大型游乐设施主轴缺陷成因及检测方法分析

引言

截至2018年底,全国大型游乐设施数量已增至2.51万套,并呈现逐年递增态势[1]。但近年来游乐设施事故时有发生,而信息在网络社交平台和自媒体上的快速传播,使游乐设施事故触碰了人们敏感的神经。大型游乐设施主轴作为机械和工程结构的主要承重部件若存在缺陷,就可能造成人员生命和财产的巨大损失。在中国特检院截至2018年收集发现的427个大型游乐设施典型案例中,轴缺陷导致的案例为43个,占比10.07%,仅次于焊缝缺陷,排名第二。因此,对游乐设施主轴不同部位可能产生的缺陷进行分析,对于大型游乐设施的无损检测和检验检测具有重大的实际应用意义。

1主轴受力及缺陷成因分析

大型游乐设施中飞行塔类、自控飞机类、陀螺类和观览车类主轴都属于不可拆卸轴,把此类主轴拆下来所需拆卸量占设备总体结构的一半以上。因此,对于不可拆卸轴的无损检测一般采用内部检测方法,如超声检测和射线检测。为了更加有针对性地对主轴容易出现缺陷的部位进行无损检测和缺陷的定位定性,需对主轴的缺陷成因及特征进行分析,这样在进行无损检测时才能知道哪些部位为重点探测部位,能对出现的缺陷信号进行定量和定性分析。而根据主轴的承载性质不同,可将其分为转轴、心轴、传动轴三类。

1.1心轴

心轴有固定心轴与旋转心轴两种,在大型游乐设施上使用的主轴大部分为心轴,如摩天轮主轴、海盗船吊挂轴、设备油缸支撑吊挂轴等。心轴主要承受设备整体自重和游客的载荷,载荷主要为弯矩,受到剪切应力比较大。尤其在轴肩和压装部位应力不平衡时,受到的截切载荷和应力集中尤为明显。心轴作为游乐设施主要的受力部件,为了避免工作产生疲劳损伤和磨损,一般在其设计时按无限使用寿命设计。

1.2转轴

大型游乐设施中少部分为转轴,如上驱动式大摆锤吊挂主轴、狂呼主轴。转轴不但要承受设备大部分的重量,还要承受电机的旋转驱动力,减速机驱动轴通过齿轮、皮带或链条等装置将动力传给运动部件,因此,转轴主要承受设备自重的剪切应力、驱动装置和回转支承装配处的弯矩,还有旋转驱动所带来的扭矩,故转轴的分析属于弯扭合成类型。

转轴在设备不断周期性运转过程中,主要承受周期性的扭矩载荷,特别是在狂呼和大摆锤此类设备中,转轴要同时不断受到正向和反向转动的冲击。因此,在不间断周期性的载荷作用下,转轴容易产生疲劳缺陷。

1.3传动轴

传动轴是游乐设施运行中传递力的重要零部件,通过传动轴能够带动设备其他部位的运动,在滑行类和架空游览车类游乐设施中运用比较多。此两类设备的特点为加速过程和减速过程比较多,因此传动轴主要受到加速时的拉伸载荷和减速时的压缩载荷。传动轴的失效将导致设备无动力部分的失控,造成设备撞击和倾翻。

2主轴缺陷特征分析

2.1表面缺陷

在主轴正常使用寿命周期内磨损出现最多,主要是由于主轴的轴向间隙过大或轴的设计不具备足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合理的结构。其特征为缺陷面积较大,表面呈鱼鳞状,磨损后尺寸会减小到允许值的极限,这时主轴的强度会有较大的减弱,导致轴的安全系数和能够承受的载荷不满足设计文件的要求。表面缺陷同样也包含点蚀、划痕等常见缺陷[3]。

