360°大擺錘懸臂折斷原因分析及預(yù)防措施

趙九峰，蘇曉峰，丁舟波，蔡 鵬，史皓天

（1.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000；2.中原工學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

360°大擺錘游藝機(jī)屬觀覽車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)備。游客坐在懸臂轉(zhuǎn)盤(pán)座椅上，經(jīng)設(shè)備頂部2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使“擺錘”沿水平軸線作360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)座椅大轉(zhuǎn)盤(pán)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。游客在上擺與下落過(guò)程中，盡情尋求驚險(xiǎn)與刺激［1］。

今年以來(lái)，全世界各地360°大擺錘事故頻發(fā)，對(duì)游客的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［2］。2019年6月28日，烏茲別克斯坦吉扎克市伊堤洛爾公園，360°大擺錘在運(yùn)行過(guò)程中突然攔腰折斷，一名19歲女孩在這場(chǎng)事故中死亡；7月14日，印度古吉拉特邦阿默達(dá)巴德市的游樂(lè)園內(nèi)，360°大擺錘懸臂管突然折斷，事故導(dǎo)致2人死亡。

本文通過(guò)對(duì)360°大擺錘懸臂折斷原因進(jìn)行分析，對(duì)事故防范措施進(jìn)行了探討，旨在減少事故的發(fā)生和損失。

1 360°大擺錘載荷特性分析

360°大擺錘由支架、懸臂、驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)、配重等部分組成。360°大擺錘的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

360°大擺錘運(yùn)行時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)懸臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)和座椅，每隔一定周期變換一次驅(qū)動(dòng)力矩的方向，在周期性的驅(qū)動(dòng)力矩作用下，大擺錘懸臂的向上位移不斷增大［3］，最后完成360°大回環(huán)旋轉(zhuǎn)。懸臂的臂體機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，主要受到彎曲應(yīng)力和拉應(yīng)力的復(fù)合作用。

360°大擺錘運(yùn)行載荷示意圖如圖2所示。

由于有配重的作用，使得整個(gè)懸臂組件的重心接近于回轉(zhuǎn)中心，相對(duì)于傳統(tǒng)大擺錘（無(wú)配重，單側(cè)擺角90°），驅(qū)動(dòng)功率大大降低，約為傳統(tǒng)大擺錘驅(qū)動(dòng)功率的一半。懸臂回轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中僅受到彎矩和拉力的作用。由于大擺錘啟動(dòng)過(guò)程中速度較低，可忽略運(yùn)行過(guò)程中離心力的作用。

圖1 360°大擺錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 360°大擺錘運(yùn)行載荷示意圖

懸臂受到的最大彎矩M為：

其中：m為大擺錘擺動(dòng)部分的總質(zhì)量（包括乘人）；g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，9.8m／s2；R為擺臂的等效回轉(zhuǎn)半徑；θ為懸臂與豎直方向的夾角。

懸臂受到的拉力F2為：

其中：σb為懸臂材料的抗拉強(qiáng)度；K為沖擊系數(shù)。由GB 8408—2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》6.2.2節(jié)可知：許用安全系數(shù)［n］≥3.5。

2 實(shí)例驗(yàn)算

本文以12座360°大擺錘為計(jì)算對(duì)象，懸臂的等效長(zhǎng)度R＝5.0m，滿載工況下座艙側(cè)擺動(dòng)部件的總質(zhì)量m＝5×103kg，懸臂為無(wú)縫鋼管（Φ530×12），材料為20鋼（σb＝410MPa），驗(yàn)算360°大擺錘懸臂的安全系數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

懸臂受到的彎矩：M＝245 000cosθN·m；

懸臂受到的拉力：F2＝49 000sinθN；

懸臂圓管抗彎截面系數(shù)：W＝2 458 557mm4；

懸臂的彎曲應(yīng)力：σ1＝99.7cosθMPa；

懸臂截面面積：A＝19 409mm2；

懸臂受到的拉應(yīng)力：σ2＝2.5sinθMPa；

懸臂受到的總應(yīng)力：σ＝（99.7cosθ＋2.5sinθ）MPa。

由以上分析可知，懸臂受到的拉應(yīng)力對(duì)總應(yīng)力的影響很小，因此忽略拉應(yīng)力的影響，則懸臂受到的總應(yīng)力：σ＝99.7cosθMPa。當(dāng)θ＝90°時(shí)，總應(yīng)力達(dá)到最大σmax＝99.7MPa，與事故發(fā)生時(shí)的狀態(tài)（擺錘轉(zhuǎn)盤(pán)上升階段，大約在水平位置附近，懸臂折斷）保持一致。

由《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》第6.1.2.15節(jié)：游樂(lè)設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中有可能出現(xiàn)沖擊，從而產(chǎn)生沖擊載荷，則運(yùn)動(dòng)部件受到的載荷（永久載荷和活載荷以及承受的慣性載荷）應(yīng)乘以不小于K＝1.2的沖擊系數(shù)。

小于許用安全系數(shù)3.5，表明懸臂的安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求。

3 懸臂折斷影響因素剖析

事故的直接原因是懸臂折斷，折斷部位位于懸臂根部，本文僅從懸臂主體結(jié)構(gòu)折斷入手，探討引起懸臂折斷的原因。

3.1 安全系數(shù)

零件或構(gòu)件的安全系數(shù)是所用材料的失效應(yīng)力（破斷強(qiáng)度）與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值，進(jìn)行安全系數(shù)校核計(jì)算能判斷懸臂危險(xiǎn)截面的安全裕度，一般運(yùn)動(dòng)部件的安全系數(shù)應(yīng)大于或等于3.5。安全系數(shù)是游樂(lè)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，規(guī)定的安全系數(shù)能確保設(shè)備和乘人的安全。規(guī)定安全系數(shù)必須適當(dāng)，太大會(huì)使設(shè)備結(jié)構(gòu)變大，重量增加，浪費(fèi)材料；太小會(huì)變得不安全［5］。

