黄建明实战案例专栏 | 【案例38】塔式吊机的齿轮轴超声波检测分析

文章来源:微信公众号:航空无损检测
38 塔式吊机的齿轮轴超声波检测分析
   

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在定期监控测量的过程中,如果是平均地周向裂纹就不用怕,如果变成偏心的裂纹就要小心停止使用了。



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本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例38

澳门一建筑地盘正在使用中的塔式吊机 (TOWER CRANE), 四个用来控制旋转的齿轮轴,其中一个突然断裂掉在工作平台的铁网上,幸好没有从高空堕下伤到人。


这部塔式吊机已使用十多年了,第一次发生这样的断裂事故!


客户找到我,告知我这个情况,叫我明天马上过澳门去做超声波检测,检查下同部吊机的其它三个齿轮轴是否也有裂纹。


另外还有两部同厂出品的塔式吊机也趁此机会做超声波检测,看看是否有裂纹。


(图 1 齿轮轴结构示意图 )

(图 2  裂纹的位置)

我要求他提供详细图纸,但他只能提供一个组装示意图 (见图 1)。


从这张图上,我1:1作图分析(见图 2),并判断裂纹的位置;若在不拆下的状况下,只能从齿轮轴底这方向扫描,因为在轴承位台阶圆角应力集中产生裂纹的位置被这7.5mm台阶回波重迭掩盖住,很难从这方向分辨出裂纹。(见图 3)


台阶与裂纹都处在同一水平距离难以分辨,看到这个情况可以用这样来比喻 “一个人用他自己的眼睛去看自己的耳朵” 这简直就是不可能的!


稍有超声波检测常识的人都不建议这样做,也不敢这样做,因为这是个死角盲点。


(图 3 台阶与裂纹的回波重迭难以分辨)


再详细地看看断口的图片,想了想后,说可以一试,而且非要我亲自出马去做不可!


因为我看见这个疲劳裂纹,我突然有个感觉,这个裂纹它是一个良性的(肿瘤)疲劳裂纹,从它的疲劳裂纹的纹路可以看到它是由外圆逐渐向中心扩展而最后才断裂的(图4、5),由直径Ø110mm缩小到最后只有Ø40mm才断,也就是说,若有大裂纹,深度大于7.5mm我就很容易分辨出是否有裂纹了!


即使是7.5mm深度直径也只是由Ø110mm减至Ø95mm,Ø95mm是不会立即断掉的。


(图 4 典型的“良性”疲劳断裂)

(图 5 旁边另一个也有裂纹)

细作图1:1扫描图分析后,我带上仪器、量尺和图纸,第二天到澳门建筑地盘,上了哪部已断了一个齿轮轴的塔式起重机,检查其它三个齿轮轴,在我细心的分析测试后,我用两个单晶直探头直径20mm 2.5MHz直径14mm 5MHz配备USM25型A扫瞄超声波仪器,用5MHz探头探测时使用仪器的扩展功能,将台阶处回波展开,用7.5mm台阶调校回波高度80%FSH,然后慢慢地将探头由外径边缘的台阶向内径移动,给我找到了一个很明显分叉回波,特别是做断裂旁的一个效果最清晰,而对面的两个也有这样的分叉回波,但是很小深度大约1至2mm。(图6、7)


(图 6 如果有开叉回波就有裂纹)

(图 7 有明显的开叉回波)


后,我再做同型号的另一部吊机上的四个齿轮轴,也有很小的分叉回波,深度大约1至2mm,同时也发现用直径20mm 2.5MHz直探头检测时底波80%FSH时需要用50dB,其透声性能差


而另一部同厂但不同型号的四个齿轮轴用同样的方法测试时却没有分叉回波,而且底波清晰,只用30dB就能达到80%FSH,透声性能亦相当好 (当当声)。


在反复比较后得出结论:


这两台同型号齿轮轴都有可疑分叉回波,最好是将断轴旁的一个拆下来看看,因为这个从分叉回波来看很明显,而且在做全长测试时其底波80% FSH(满屏高度)时要用到50dB,说明此轴的透声性能差,很有可能已产生了金属疲劳,金属疲劳会引起声波衰减,这是我多年来所发现的一个 “金属疲劳”现象。


为了给客户信心,我建议拆出一个有最大可疑裂纹的齿轮轴来看看。


了两天,客户连夜拆卸,要我再过去看看。我到了工地,正好见到几个工人把齿轮轴从六十米高的塔式起重机上搬下来,他们却拆了对面一个我认为不是很明显裂纹的齿轮轴,我心里一怔怎么拆这个小裂纹的齿轮轴呢


原来客户的这个工程主管完全不相信我的检测结果,因为他问过其他检测公司,都说不可能在不拆卸的情况能检测出裂纹来,我问他为什么不拆哪个比较大裂纹的轴呢


他说:「你不是说都有裂纹吗?」一副不信任的表情。 


我说:「那好,让我再用45°横波斜探头试试,从轴外径这个方向扫查,若发现有回波那就比较肯定有裂纹;要是没有回波,说明没有裂纹,就不需要用火焰切割轴承了,就当我错了好不好?」


我用45°横波斜探头从齿轮轴物外径探测时,很清晰地看到一个小小回波 (见图8、9),再详细计算声程和水平距离正是在轴承底台阶圆角位置,我告诉他们这条轴肯定有裂纹,但不是很大,叫他们用火焰切割,工人们马上用氧割切割开轴承 (见图10)。


(图 8 用45°横波斜探头)

(图 9 裂纹的小回波)

(图 10  切割轴承)


轴承完全切开后,我用布擦干净怀疑有裂纹段的位置,我无法用肉眼看到裂纹,众人亦是全部不能用肉眼看到任何裂纹!(见图 11)


(图 11 你能看到裂纹吗?)


