大型游樂設施主軸缺陷成因及檢測方法分析

引言

截至2018年底,全國大型游樂設施數(shù)量已增至2.51萬套,并呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢[1]。但近年來游樂設施事故時有發(fā)生,而信息在網絡社交平臺和自媒體上的快速傳播,使游樂設施事故觸碰了人們敏感的神經。大型游樂設施主軸作為機械和工程結構的主要承重部件若存在缺陷,就可能造成人員生命和財產的巨大損失。在中國特檢院截至2018年收集發(fā)現(xiàn)的427個大型游樂設施典型案例中,軸缺陷導致的案例為43個,占比10.07%,僅次于焊縫缺陷,排名第二。因此,對游樂設施主軸不同部位可能產生的缺陷進行分析,對于大型游樂設施的無損檢測和檢驗檢測具有重大的實際應用意義。

1主軸受力及缺陷成因分析

大型游樂設施中飛行塔類、自控飛機類、陀螺類和觀覽車類主軸都屬于不可拆卸軸,把此類主軸拆下來所需拆卸量占設備總體結構的一半以上。因此,對于不可拆卸軸的無損檢測一般采用內部檢測方法,如超聲檢測和射線檢測。為了更加有針對性地對主軸容易出現(xiàn)缺陷的部位進行無損檢測和缺陷的定位定性,需對主軸的缺陷成因及特征進行分析,這樣在進行無損檢測時才能知道哪些部位為重點探測部位,能對出現(xiàn)的缺陷信號進行定量和定性分析。而根據(jù)主軸的承載性質不同,可將其分為轉軸、心軸、傳動軸三類。

1.1心軸

心軸有固定心軸與旋轉心軸兩種,在大型游樂設施上使用的主軸大部分為心軸,如摩天輪主軸、海盜船吊掛軸、設備油缸支撐吊掛軸等。心軸主要承受設備整體自重和游客的載荷,載荷主要為彎矩,受到剪切應力比較大。尤其在軸肩和壓裝部位應力不平衡時,受到的截切載荷和應力集中尤為明顯。心軸作為游樂設施主要的受力部件,為了避免工作產生疲勞損傷和磨損,一般在其設計時按無限使用壽命設計。

1.2轉軸

大型游樂設施中少部分為轉軸,如上驅動式大擺錘吊掛主軸、狂呼主軸。轉軸不但要承受設備大部分的重量,還要承受電機的旋轉驅動力,減速機驅動軸通過齒輪、皮帶或鏈條等裝置將動力傳給運動部件,因此,轉軸主要承受設備自重的剪切應力、驅動裝置和回轉支承裝配處的彎矩,還有旋轉驅動所帶來的扭矩,故轉軸的分析屬于彎扭合成類型。

轉軸在設備不斷周期性運轉過程中,主要承受周期性的扭矩載荷,特別是在狂呼和大擺錘此類設備中,轉軸要同時不斷受到正向和反向轉動的沖擊。因此,在不間斷周期性的載荷作用下,轉軸容易產生疲勞缺陷。

1.3傳動軸

傳動軸是游樂設施運行中傳遞力的重要零部件,通過傳動軸能夠帶動設備其他部位的運動,在滑行類和架空游覽車類游樂設施中運用比較多。此兩類設備的特點為加速過程和減速過程比較多,因此傳動軸主要受到加速時的拉伸載荷和減速時的壓縮載荷。傳動軸的失效將導致設備無動力部分的失控,造成設備撞擊和傾翻。

2主軸缺陷特征分析

2.1表面缺陷

在主軸正常使用壽命周期內磨損出現(xiàn)最多,主要是由于主軸的軸向間隙過大或軸的設計不具備足夠的強度和剛度、良好的振動穩(wěn)定性和合理的結構。其特征為缺陷面積較大,表面呈魚鱗狀,磨損后尺寸會減小到允許值的極限,這時主軸的強度會有較大的減弱,導致軸的安全系數(shù)和能夠承受的載荷不滿足設計文件的要求。表面缺陷同樣也包含點蝕、劃痕等常見缺陷[3]。

