基于磁記憶檢測(cè)技術(shù)的滑行車類游樂(lè)設(shè)施重要銷軸使用壽命評(píng)估

李小珊，白星，劉文貞，張世亮

（河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，河北 石家莊 050021）

1 研究背景

由于滑行車類游樂(lè)設(shè)施的運(yùn)動(dòng)載荷、重載等運(yùn)行模式和驚、險(xiǎn)、奇的設(shè)計(jì)思路，使得其常見損傷主要為應(yīng)力集中、疲勞和埋藏缺陷的擴(kuò)展等。滑行車類游樂(lè)設(shè)施的重要銷軸主要有：車輪軸、立軸、水平軸、車輛連接軸等。高速運(yùn)行中其關(guān)鍵銷軸部件的失效會(huì)危及乘客的人身和財(cái)產(chǎn)安全。如2012年5月，石家莊“好時(shí)光歡樂(lè)城”的過(guò)山車滿載著乘客，剛通過(guò)一個(gè)360度圓弧軌道時(shí)，車輛連接軸斷開。

滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸所受到的作用力，主要來(lái)源于車體運(yùn)行過(guò)程中的水平交變載荷所產(chǎn)生的水平疲勞應(yīng)力，以及車體自重和在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的向心力等這些豎直方向的應(yīng)力，大量研究表明，豎直方向的應(yīng)力，尤其是豎直方向的疲勞應(yīng)力是引起車輪軸失效的主要原因。從滑行車類游樂(lè)設(shè)施設(shè)計(jì)層面研究，假設(shè)車輪軸只是受到豎直方向的應(yīng)力導(dǎo)致斷裂破壞，那么車輪軸本應(yīng)該從車架連接斷面開始斷裂才合乎情理。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，把滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸部分看作是一個(gè)杠桿，那么杠桿的支點(diǎn)位于車輪軸中部，從材料力學(xué)角度分析，彎曲應(yīng)力在其支點(diǎn)處出現(xiàn)極大值。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在游樂(lè)設(shè)施中的應(yīng)用

滑行車類游樂(lè)設(shè)施重要銷軸的質(zhì)量直接影響著游客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，不論是廠家的自檢還是檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)，無(wú)損檢測(cè)都是必不可少的手段。目前游樂(lè)設(shè)施重要零部件和重要焊縫的無(wú)損檢測(cè)已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T34370．3-2017《游樂(lè)設(shè)施無(wú)損檢測(cè) 第3部分：磁粉檢測(cè)》、GB/T34370．52017《游樂(lè)設(shè)施無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》等。

滑行車類游樂(lè)設(shè)施是指沿剛性軌道滑行，有慣性滑行特征的及運(yùn)動(dòng)形式類似的游樂(lè)設(shè)施，如：過(guò)山車、瘋狂老鼠、激流勇進(jìn)等。根據(jù)滑行車類游樂(lè)設(shè)施的運(yùn)行特點(diǎn)，車輪軸與車架連接處在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，受交變應(yīng)力的作用在其應(yīng)力集中的位置容易發(fā)生疲勞破壞，引發(fā)事故。按要求，車輪軸每年應(yīng)進(jìn)行不低于20%的無(wú)損探傷，常規(guī)的無(wú)損探傷方法有：超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等，這些常規(guī)探傷方法其技術(shù)已發(fā)展成熟，對(duì)于已經(jīng)存在的宏觀缺陷展現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于車輪軸的應(yīng)力集中區(qū)或是工件的早期損傷部位的判定又顯示了常規(guī)無(wú)損探傷方法不足的一面。隨著無(wú)損檢測(cè)水平的不斷提高，近幾年無(wú)損探傷技術(shù)發(fā)展方向大致可分為：（1）對(duì)缺陷的大小、位置、狀態(tài)進(jìn)行量化，預(yù)測(cè)缺陷的發(fā)展趨勢(shì)。（2）探測(cè)金屬構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，安全評(píng)估缺陷的早期狀態(tài)，判定疲勞壽命，預(yù)防構(gòu)件發(fā)生突發(fā)性破壞。

表1 車輪軸疲勞次數(shù)與梯度值K 的關(guān)系

2.1 磁粉探傷

GB/T34370．3-2017《游樂(lè)設(shè)施無(wú)損檢測(cè) 第3部分：磁粉檢測(cè)》明確規(guī)定了游樂(lè)設(shè)施重要焊縫和重要軸、銷軸的探傷要求，但是在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中存在著一些問(wèn)題。

（1）在滑行車類游樂(lè)設(shè)施中，激流勇進(jìn)車輪軸常常采用不銹鋼材料，不具有鐵磁性，磁粉探傷法不可行。（2）磁粉探傷前通常需要打磨，這樣一來(lái)破壞了游樂(lè)設(shè)施的外觀。然而帶涂層的磁粉探傷其效果并不理想。（3）磁粉探傷無(wú)法顯示重要銷軸的應(yīng)力集中區(qū)，無(wú)法顯示缺陷深度。

