摘要：目前，我国的经济在快速发展，社会在不断进步，我国工程建设在不断完善，本文针对大型游乐设施主轴无法拆卸导致难以进行无损检测的难点，从主轴的结构，受力和产生缺陷类型三个方面出发，研究分析了主轴的不同结构，受到的各种力和载荷，从而产生的内外部缺陷类型和位置。对主轴的无损检测前期工艺流程的制定提供了理论的支撑，同时使检验人员对主轴的结构，受力和缺陷有了全方位的了解。
关键词：大型游乐设施；主轴；受力分析；缺陷分析
引言
YGPPZ型游艺机是一种使长排座椅保持水平位置，由一对相互平行绕水平轴做旋转运动的摇臂带动座椅沿铅垂平面做平移与圆周回转复合运动的游乐设备。回转装置(包括立柱、主轴装配总成、摇臂总成、配重等)是该型游乐设备的关键部件之一，其运动形式为:摇臂上升过程中，传动机构、配重共同带动主轴、摇臂总成转动;摇臂下降过程中，传动机构、摇臂总成共同带动主轴、配重转动。在运动过程中，主轴受力情况复杂，有些部位容易产生应力集中，有些部位所受应力较小，强度、刚度等富余量大，科学、合理地设计主轴，对其结构进行优化，改善主轴受力情况，延长使用寿命，提高材料利用率，具有较显著的工程意义。
1主轴的结构及受力分析
游乐设施监督检验规程（试行）和相关通用技术条件都对于轴类无损检测提出相关要求。实际检测中大部分飞行塔类、自控飞机类、陀螺类和观览车类主轴都属于不可拆卸轴，把主轴拆下来基本需要拆卸量占设备总体结构的一半以上。因此对于主轴的检测一般采用超声检测方法。为了更好的运用超声检测方法有针对性的对主轴容易出现缺陷部位进行无损检测，需要对主轴的结构特点和受力特点进行分析。这样在进行无损检测时才能够知道哪些部位为重点探测部位，能够对出现的缺陷信号进行位置和类型进行判断。
1.1主轴结构分析
轴按结构分类可分为光轴、阶梯轴、空心轴和异形轴（包括曲轴、凸轮轴和偏心轴等），应用于不同使用要求的场景。而在轴中压装部位、变截面部位、装配部位的受力和结构特点复杂，从这两方面进行分析对缺陷产生原因和产生部位有所了解。（1）压装部位作为主要承力部分，连接轴头和轴颈的轴身承受大部分的设备自重，因此承受巨大的剪切载荷。这样导致轴身所受的应力和轴头、轴颈差异巨大，在两个部位的过度处即压装部位产生应力集中，容易产生缺陷。（2）变截面部位如在主轴上应用非常普遍的轴肩和轴环，利用两者的装配起到轴向定位的作用。但是在这些部位由于轴直径的突然变化导致在变截面处容易产生应力集中，而合金钢对应力集中又特别敏感。因此在检测检测和无损探伤时需要对轴肩和轴环部位进行重点关注。（3）装配部位，一般滚动轴承内环与轴的配合是过渡配合或较紧的过盈配合,而滚动轴承外环和轴承座的配合属于过渡配合或较松的过盈配合,所以长期工作在比较恶劣环境下以及故障发展到一定程度时候,常会发生滚动轴承外环松动的现象。此时不管滚动轴承是内环、外环还是滚动体发生故障,都会激励起外环的固有频率而产生调制现象。滚动轴承的常见失效形式有内环、外环或滚动体的点蚀和疲劳剥落,保持架损坏。
1.2应力集中裂纹
从受力分析可知轴的应力集中部分主要分布于几个地方：轴的几何变截面处，轴上横孔、凹槽处，轴肩、轴环和压装装配部位处。在这些地方容易产生应力集中，从而产生应力集中裂纹。转轴由于不仅要承受弯矩剪切力而且要承受巨大的扭力，在工作转轴表面和近表面处受到的剪切摩擦应力集中，从而易形成扭力裂纹，裂纹开裂后由于应力集中区域的应力释放向周边进行延伸。由于应力集中裂纹出现在轴结构上有明显的区域特征，同时裂纹一般是在与轴横纵方向成45°角的范围内，因此在进行无损检测时，根据主轴的结构特点、集合尺寸、应力集中裂纹的方向等，可以有选择地对某些重点区域进行检测。同时，在轴的设计和选用之初就可以采取措施尽可能避免应力集中问题的发生，如可以在截面变化处采用圆角，且不宜过小（具体尺寸查相关手册）；避免轴上开横孔、凹槽，必须开横孔时（应避免盲孔）须将边倒圆（孔口应倒角）。
