大型游樂(lè)設(shè)施主軸缺陷成因及檢測(cè)方法分析

引言

截至2018年底,全國(guó)大型游樂(lè)設(shè)施數(shù)量已增至2.51萬(wàn)套,并呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢(shì)[1]。但近年來(lái)游樂(lè)設(shè)施事故時(shí)有發(fā)生,而信息在網(wǎng)絡(luò)社交平臺(tái)和自媒體上的快速傳播,使游樂(lè)設(shè)施事故觸碰了人們敏感的神經(jīng)。大型游樂(lè)設(shè)施主軸作為機(jī)械和工程結(jié)構(gòu)的主要承重部件若存在缺陷,就可能造成人員生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。在中國(guó)特檢院截至2018年收集發(fā)現(xiàn)的427個(gè)大型游樂(lè)設(shè)施典型案例中,軸缺陷導(dǎo)致的案例為43個(gè),占比10.07%,僅次于焊縫缺陷,排名第二。因此,對(duì)游樂(lè)設(shè)施主軸不同部位可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行分析,對(duì)于大型游樂(lè)設(shè)施的無(wú)損檢測(cè)和檢驗(yàn)檢測(cè)具有重大的實(shí)際應(yīng)用意義。

1主軸受力及缺陷成因分析

大型游樂(lè)設(shè)施中飛行塔類、自控飛機(jī)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(lái)所需拆卸量占設(shè)備總體結(jié)構(gòu)的一半以上。因此,對(duì)于不可拆卸軸的無(wú)損檢測(cè)一般采用內(nèi)部檢測(cè)方法,如超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)。為了更加有針對(duì)性地對(duì)主軸容易出現(xiàn)缺陷的部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和缺陷的定位定性,需對(duì)主軸的缺陷成因及特征進(jìn)行分析,這樣在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)才能知道哪些部位為重點(diǎn)探測(cè)部位,能對(duì)出現(xiàn)的缺陷信號(hào)進(jìn)行定量和定性分析。而根據(jù)主軸的承載性質(zhì)不同,可將其分為轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動(dòng)軸三類。

1.1心軸

心軸有固定心軸與旋轉(zhuǎn)心軸兩種,在大型游樂(lè)設(shè)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(shè)備油缸支撐吊掛軸等。心軸主要承受設(shè)備整體自重和游客的載荷,載荷主要為彎矩,受到剪切應(yīng)力比較大。尤其在軸肩和壓裝部位應(yīng)力不平衡時(shí),受到的截切載荷和應(yīng)力集中尤為明顯。心軸作為游樂(lè)設(shè)施主要的受力部件,為了避免工作產(chǎn)生疲勞損傷和磨損,一般在其設(shè)計(jì)時(shí)按無(wú)限使用壽命設(shè)計(jì)。

1.2轉(zhuǎn)軸

大型游樂(lè)設(shè)施中少部分為轉(zhuǎn)軸,如上驅(qū)動(dòng)式大擺錘吊掛主軸、狂呼主軸。轉(zhuǎn)軸不但要承受設(shè)備大部分的重量,還要承受電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力,減速機(jī)驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)齒輪、皮帶或鏈條等裝置將動(dòng)力傳給運(yùn)動(dòng)部件,因此,轉(zhuǎn)軸主要承受設(shè)備自重的剪切應(yīng)力、驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支承裝配處的彎矩,還有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的扭矩,故轉(zhuǎn)軸的分析屬于彎扭合成類型。

轉(zhuǎn)軸在設(shè)備不斷周期性運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(shè)備中,轉(zhuǎn)軸要同時(shí)不斷受到正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)的沖擊。因此,在不間斷周期性的載荷作用下,轉(zhuǎn)軸容易產(chǎn)生疲勞缺陷。

1.3傳動(dòng)軸

傳動(dòng)軸是游樂(lè)設(shè)施運(yùn)行中傳遞力的重要零部件,通過(guò)傳動(dòng)軸能夠帶動(dòng)設(shè)備其他部位的運(yùn)動(dòng),在滑行類和架空游覽車類游樂(lè)設(shè)施中運(yùn)用比較多。此兩類設(shè)備的特點(diǎn)為加速過(guò)程和減速過(guò)程比較多,因此傳動(dòng)軸主要受到加速時(shí)的拉伸載荷和減速時(shí)的壓縮載荷。傳動(dòng)軸的失效將導(dǎo)致設(shè)備無(wú)動(dòng)力部分的失控,造成設(shè)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(nèi)磨損出現(xiàn)最多,主要是由于主軸的軸向間隙過(guò)大或軸的設(shè)計(jì)不具備足夠的強(qiáng)度和剛度、良好的振動(dòng)穩(wěn)定性和合理的結(jié)構(gòu)。其特征為缺陷面積較大,表面呈魚鱗狀,磨損后尺寸會(huì)減小到允許值的極限,這時(shí)主軸的強(qiáng)度會(huì)有較大的減弱,導(dǎo)致軸的安全系數(shù)和能夠承受的載荷不滿足設(shè)計(jì)文件的要求。表面缺陷同樣也包含點(diǎn)蝕、劃痕等常見(jiàn)缺陷[3]。