2.2内部缺陷

2.2.1应力集中裂纹

从受力分析可知轴的应力集中部分主要分布于几个地方:轴的几何变截面处,轴上横孔、凹槽处,轴肩、轴环和压装装配部位处。在这些地方容易产生应力集中,从而产生应力集中裂纹。转轴由于不仅要承受弯矩剪切力而且要承受巨大的扭力,在工作转轴表面和近表面处受到的剪切摩擦应力集中,从而易形成扭力裂纹,裂纹开裂后由于应力集中区域的应力释放向周边进行延伸。

由于应力集中裂纹出现在轴结构上有明显的区域特征,同时裂纹一般是在与轴横纵方向成459角的范围内,因此在进行无损检测时,根据主轴的结构特点、集合尺寸、应力集中裂纹的方向等,可以有选择地对某些重点区域进行检测。

同时,在轴的设计和选用之初就可以采取措施尽可能避免应力集中问题的发生,如可以在截面变化处采用圆角,且不宜过小(具体尺寸查相关手册);避免轴上开横孔、凹槽,必须开横孔时(应避免盲孔)须将边倒圆(孔口应倒角)。

2.2.2疲劳断裂

由于游乐设施自身运行特征,部分可能产生相对运动的金属部件,其应力集中区在交变载荷的作用下最容易发生断裂。金属部件在承受交变载荷时,即使载荷的大小处于弹性范围之内也会产生疲劳断裂[4]。疲劳断裂总是突然发生,难以预测,因此产生的危害也是最大的。

大型游乐设施运行中其主轴可能受到交变载荷的冲击造成一些痕迹,由于缺口所造成的应力集中会在主轴表面形成初始疲劳裂纹源,如果没有及时发现而继续使用,主轴会受到扰动载荷的作用,导致表面裂纹不断扩展,直至发生断裂。此类轴一般为主要受力结构件,一旦发生疲劳断裂,对于乘客生命和游乐设施安全威胁最为巨大。

3主轴检测方法

3.1外部无损检测方法

(1)目视检测。在日常检验中最为常用,通过裸眼或者借助一些工具进行检测。此方法需把主轴拆卸下来,只能对主轴表面缺陷进行检测。

(2)磁粉检测。利用磁感应线经过缺陷时产生的磁场泄漏,磁粉在缺陷处聚集的原理进行检测。此方法同样需对设备进行拆卸,适用于铁磁性主轴的表面和近表面缺陷检测。

(3)渗透检测。原理:渗透液渗入表面开口缺陷后,利用毛细作用显像液在缺陷处产生差异明显的颜色来标识缺陷。同样需要进行拆卸,适用于铁磁和非铁磁性主轴的表面缺陷检测。

3.2内部无损检测方法

(1)射线检测。利用射线穿透材料有缺陷处和无缺陷处的强度不同,在底片上显示的灰度不同来对缺陷进行检测。此方法无需拆卸主轴,但对结构和缺陷方向、位置的要求很高。且由于主轴大多位于高空,射线机器和胶片难以摆放,加上射线对人体有放射伤害,故实际运用不多。

(2)超声检测。利用超声波在材料有缺陷处和无缺陷处反射回波的差异来对缺陷进行判别。运用于主轴可以对其进行原位检测,利用主轴的端面使用直探头或小角度纵波探头对主轴内部进行检测。同时具备便携式超声检测仪方便高空作业,对人体无害等诸多优点。

4结论

(1)由大型游乐设施主轴受力分析可知,心轴主要受剪切应力,转轴主要受弯矩和剪切的复合应力,驱动轴主要受转矩的交变应力。

(2)由大型游乐设施主轴缺陷分析可知,主轴表面缺陷主要包含磨损、点蚀、划痕,不对主轴进行拆卸基本无法对主轴表面缺陷进行检测。

(3)由大型游乐设施主轴缺陷分析可知,主轴内部缺陷主要包括母材内部缺陷、应力集中裂纹、疲劳断裂,内部缺陷对于主轴的危害最大,极易造成轴的断裂。

(4)对于主轴内部只能运用射线检测和超声检测,而超声检测因其容易携带、检测快捷、无需拆卸等优势在实践中运用最为广泛。