基于磁记忆检测技术的滑行车类游乐设施重要销轴使用寿命评估

李小珊，白星，刘文贞，张世亮

（河北省特种设备监督检验研究院，河北 石家庄 050021）

1 研究背景

由于滑行车类游乐设施的运动载荷、重载等运行模式和惊、险、奇的设计思路，使得其常见损伤主要为应力集中、疲劳和埋藏缺陷的扩展等。滑行车类游乐设施的重要销轴主要有：车轮轴、立轴、水平轴、车辆连接轴等。高速运行中其关键销轴部件的失效会危及乘客的人身和财产安全。如2012年5月，石家庄“好时光欢乐城”的过山车满载着乘客，刚通过一个360度圆弧轨道时，车辆连接轴断开。

滑行车类游乐设施车轮轴所受到的作用力，主要来源于车体运行过程中的水平交变载荷所产生的水平疲劳应力，以及车体自重和在运行过程中所产生的向心力等这些竖直方向的应力，大量研究表明，竖直方向的应力，尤其是竖直方向的疲劳应力是引起车轮轴失效的主要原因。从滑行车类游乐设施设计层面研究，假设车轮轴只是受到竖直方向的应力导致断裂破坏，那么车轮轴本应该从车架连接断面开始断裂才合乎情理。进一步来说，把滑行车类游乐设施车轮轴部分看作是一个杠杆，那么杠杆的支点位于车轮轴中部，从材料力学角度分析，弯曲应力在其支点处出现极大值。

2 无损检测技术在游乐设施中的应用

滑行车类游乐设施重要销轴的质量直接影响着游客的生命和财产安全，不论是厂家的自检还是检验机构的检验，无损检测都是必不可少的手段。目前游乐设施重要零部件和重要焊缝的无损检测已出台相关标准，如GB/T34370．3-2017《游乐设施无损检测 第3部分：磁粉检测》、GB/T34370．52017《游乐设施无损检测 第3部分：超声检测》等。

滑行车类游乐设施是指沿刚性轨道滑行，有惯性滑行特征的及运动形式类似的游乐设施，如：过山车、疯狂老鼠、激流勇进等。根据滑行车类游乐设施的运行特点，车轮轴与车架连接处在运行过程中产生相对运动，受交变应力的作用在其应力集中的位置容易发生疲劳破坏，引发事故。按要求，车轮轴每年应进行不低于20%的无损探伤，常规的无损探伤方法有：超声检测、磁粉检测等，这些常规探伤方法其技术已发展成熟，对于已经存在的宏观缺陷展现出了较大优势，但是对于车轮轴的应力集中区或是工件的早期损伤部位的判定又显示了常规无损探伤方法不足的一面。随着无损检测水平的不断提高，近几年无损探伤技术发展方向大致可分为：（1）对缺陷的大小、位置、状态进行量化，预测缺陷的发展趋势。（2）探测金属构件的应力集中区，安全评估缺陷的早期状态，判定疲劳寿命，预防构件发生突发性破坏。

表1 车轮轴疲劳次数与梯度值K 的关系

2.1 磁粉探伤

GB/T34370．3-2017《游乐设施无损检测 第3部分：磁粉检测》明确规定了游乐设施重要焊缝和重要轴、销轴的探伤要求，但是在实际检验过程中存在着一些问题。

（1）在滑行车类游乐设施中，激流勇进车轮轴常常采用不锈钢材料，不具有铁磁性，磁粉探伤法不可行。（2）磁粉探伤前通常需要打磨，这样一来破坏了游乐设施的外观。然而带涂层的磁粉探伤其效果并不理想。（3）磁粉探伤无法显示重要销轴的应力集中区，无法显示缺陷深度。

2.2 超声波探伤

（1）滑行车类游乐设施轴部件受力复杂，而且很多轴不宜拆卸，在线超声波探伤难度较大，可拆卸轴由于曲率变径较小，采用平面探头所得结果存在一定误差。（2）滑行车类游乐设施轴部件大都为非标生产，在检测过程中要根据不同轴部件做不同试块，在定期检验中不易实现。（3）超声波探伤无法显示重要销轴的应力集中区，无法实现对缺陷的定性、定量。

2.3 磁记忆检测

上世纪90年代末，俄罗斯学者杜波夫教授正式提出了一种检测工件应力集中区和疲劳损伤的无损检测方法——金属磁记忆检测法。该方法的原理是利用铁磁工件在受载状态下所受地球磁场的作用，工件的应力和应变区会产生自发磁化现象。当工件的受载状态撤销之后，这种自发的磁化现象在工件表面形成漏磁场，漏磁场具有两个特性，一是不可逆性，二是不会短期内消失。漏磁场的磁场强度远远大于地球磁场，更重要的是工件所受的应力大小直接影响漏磁强度，两者存在着相关性。大量研究表明，工件的应力集中区是工件缺陷产生的征兆，其破坏点往往发生于应力集中处。根据这个研究思路，我们首先要寻找准确判定工件应力集中区的检测方法，进而再分析缺陷的发展，这就可以对工件的缺陷进行预报甚至是使用寿命分析。金属磁记忆检测技术可以准确判定工件应力集中区的位置，这也是它的突出优点。

3 滑行车类游乐设施车轮轴使用寿命评估

3.1 磁记忆检测信号梯度值K

磁记忆检测信号梯度值K可表示为：将相邻两个检测步距所得到的磁记忆信号法相分量值Hp(y)做差，将所得结果取绝对值后，与两个步距间的距离∆x做商，其比值就是工件表面磁记忆信号梯度值K。计算公式如下式所列：

3.2 磁记忆信号梯度值K与车轮轴循环次数的关系

3.3 使用寿命分析

通过计算分析滑行车类游乐设施车轮轴不同疲劳次数下磁记忆信号法向分量梯度值K，得到K值随疲劳次数的变化关系（见表1）。通过分析计算结果，我们发现：梯度值K整体上呈上升趋势，在疲劳次数达34820次时出现了缺陷的萌生，0到34820次疲劳循环这一过程我们称之为过程一。过程一的K值在疲劳试验刚一开始时，即0到5000次，变化较为明显，剩余部分梯度值增长速度较为平缓，主要集中在40上下。过程二为缺陷萌生至试件破坏，此过程K值的变化较为激烈，不难发现68×1；呈现出以2为底的指数形式激增。由此可见，疲劳次数越大，K值越大，车轮轴疲劳损伤程度越重，K值与疲劳次数可以用数学表达式来体现。因此，根据疲劳次数来表征试件的疲劳寿命，进而再根据磁记忆信号梯度值K来分析试件的使用寿命，该方法具有一定的可行性。

4 结语

（1）滑行车类游乐设施车轮轴中央部分所受弯曲应力最大。（2）滑行车类游乐设施车轮轴的疲劳损伤程度随磁记忆信号梯度值的变化而变化，疲劳次数越大，K值越大，车轮轴疲劳损伤程度越重。（3）磁记忆信号梯度值K与车轮轴疲劳加载次数存在着相关性，此相关性可以用数学表达式体现，因此，根据K值来分析车轮轴的使用寿命，该方法是可行的。

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