观览类游乐设施关键部件安全检测方法研究

刘志云，廖 嘉，程秋平，李昌盛

(1.江西省特种设备检验检测研究院，南昌330069;2.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌330063)

0 引言

观览类游乐设施都是旋转式运动，轮轴是主要的受力部件，长时间工作产生疲劳损伤和磨损锈蚀的情况是不可避免的［1］。由于转轮的轴是安装在轮和轴套(或轴承等)中，其损伤不能直接进行接触式检验检测，要对其进行在役无损评价，超声波无疑是最合适也是最有效的检测方法［2］。研究和探讨观览类游乐设施关键部件的安全检测方法是非常必要和紧迫的，探索关键部件的检测方法，将有助于促进特种设备检验检测手段的完备和发展，更有效地保障特种设备的安全运行，进而保护游客人身安全。开展该项目的研究，具有显著的经济和社会效益。

1 游乐设施轴类部件的结构及受力特点

轴是组成游乐设施的重要零件之一，轴的主要功用是支承旋转零件、传递转矩和运动。轴工作状况的好坏直接影响到整台游乐设施的性能和质量［3］。观览类游乐设施中具有代表性的主轴有以下4种［4］，其结构及受力特点分析如下:

1)三面青蛙跳走轮轴。此类轴的特点是:整体的长径比大;变截面的地方较多;主要受力部位为轴的中间部分，轴的两端主要起到固定的作用，其承受的载荷很小，中间区段最容易产生疲劳性缺陷;轴的其中一端有通孔，用于插入铁销来固定工件(图1)。

2)海盗船销轴。此类轴的特点是:工件的变截面处较少;截面直径的变化较大;受力部位处于两个变截面处的中心轴段上(图2)。

图1 三面青蛙跳走轮轴的示意图Fig.1 Principal axis of a recreational facility like frog jumping

图2 海盗船销轴示意图Fig.2 Axis of corsair

3)小型摩天轮中心轴。此类轴的特点为:长径比适中，结构回波少，波形判别比较容易;轴的两端轴颈部分承受较大应力，且两端对称，中心部分基本不承受应力，只是起到一个连接的作用，一般设计成空心;轴两端的轴身上车有螺纹，用于固定心轴;中心轴随摩天轮的转动而转动，轴上承受的弯曲应力按对称循环的规律变化(图3)。

4)大型摩天轮中心轴。此类轴的结构与小型的类似，其受力部位与小型摩天轮中心轴一样，唯一的特殊点就是尺寸更大，轴心有个润滑孔，用于注射润滑油，端面的台阶用于安装润滑孔的防尘罩(图4)。

2 专用换能器的设计制作

根据实际检测需要设计并制作不同折射角的小角度纵波探头和斜探头，专用探头频率应选择2.5～5 MHz为宜。频率太低会降低探头的分辨率和检测缺陷时的灵敏度。一般情况下，在满足超声波声束覆盖范围的前提下，选择折射角较小的斜探头，以提高缺陷检测的灵敏度和缺陷定量的准确性，选择折射角在10°～18°范围内的小角度纵波探头对缺陷的灵敏度较高。对加工的专用探头进行参数检测，测出实际的折射角度，具体参数如表1所示。

3 游乐设施主轴的检测方法

3.1 辅助定位软件的设计

游乐设施轴类工件具有变截面的特点，一根轴上直径会有多次变化，缺陷的位置需要根据轴类工件的具体尺寸来计算。辅助定位软件的编写方便了定位的计算，用计算机来实现计算过程。定位软件的界面如图5所示。

图3 小型摩天轮中心轴Fig.3 Axis of small-sized sky-scraping wheel

图4 大型摩天轮中心轴示意图Fig.4 Axis of large-sized sky-scraping wheel

图5 辅助定位软件界面图Fig.5 Interface of software for defect location

表1 专用探头实际参数表Table 1 Parameters of the ultrasonic-transducer

软件界面的左边为工件和检测参数示意图，中间的第一列为工件的参数输入框(直径和每一个台阶的长度)，第二列为检测参数输入框(探头和相关参数和工件的声速等)，第三列为结构输出框(可以显示缺陷回波的深度、距离圆心的水平距离和所利用的回波次数)，右边为缺陷位置和超声波的传播路径示意图。该软件可以在具体缺陷的检测前对探头的选择起到辅助作用，也可以在检测时对缺陷进行辅助定位。

3.2 不同类型的游乐设施主轴的检测

1)三面青蛙跳走轮轴。

根据工件的受力特点，选择以小角度纵波检测为主，斜探头横波检测为辅，而且只能从一端入射的检测方法［5］。探头折射角的上限值为β=38.9°。为了保证缺陷回波能与端角回波区分开，探头的折射角必须足够大(但不能太大，要保证一定的灵敏度、信噪比和对缺陷的饱和深度)，因为工件的横向尺寸很小，选择较小晶片的探头较为合适。缺陷定位软件显示的缺陷坐标和缺陷波形如图6所示，由图可知，缺陷回波明显，且没有端角的反射回波。

选择入射角为3°(折射角为6.8°)的小角度纵波探头对其进行检测，发现离端面较远处有另外一处缺陷，检测结果如图7所示。由图可知，缺陷回波即将被端角反射回波淹没，但从放大波形图中还是可以分辨出缺陷波(波形有一个明显下降再上升的过渡)。

