波动。增益校准则可使缺陷图像的整体对比度更加分明，有利于区别缺陷和非缺陷信号，从而使操作者对缺陷有更加正确和直观的判定。
澳大利亚某选矿厂大型球磨机齿轮使用涡流阵列对其进行检测，在检测过程中，2名技术人员在2个工作日完成了582个齿面的检测，不考虑转动磨机和休息的时间，平均每个齿面检测时间仅需15s，相应生成的C扫描图像也会自动保存在系统内。
其上有3个铸造凹坑。根据涡流阵列检测原理，涡流检测线圈扫描经过此3个铸造凹坑时，其线圈上的阻抗将发生变化，凹坑越深或越大，变化量也越大。其结果很清晰和直观地显示了3个彩色的高点，且其中2个较深凹坑的阻抗变化幅值明显较大。
通过对编号224A齿面检测，发现C扫描结果图像内显示阻抗幅值异常变化。经与设备制造商了解该区域在生产过程中探伤到缺陷，随后进行了常规的堆焊修复。而C扫描结果图像中的阻抗幅值异常变化，则由堆焊材料的电导率和磁导率与齿轮本身材料的差异所致。
通过对编号296A齿面检测，发现C扫描结果图像清晰地显示某个区域阻抗幅值变化很大。详细查看对应齿面后，发现有模糊不清的表面裂纹。
4结语
涡流阵列检测技术在检测大型磨机大齿轮表面或浅表面缺陷时，与传统的磁粉检测相比有巨大的优势。首先，检测每个齿面仅需约15s，在检测时间上能减少约80%；其次，检测结果可以显示C扫描图像，能够很容易辨识齿面缺陷，不需要很强的专业知识；最后，每个检测结果均自动保存，也可自动汇总导出整个齿轮检测报告，便于存档和跟踪。使用该检测技术时，被测件表面电导率、磁导率的变化，扫描速度及动作的稳定性均会对结果产生一定的影响，因此需要在使用前了解被测件材料的特点，适当地校准，设置合理的参数和积累较多的检测经验，来更好地保证检测结果的可靠性、一致性和判断的正确性。
引文格式：
[1]李超，夏霜，张勇，顾晓均.涡流阵列检测在大型磨机齿轮上的应用.[J].矿山机械,2019,47(11):57-60.
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