基于磁記憶檢測技術(shù)的滑行車類游樂設(shè)施重要銷軸使用壽命評估

李小珊，白星，劉文貞，張世亮

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

1 研究背景

由于滑行車類游樂設(shè)施的運動載荷、重載等運行模式和驚、險、奇的設(shè)計思路，使得其常見損傷主要為應(yīng)力集中、疲勞和埋藏缺陷的擴展等?；熊囶愑螛吩O(shè)施的重要銷軸主要有：車輪軸、立軸、水平軸、車輛連接軸等。高速運行中其關(guān)鍵銷軸部件的失效會危及乘客的人身和財產(chǎn)安全。如2012年5月，石家莊“好時光歡樂城”的過山車滿載著乘客，剛通過一個360度圓弧軌道時，車輛連接軸斷開。

滑行車類游樂設(shè)施車輪軸所受到的作用力，主要來源于車體運行過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行過程中所產(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。從滑行車類游樂設(shè)施設(shè)計層面研究，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。進一步來說，把滑行車類游樂設(shè)施車輪軸部分看作是一個杠桿，那么杠桿的支點位于車輪軸中部，從材料力學(xué)角度分析，彎曲應(yīng)力在其支點處出現(xiàn)極大值。

2 無損檢測技術(shù)在游樂設(shè)施中的應(yīng)用

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

滑行車類游樂設(shè)施是指沿剛性軌道滑行，有慣性滑行特征的及運動形式類似的游樂設(shè)施，如：過山車、瘋狂老鼠、激流勇進等。根據(jù)滑行車類游樂設(shè)施的運行特點，車輪軸與車架連接處在運行過程中產(chǎn)生相對運動，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)進行不低于20%的無損探傷，常規(guī)的無損探傷方法有：超聲檢測、磁粉檢測等，這些常規(guī)探傷方法其技術(shù)已發(fā)展成熟，對于已經(jīng)存在的宏觀缺陷展現(xiàn)出了較大優(yōu)勢，但是對于車輪軸的應(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)無損探傷方法不足的一面。隨著無損檢測水平的不斷提高，近幾年無損探傷技術(shù)發(fā)展方向大致可分為：（1）對缺陷的大小、位置、狀態(tài)進行量化，預(yù)測缺陷的發(fā)展趨勢。（2）探測金屬構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，安全評估缺陷的早期狀態(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《游樂設(shè)施無損檢測 第3部分：磁粉檢測》明確規(guī)定了游樂設(shè)施重要焊縫和重要軸、銷軸的探傷要求，但是在實際檢驗過程中存在著一些問題。

（1）在滑行車類游樂設(shè)施中，激流勇進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，這樣一來破壞了游樂設(shè)施的外觀。然而帶涂層的磁粉探傷其效果并不理想。（3）磁粉探傷無法顯示重要銷軸的應(yīng)力集中區(qū)，無法顯示缺陷深度。

2.2 超聲波探傷

（1）滑行車類游樂設(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）滑行車類游樂設(shè)施軸部件大都為非標(biāo)生產(chǎn)，在檢測過程中要根據(jù)不同軸部件做不同試塊，在定期檢驗中不易實現(xiàn)。（3）超聲波探傷無法顯示重要銷軸的應(yīng)力集中區(qū)，無法實現(xiàn)對缺陷的定性、定量。

2.3 磁記憶檢測

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工件應(yīng)力集中區(qū)和疲勞損傷的無損檢測方法——金屬磁記憶檢測法。該方法的原理是利用鐵磁工件在受載狀態(tài)下所受地球磁場的作用，工件的應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)會產(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，漏磁場具有兩個特性，一是不可逆性，二是不會短期內(nèi)消失。漏磁場的磁場強度遠遠大于地球磁場，更重要的是工件所受的應(yīng)力大小直接影響漏磁強度，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，其破壞點往往發(fā)生于應(yīng)力集中處。根據(jù)這個研究思路，我們首先要尋找準(zhǔn)確判定工件應(yīng)力集中區(qū)的檢測方法，進而再分析缺陷的發(fā)展，這就可以對工件的缺陷進行預(yù)報甚至是使用壽命分析。金屬磁記憶檢測技術(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。

3 滑行車類游樂設(shè)施車輪軸使用壽命評估

3.1 磁記憶檢測信號梯度值K

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

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

3.3 使用壽命分析

通過計算分析滑行車類游樂設(shè)施車輪軸不同疲勞次數(shù)下磁記憶信號法向分量梯度值K，得到K值隨疲勞次數(shù)的變化關(guān)系（見表1）。通過分析計算結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：梯度值K整體上呈上升趨勢，在疲勞次數(shù)達34820次時出現(xiàn)了缺陷的萌生，0到34820次疲勞循環(huán)這一過程我們稱之為過程一。過程一的K值在疲勞試驗剛一開始時，即0到5000次，變化較為明顯，剩余部分梯度值增長速度較為平緩，主要集中在40上下。過程二為缺陷萌生至試件破壞，此過程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)表達式來體現(xiàn)。因此，根據(jù)疲勞次數(shù)來表征試件的疲勞壽命，進而再根據(jù)磁記憶信號梯度值K來分析試件的使用壽命，該方法具有一定的可行性。

4 結(jié)語

（1）滑行車類游樂設(shè)施車輪軸中央部分所受彎曲應(yīng)力最大。（2）滑行車類游樂設(shè)施車輪軸的疲勞損傷程度隨磁記憶信號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)表達式體現(xiàn)，因此，根據(jù)K值來分析車輪軸的使用壽命，該方法是可行的。

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