图7中缺陷波的前面有一系列幅度较高的回波，这是由于在缺陷之前工件有2个变截面的台阶，这些回波是工件的结构回波，实验中选择的探头很难避开变截面处的结构回波。但是，这对检测来说没有多大影响，因为检测时是根据特定的检测范围来选择合适的探头;因此1个探头只用于评定工件特定范围内的缺陷情况，前面的回波所在区域不在该探头的评定范围之内［6］。

图6 缺陷1波形及缺陷示意图Fig.6 Waveform and diagram of defect 1

图7 缺陷2波形及缺陷示意图Fig.7 Waveform and diagram of defect 2

2)海盗船销轴。

根据工件的受力特点，采用纵波小角度入射和横波斜入射的方法分别检测2个关键受力区域，靠近大端面的区域用斜探头检测，靠近小端面的区域采用小角度纵波探头检测。由于轴的直径变化较大，在变截面处的小直径轴身上容易产生应力集中，因此，此区域的在役检测工作必不可少。其中，选用折射角为17.2°的小角度纵波探头从小端面入射时，发现变截面处小直径上有一处缺陷，检测的缺陷波形图和缺陷示意图如图8所示。图中缺陷回波前面的一簇幅值较低的波形为工件轴身表面的螺纹反射回波。螺纹回波的位置固定且沿轴身一周都有回波，比较容易识别。

3)小型摩天轮中心轴。

根据工件的受力特点，需同时采用斜探头横波入射法和小角度纵波入射法进行检测。工件的尺寸较大，应采用较大晶片尺寸的探头来提高检测灵敏度。由于一般承受载荷的中心轴身上车有螺纹(用于固定轴)，所以不宜采用多次反射的方式来对工件进行检测［7］。分别采用折射角为17.2°小角度纵波探头和尺寸为12 mm×12 mm的晶片，折射角为45°的斜探头从两端进行检测。检测中发现，缺陷波的前面会有一个明显的回波，虽然与缺陷波紧密相连，但是整体波形还是可以有一个上升→下降→上升的趋势，说明这是两个不同反射体的回波，判断此回波可能是由于加工时倒角太深或倒角时留有车刀纹(图9)。在现场实际检测时，当其当量超过允许的验收标准时，可以把它判为缺陷，因为倒角过深或车刀纹都会导致此处的应力集中，成为疲劳裂纹的扩展源头。

图8 缺陷3波形及缺陷示意图Fig.8 Waveform and diagram of defect 3

图9 缺陷4波形及缺陷示意图Fig.9 Waveform and diagram of defect 4

4)大型摩天轮中心轴。

大型摩天轮中心轴的结构与小型的类似，唯一的特殊点就是尺寸更大，轴心有个润滑孔，用于注射润滑油，端面的台阶用于安装润滑孔的防尘罩。但是这个特殊点，导致探头可选择性受到诸多限制。选用小角度纵波探头和横波探头，从两端分别入射进行检测。由于端面有防尘罩的台阶，所以使用小角度纵波检测时，探头折射角极限值为10.9°，试验中选择入射角为4°的小角度纵波探头，发现在φ2.5 mm输油孔之后有一处缺陷，其缺陷波形图如图10所示。

要实现缺陷的精确定位时，就要考虑端面防尘罩对探头选择性的限制。当选择入射角为8°的小角度探头时能检测到缺陷回波，但是其理论最大回波处与实际不符，这是因为当探头移动到理论最大回波处时，探头的部分晶片会悬在空中，部分超声波不能进入工件，造成缺陷回波的降低。于是，选择入射角为6°的小角度探头对其进行检测，检测效果良好。缺陷波形图如图11所示。

图10 缺陷5波形图Fig.10 Waveform of defect 5

图11 缺陷6波形图Fig.11 Waveform of defect 6

4 结论

用所研制的大型观览类游乐设施主轴专用超声换能器及缺陷定位系统，对4类有代表性的游乐设施主轴进行了实验研究，得出以下结论:

1)探头频率选择2.5～5 MHz为宜，频率太低会降低探头的分辨率和检测缺陷时的灵敏度;

2)根据检测部位的L/D值来计算探头的折射角的可选范围，在满足超声波声束覆盖范围的前提下，选择折射角在10°～18°范围内的小角度纵波探头，在相同条件下，此范围内的探头对缺陷的灵敏度较高;

3)当受到工件的结构限制而选择大折射角的斜探头时，最好利用其一次波来检测工件小声程范围内的缺陷。

［1］丁守宝，刘富君.我国特种设备检测技术的现状与展望［J］.中国计量学院学报，2008，24(4):7 －11.

［2］沈功田，姚泽华，吴彦.游乐设施的无损检测技术［J］.无损检测，2006，28(12):15 －19.

［3］宫可立，谢柏才.轨道车车轴齿轮箱段不解体探伤及缺陷的判别［J］.无损探伤，2008，32(2):32－34.

［4］李昌胜，陆铭慧，刘勋丰.游乐设施主轴的原位检测方法［J］.无损检测，2011，32(8):7 －12.

［5］刘英和，康泰.游乐设施高强度螺栓小角度纵波探伤［J］.无损检测，2005，27(2):105 －109.

［6］卢萍，王宁，陶俊林，等.基于声发射技术对螺栓连接结构微动磨损影响因素的研究［J］.摩擦学学报，2010，30(5):443－447.

［7］李智明，寇东英.小角度纵波探头检测轴类零件表面横向缺陷的可行性［J］.无损检测，2008，30(6):363－368.