由上面計(jì)算可知，算例中360°大擺錘的懸臂安全系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求，但與設(shè)計(jì)要求的3.5很接近。如果人數(shù)增加或者懸臂等效半徑增長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)降低，設(shè)備就越偏向危險(xiǎn)。因此為了保證360°大擺錘的安全，防止大擺錘懸臂結(jié)構(gòu)的折斷，懸臂安全系數(shù)一定要滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 懸臂材料

懸臂處于橫向彎曲時(shí)（即運(yùn)行到水平位置），最大彎曲正應(yīng)力發(fā)生在懸臂梁根部，等于彎矩與此處對(duì)應(yīng)懸臂截面的抗彎截面系數(shù)的比值。如公式（3）所示，最大彎曲應(yīng)力與彎矩成正比，與抗彎截面系數(shù)成反比。因此為了提高懸臂的安全系數(shù)，降低最大應(yīng)力，就要減小彎矩和提高懸臂截面的抗彎截面系數(shù)。

懸臂的彎矩為擺動(dòng)部分的總質(zhì)量與等效半徑的乘積，由于設(shè)備的參數(shù)是設(shè)備設(shè)計(jì)的前提，因此只能降低大擺錘擺動(dòng)部分的質(zhì)量。

采用高強(qiáng)鋼，例如Q345，相較于Q235，其抗拉強(qiáng)度提高了30%，在滿足安全系數(shù)的前提下，減輕了構(gòu)件重量，實(shí)現(xiàn)了游樂(lè)設(shè)備的輕量化設(shè)計(jì)。因此，高強(qiáng)鋼在大型的游樂(lè)設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用［6］。

3.3 抗彎截面系數(shù)

抗彎截面系數(shù)就是截面對(duì)其形心軸慣性矩與截面上最遠(yuǎn)點(diǎn)至形心軸距離的比值［7］。360°大擺錘常用的兩種截面是圓環(huán)截面和箱型截面，如圖3所示。

圖3 360°大擺錘懸臂截面類(lèi)型

圓環(huán)截面的抗彎截面系數(shù)為：

其中：B為截面的寬度；H 為截面的高度；t為箱型截面板的厚度。

由于受無(wú)縫鋼管的外直徑和厚度的限制，用無(wú)縫鋼管作為360°大擺錘的懸臂，僅使用于相對(duì)小型的360°大擺錘（如算例所示的12座大擺錘）。

根據(jù)懸臂梁彎矩的變化特性，利用箱型截面，可以制作近似等強(qiáng)度截面梁（變截面梁），懸臂根部的截面尺寸大，懸臂外端部的截面尺寸小，既能提高懸臂的抗彎性能，又能節(jié)省材料［8］。第3節(jié)的算例中，懸臂采用箱型結(jié)構(gòu)，截面寬度B＝600mm，高度H＝900mm，板厚t＝12mm，則懸臂抗彎截面系數(shù)：W＝7 331 904 mm4，截面的抗彎截面系數(shù)提高了3倍，而截面的面積僅僅提高了1.8倍（箱型截面面積3.6×104mm2，圓環(huán)截面面積2.0×104mm2）。

將箱型截面制作成變截面梁，相對(duì)于無(wú)縫鋼管懸臂質(zhì)量變化不大，但抗彎性能得到了顯著提高。

3.4 低周疲勞

由新聞報(bào)道可知，發(fā)生事故的360°大擺錘人數(shù)較多（31名乘客），懸臂較長(zhǎng)且為鋼管結(jié)構(gòu)；另外烏茲別克的大擺錘發(fā)生事故前僅僅運(yùn)行了3個(gè)月，可以判斷為低周疲勞破壞。

懸臂折斷的過(guò)程為：在乘客自重和懸臂組件自重的作用下，懸臂根部產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，由于材料強(qiáng)度級(jí)別低，容易導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生，隨著設(shè)備不斷地啟動(dòng)運(yùn)行，懸臂根部在交變彎曲應(yīng)力作用下，不斷經(jīng)受低周疲勞，微裂紋不斷形成并長(zhǎng)大、連接成宏觀裂紋。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定尺寸時(shí)，懸臂剩余的截面抗彎性能不足以承受乘客和懸臂組件產(chǎn)生的彎矩時(shí)，將導(dǎo)致懸臂主體結(jié)構(gòu)的突然折斷［9］。

4 小結(jié)

由以上分析可知，懸臂折斷為典型的脆性斷裂，在懸臂應(yīng)力集中部位，應(yīng)力安全系數(shù)偏低是導(dǎo)致懸臂斷裂的主要原因。

（1）懸臂采用無(wú)縫鋼管，可以顯著減少加工工作量，但是只能制作相對(duì)小型的360°大擺錘。對(duì)于大型的360°大擺錘（如16座以上）不宜采用鋼管結(jié)構(gòu)。

（2）大型的360°大擺錘懸臂宜采用變截面箱型梁結(jié)構(gòu)，可提高懸臂的抗彎截面系數(shù)。

（3）大型的360°大擺錘懸臂材質(zhì)宜采用高強(qiáng)鋼，能降低擺動(dòng)組件的重量，實(shí)現(xiàn)游樂(lè)設(shè)備的大型化。

（4）重視應(yīng)力集中部位（如懸臂根部）表面?zhèn)?、材質(zhì)缺陷等疲勞源的探傷檢驗(yàn)，定期對(duì)懸臂進(jìn)行安全檢查并進(jìn)行局部無(wú)損探傷（如磁粉探傷）。