1.3主轴受力分析
（1）心轴心轴有固定心轴与旋转心轴两种。而在大型游乐设施上使用的主轴大部分为心轴，如摩天轮主轴，海盗船吊挂轴，青蛙跳主轴等。心轴主要承受设备整体的自重，载荷主要为弯矩，受到剪切应力比较大。诸如观览车类和飞行塔类游乐设施主要运行形式都是旋转，主轴作为主要承受载荷构件，在长时间不间断的运行过程中主轴易产生表面磨损、疲劳裂纹和断裂等缺陷。（2）转轴大型游乐设施中少部分为转轴，如上驱动式大摆锤吊挂主轴，狂呼主轴。主轴不但要承受设备大部分的重量还要承受直流旋转电机的旋转驱动力，电机减速机驱动轴通过小齿轮将动力传给回转支承，实现乘客乘坐装置的运动。因此驱动轴承除了承受自身扭矩外，还要承受驱动齿轮与回转支承啮合处的切向力带给轴的弯矩，同时还要承受重力的剪切应力，故轴的分析属于弯扭合成类型。如图1、2。
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图2 心轴
1.4径向基神经网络近似模型
近似模型方法是采用数学模型的方法趋近一组输入变量与输出变量的方法。性能响应包括线性和非线性两种，采用基于近似模型的优化方法可提高设计效率，且优化效果良好。因此，在工程领域中广泛应用。径向基函数神经网络是3层前向网络，能够逼近任意的非线性函数，并可以处理系统内难以解析的规律性，具有良好的泛化能力。包括输入层、中间层(隐含层)及输出层，其中信号从输入层到中间层是一种非线性变换，中间层到输出层是线性映射。
2主轴检测方法
1）外部无损检测方法（1）目视检测。在日常检验中最为常用，通过裸眼或者借助一些工具进行检测。此方法需把主轴拆卸下来，只能对主轴表面缺陷进行检测。（2）磁粉检测。利用磁感应线经过缺陷时产生的磁场泄漏，磁粉在缺陷处聚集的原理进行检测。此方法同样需对设备进行拆卸，适用于铁磁性主轴的表面和近表面缺陷检测。（3）渗透检测。原理：渗透液渗入表面开口缺陷后，利用毛细作用显像液在缺陷处产生差异明显的颜色来标识缺陷。同样需要进行拆卸，适用于铁磁和非铁磁性主轴的表面缺陷检测。2）内部无损检测方法（1）射线检测。利用射线穿透材料有缺陷处和无缺陷处的强度不同，在底片上显示的灰度不同来对缺陷进行检测。此方法无需拆卸主轴，但对结构和缺陷方向、位置的要求很高。且由于主轴大多位于高空，射线机器和胶片难以摆放，加上射线对人体有放射伤害，故实际运用不多。（2）超声检测。利用超声波在材料有缺陷处和无缺陷处反射回波的差异来对缺陷进行判别。运用于主轴可以对其进行原位检测，利用主轴的端面使用直探头或小角度纵波探头对主轴内部进行检测。同时具备便携式超声检测仪方便高空作业，对人体无害等诸多优点。
结语
（1）对大型游乐设施主轴结构研究可知压装部位、变截面部位、装配部位由于其结构的特点导致在这些部位容易产生缺陷；（2）对大型游乐设施主轴受力研究可知根据转轴、心轴、传动轴三类轴的承载性质不同分析了各自容易产生缺陷的部位和类型；（3）对大型游乐设施主轴缺陷研究得出了主轴表面缺陷和内部缺陷，以及缺陷特征、形成原因和缺陷位置等信息。
参考文献
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