2.2內部缺陷

2.2.1應力集中裂紋

從受力分析可知軸的應力集中部分主要分布于幾個地方:軸的幾何變截面處,軸上橫孔、凹槽處,軸肩、軸環(huán)和壓裝裝配部位處。在這些地方容易產生應力集中,從而產生應力集中裂紋。轉軸由于不僅要承受彎矩剪切力而且要承受巨大的扭力,在工作轉軸表面和近表面處受到的剪切摩擦應力集中,從而易形成扭力裂紋,裂紋開裂后由于應力集中區(qū)域的應力釋放向周邊進行延伸。

由于應力集中裂紋出現(xiàn)在軸結構上有明顯的區(qū)域特征,同時裂紋一般是在與軸橫縱方向成459角的范圍內,因此在進行無損檢測時,根據(jù)主軸的結構特點、集合尺寸、應力集中裂紋的方向等,可以有選擇地對某些重點區(qū)域進行檢測。

同時,在軸的設計和選用之初就可以采取措施盡可能避免應力集中問題的發(fā)生,如可以在截面變化處采用圓角,且不宜過小(具體尺寸查相關手冊);避免軸上開橫孔、凹槽,必須開橫孔時(應避免盲孔)須將邊倒圓(孔口應倒角)。

2.2.2疲勞斷裂

由于游樂設施自身運行特征,部分可能產生相對運動的金屬部件,其應力集中區(qū)在交變載荷的作用下最容易發(fā)生斷裂。金屬部件在承受交變載荷時,即使載荷的大小處于彈性范圍之內也會產生疲勞斷裂[4]。疲勞斷裂總是突然發(fā)生,難以預測,因此產生的危害也是最大的。

大型游樂設施運行中其主軸可能受到交變載荷的沖擊造成一些痕跡,由于缺口所造成的應力集中會在主軸表面形成初始疲勞裂紋源,如果沒有及時發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)使用,主軸會受到擾動載荷的作用,導致表面裂紋不斷擴展,直至發(fā)生斷裂。此類軸一般為主要受力結構件,一旦發(fā)生疲勞斷裂,對于乘客生命和游樂設施安全威脅最為巨大。

3主軸檢測方法

3.1外部無損檢測方法

(1)目視檢測。在日常檢驗中最為常用,通過裸眼或者借助一些工具進行檢測。此方法需把主軸拆卸下來,只能對主軸表面缺陷進行檢測。

(2)磁粉檢測。利用磁感應線經過缺陷時產生的磁場泄漏,磁粉在缺陷處聚集的原理進行檢測。此方法同樣需對設備進行拆卸,適用于鐵磁性主軸的表面和近表面缺陷檢測。

(3)滲透檢測。原理:滲透液滲入表面開口缺陷后,利用毛細作用顯像液在缺陷處產生差異明顯的顏色來標識缺陷。同樣需要進行拆卸,適用于鐵磁和非鐵磁性主軸的表面缺陷檢測。

3.2內部無損檢測方法

(1)射線檢測。利用射線穿透材料有缺陷處和無缺陷處的強度不同,在底片上顯示的灰度不同來對缺陷進行檢測。此方法無需拆卸主軸,但對結構和缺陷方向、位置的要求很高。且由于主軸大多位于高空,射線機器和膠片難以擺放,加上射線對人體有放射傷害,故實際運用不多。

(2)超聲檢測。利用超聲波在材料有缺陷處和無缺陷處反射回波的差異來對缺陷進行判別。運用于主軸可以對其進行原位檢測,利用主軸的端面使用直探頭或小角度縱波探頭對主軸內部進行檢測。同時具備便攜式超聲檢測儀方便高空作業(yè),對人體無害等諸多優(yōu)點。

4結論

(1)由大型游樂設施主軸受力分析可知,心軸主要受剪切應力,轉軸主要受彎矩和剪切的復合應力,驅動軸主要受轉矩的交變應力。

(2)由大型游樂設施主軸缺陷分析可知,主軸表面缺陷主要包含磨損、點蝕、劃痕,不對主軸進行拆卸基本無法對主軸表面缺陷進行檢測。

(3)由大型游樂設施主軸缺陷分析可知,主軸內部缺陷主要包括母材內部缺陷、應力集中裂紋、疲勞斷裂,內部缺陷對于主軸的危害最大,極易造成軸的斷裂。

(4)對于主軸內部只能運用射線檢測和超聲檢測,而超聲檢測因其容易攜帶、檢測快捷、無需拆卸等優(yōu)勢在實踐中運用最為廣泛。