这下可傻了,刚在众人面前还说有裂纹,可现在却什么都看不到?


本来就不相信我的主管看到这情景后更加不高兴的了,客人当中有些比较粗鲁的立刻骂声四起。


工程主管拿起手机就打电话回香港准备告诉他老板说看不到裂纹


(各位读者 如果您遇到这情景时您会紧张心跳吗?会有什么感想? 您又如何解决呢? 想一想再往下看)


 我赶快按住他,叫他先别急告诉老板不要让老板担心,再等等让我确认下好不好? 


他半信半怀疑地收起电话看着我,我再用45°横波斜探头测量一样能见到有回波,经计算后确定了怀疑有裂纹的位置,尽管肉眼真的无法看见,但是此时我肯定有裂纹,因为这种肉眼看不见裂纹的情况我以前在检测其他轴类零件时也见过。


我笑着对他们说:「上帝在做人的时侯真是有点失败,把人眼睛视力做得太差了,如果做成老鹰的眼睛就好了!各位稍等片刻,待我的同事把磁粉探伤仪拿来做磁粉探伤再看看好吗?」


到中午十二时,我同事从楼上做完磁粉探伤下来,我叫他在这些轴怀疑有裂纹的位置做磁粉探伤,他喷上白色反差剂和把磁轭往上一靠,再喷浇上黑色磁悬液在轴上,裂纹马上显现了 (见图12、13)。


(图 12 喷上白色反差剂 )

(图 13 磁粉显示裂纹出来)


这时客户终于相信了。


「专家就是专家,黄Sir你可真厉害!」马上有人拍我马屁了。


工程主管他看到这个事实不得不相信我了。


户很相信我的检验结果,可是又着急,怎么办


塔式吊机已经没有第二台备用的,外国厂家已停产,无法买到配件,即使照图纸加工,也赶不及了,因为工地还有三个月就完工,若现在停用,过期罚款就是每天十万元港币


「这下怎么办?」他们问我。


我想了想说:「根据我的经验和测试结果,我认为你们这些齿轮轴的裂纹,是一种『良性的疲劳裂纹』,就像良性肿瘤一样,是不会马上死亡的;


但若是恶性的疲劳裂纹,就会像癌症一样很快死亡。


目前这个裂纹是整圈向中心慢慢地扩展,是良性的扩展,只要保证操作不超负荷 (overload),及以指定合资格的熟手驾驶员柔顺地旋转操作,由我们再定期用超声检测监控裂纹扩展,要是使用三个月,我想我是有信心『明知有裂纹都可以使用的』。」


(我建议他们就把这个有裂纹的齿轮轴装回去用应该没有问题的)。


后建议客户在齿轮外加个铁罩,即使轴断了也不会从高空坠下砸伤人。


客户同意我的建议,要我每星期派人前去监测一次;在三个多月的监控中,齿轮轴的裂纹未见有所扩展,这样达到了我预期的效果。


及后客户说地盘工程需要延期,问齿轮轴可否多熬一个月,我说:「没有问题,只要保持这样运作的方式和监控就行了!」


最后他们却连续做了半年才完成了全部工程,所以说这是一个成功的案例,客户对我这个判断是非常满意的。


用「良性肿瘤」和「恶性肿瘤」(cancer) 的比喻方法,让客户他们更容易理解这种裂纹的特性,根据我在轴类零件的多年经验,我发现轴类零件的疲劳裂纹通常有两种情况:  


  1. 如果是偏心扩展的裂纹,属于「恶性肿瘤」,它扩展的速度是快速的或者称它为脆性的裂纹 (见图14)它会突然地断裂;


  2.  如果像这个断口却是整圈的从外圆向轴心慢慢地扩展,有这种裂纹扩展趋势的疲劳纹我称它为「良性肿瘤」或是韧性的裂纹,它是不会突然地断裂的。


(图 14 典型的「恶性肿瘤」疲劳裂纹和脆性断裂)


然良性的肿瘤也可变成恶性肿瘤,要看你如何操作使用它了。


一般人都会当它是恶性的来处理马上更换,这是很浪费的(现在有标准可以计算和评估出裂纹的寿命)。


香港我另外有个客户,我在给他们做超声波轴类零件检测培训时,他告诉我他们的车辆轮轴有裂纹后只剩下30%的直径还能用,不会突然断裂的,是韧性非常好的英国材料,(材质也会影响裂纹的良性和恶性,最近这两年他们用国产材料却全部成了恶性裂纹),我看过他们车辆轮轴的疲劳裂纹断口与我这次的情况完全一样,而且我们这个轴是意大利出厂的材料,这就更增加了我的判断和信心了


后记


们做NDT的有个很大的好处是在不拆卸的情况下,可以通过超声波检测就知道裂纹是良性的还是恶性的,因为超声波可以测量出裂纹是整圈周向裂纹和偏心裂纹。


(疲劳失效的分析专家们还得找我们帮忙呢!)


在定期监控测量的过程中,如果是平均地周向裂纹就不用怕,如果变成偏心的裂纹就要小心停止使用了。


读者是否知道我为什么用45°横波斜探头?为什么从外径扫查如有回波就肯定是裂纹?如何分辨脆性裂纹和韧性裂纹?(良性肿瘤和恶性肿瘤)


人肉眼所能看见最小尺寸是mm毫米级?还是mm微米级呢?磁粉的分辨力又是什么级?


关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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