2.2內(nèi)部缺陷

2.2.1應(yīng)力集中裂紋

從受力分析可知軸的應(yīng)力集中部分主要分布于幾個(gè)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(chǎn)生應(yīng)力集中,從而產(chǎn)生應(yīng)力集中裂紋。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸表面和近表面處受到的剪切摩擦應(yīng)力集中,從而易形成扭力裂紋,裂紋開裂后由于應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力釋放向周邊進(jìn)行延伸。

由于應(yīng)力集中裂紋出現(xiàn)在軸結(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)域特征,同時(shí)裂紋一般是在與軸橫縱方向成459角的范圍內(nèi),因此在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí),根據(jù)主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、集合尺寸、應(yīng)力集中裂紋的方向等,可以有選擇地對(duì)某些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。

同時(shí),在軸的設(shè)計(jì)和選用之初就可以采取措施盡可能避免應(yīng)力集中問(wèn)題的發(fā)生,如可以在截面變化處采用圓角,且不宜過(guò)小(具體尺寸查相關(guān)手冊(cè));避免軸上開橫孔、凹槽,必須開橫孔時(shí)(應(yīng)避免盲孔)須將邊倒圓(孔口應(yīng)倒角)。

2.2.2疲勞斷裂

由于游樂(lè)設(shè)施自身運(yùn)行特征,部分可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的金屬部件,其應(yīng)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(shí),即使載荷的大小處于彈性范圍之內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂[4]。疲勞斷裂總是突然發(fā)生,難以預(yù)測(cè),因此產(chǎn)生的危害也是最大的。

大型游樂(lè)設(shè)施運(yùn)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(yīng)力集中會(huì)在主軸表面形成初始疲勞裂紋源,如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)使用,主軸會(huì)受到擾動(dòng)載荷的作用,導(dǎo)致表面裂紋不斷擴(kuò)展,直至發(fā)生斷裂。此類軸一般為主要受力結(jié)構(gòu)件,一旦發(fā)生疲勞斷裂,對(duì)于乘客生命和游樂(lè)設(shè)施安全威脅最為巨大。

3主軸檢測(cè)方法

3.1外部無(wú)損檢測(cè)方法

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

(2)磁粉檢測(cè)。利用磁感應(yīng)線經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)泄漏,磁粉在缺陷處聚集的原理進(jìn)行檢測(cè)。此方法同樣需對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸,適用于鐵磁性主軸的表面和近表面缺陷檢測(cè)。

(3)滲透檢測(cè)。原理:滲透液滲入表面開口缺陷后,利用毛細(xì)作用顯像液在缺陷處產(chǎn)生差異明顯的顏色來(lái)標(biāo)識(shí)缺陷。同樣需要進(jìn)行拆卸,適用于鐵磁和非鐵磁性主軸的表面缺陷檢測(cè)。

3.2內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)方法

(1)射線檢測(cè)。利用射線穿透材料有缺陷處和無(wú)缺陷處的強(qiáng)度不同,在底片上顯示的灰度不同來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。此方法無(wú)需拆卸主軸,但對(duì)結(jié)構(gòu)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(jī)器和膠片難以擺放,加上射線對(duì)人體有放射傷害,故實(shí)際運(yùn)用不多。

(2)超聲檢測(cè)。利用超聲波在材料有缺陷處和無(wú)缺陷處反射回波的差異來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行判別。運(yùn)用于主軸可以對(duì)其進(jìn)行原位檢測(cè),利用主軸的端面使用直探頭或小角度縱波探頭對(duì)主軸內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)具備便攜式超聲檢測(cè)儀方便高空作業(yè),對(duì)人體無(wú)害等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4結(jié)論

(1)由大型游樂(lè)設(shè)施主軸受力分析可知,心軸主要受剪切應(yīng)力,轉(zhuǎn)軸主要受彎矩和剪切的復(fù)合應(yīng)力,驅(qū)動(dòng)軸主要受轉(zhuǎn)矩的交變應(yīng)力。

(2)由大型游樂(lè)設(shè)施主軸缺陷分析可知,主軸表面缺陷主要包含磨損、點(diǎn)蝕、劃痕,不對(duì)主軸進(jìn)行拆卸基本無(wú)法對(duì)主軸表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

(3)由大型游樂(lè)設(shè)施主軸缺陷分析可知,主軸內(nèi)部缺陷主要包括母材內(nèi)部缺陷、應(yīng)力集中裂紋、疲勞斷裂,內(nèi)部缺陷對(duì)于主軸的危害最大,極易造成軸的斷裂。

(4)對(duì)于主軸內(nèi)部只能運(yùn)用射線檢測(cè)和超聲檢測(cè),而超聲檢測(cè)因其容易攜帶、檢測(cè)快捷、無(wú)需拆卸等優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中運(yùn)用最為廣泛。