2.2 超聲波探傷

（1）滑行車類游樂(lè)設(shè)施軸部件受力復(fù)雜，而且很多軸不宜拆卸，在線超聲波探傷難度較大，可拆卸軸由于曲率變徑較小，采用平面探頭所得結(jié)果存在一定誤差。（2）滑行車類游樂(lè)設(shè)施軸部件大都為非標(biāo)生產(chǎn)，在檢測(cè)過(guò)程中要根據(jù)不同軸部件做不同試塊，在定期檢驗(yàn)中不易實(shí)現(xiàn)。（3）超聲波探傷無(wú)法顯示重要銷軸的應(yīng)力集中區(qū)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定性、定量。

2.3 磁記憶檢測(cè)

上世紀(jì)90年代末，俄羅斯學(xué)者杜波夫教授正式提出了一種檢測(cè)工件應(yīng)力集中區(qū)和疲勞損傷的無(wú)損檢測(cè)方法——金屬磁記憶檢測(cè)法。該方法的原理是利用鐵磁工件在受載狀態(tài)下所受地球磁場(chǎng)的作用，工件的應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)會(huì)產(chǎn)生自發(fā)磁化現(xiàn)象。當(dāng)工件的受載狀態(tài)撤銷之后，這種自發(fā)的磁化現(xiàn)象在工件表面形成漏磁場(chǎng)，漏磁場(chǎng)具有兩個(gè)特性，一是不可逆性，二是不會(huì)短期內(nèi)消失。漏磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球磁場(chǎng)，更重要的是工件所受的應(yīng)力大小直接影響漏磁強(qiáng)度，兩者存在著相關(guān)性。大量研究表明，工件的應(yīng)力集中區(qū)是工件缺陷產(chǎn)生的征兆，其破壞點(diǎn)往往發(fā)生于應(yīng)力集中處。根據(jù)這個(gè)研究思路，我們首先要尋找準(zhǔn)確判定工件應(yīng)力集中區(qū)的檢測(cè)方法，進(jìn)而再分析缺陷的發(fā)展，這就可以對(duì)工件的缺陷進(jìn)行預(yù)報(bào)甚至是使用壽命分析。金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確判定工件應(yīng)力集中區(qū)的位置，這也是它的突出優(yōu)點(diǎn)。

3 滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸使用壽命評(píng)估

3.1 磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度值K

磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度值K可表示為：將相鄰兩個(gè)檢測(cè)步距所得到的磁記憶信號(hào)法相分量值Hp(y)做差，將所得結(jié)果取絕對(duì)值后，與兩個(gè)步距間的距離?x做商，其比值就是工件表面磁記憶信號(hào)梯度值K。計(jì)算公式如下式所列：

3.2 磁記憶信號(hào)梯度值K與車輪軸循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3.3 使用壽命分析

通過(guò)計(jì)算分析滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸不同疲勞次數(shù)下磁記憶信號(hào)法向分量梯度值K，得到K值隨疲勞次數(shù)的變化關(guān)系（見表1）。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：梯度值K整體上呈上升趨勢(shì)，在疲勞次數(shù)達(dá)34820次時(shí)出現(xiàn)了缺陷的萌生，0到34820次疲勞循環(huán)這一過(guò)程我們稱之為過(guò)程一。過(guò)程一的K值在疲勞試驗(yàn)剛一開始時(shí)，即0到5000次，變化較為明顯，剩余部分梯度值增長(zhǎng)速度較為平緩，主要集中在40上下。過(guò)程二為缺陷萌生至試件破壞，此過(guò)程K值的變化較為激烈，不難發(fā)現(xiàn)68×1；呈現(xiàn)出以2為底的指數(shù)形式激增。由此可見，疲勞次數(shù)越大，K值越大，車輪軸疲勞損傷程度越重，K值與疲勞次數(shù)可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)體現(xiàn)。因此，根據(jù)疲勞次數(shù)來(lái)表征試件的疲勞壽命，進(jìn)而再根據(jù)磁記憶信號(hào)梯度值K來(lái)分析試件的使用壽命，該方法具有一定的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸中央部分所受彎曲應(yīng)力最大。（2）滑行車類游樂(lè)設(shè)施車輪軸的疲勞損傷程度隨磁記憶信號(hào)梯度值的變化而變化，疲勞次數(shù)越大，K值越大，車輪軸疲勞損傷程度越重。（3）磁記憶信號(hào)梯度值K與車輪軸疲勞加載次數(shù)存在著相關(guān)性，此相關(guān)性可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式體現(xiàn)，因此，根據(jù)K值來(lái)分析車輪軸的使用壽命，該方法是可行的。

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