游樂設施高強度螺栓的強度校核方法與試驗分析

趙九峰，牛妙玉，趙振辭，王振偉，劉 軍

(河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

為了提高游樂設施的制造、安裝、運輸、維修水平及提高生產效率等，游樂設施在連接裝配中廣泛應用螺栓連接。螺栓連接是緊固件連接中最基本的一種結構形式，具有便于標準化大批量生產、構造簡單、便于拆裝、成本低、可互換等優(yōu)點[1]。高強度螺栓是大型游樂設施重要的連接件，直接影響到游樂設施的承載能力、使用壽命和安全性能[2]。同時也是容易發(fā)生失效的地方，螺栓失效的形式為：安裝過程中發(fā)生滑絲、扭斷；游樂設施運行中發(fā)生的螺栓斷裂。螺栓失效甚至會造成設備的倒塌，嚴重威脅到乘人的生命安全。

2003年6月4日，新疆某公園內正在運行中的阿拉伯飛毯，由于螺栓斷裂使得軸承蓋脫落，設備傾斜，導致乘客受傷；2018年7月15日，巴基斯坦卡拉奇一處游樂園的大擺錘在運行過程中突然墜落，造成一名8歲女孩死亡、至少11人受傷，事故原因是懸臂高強度螺栓斷裂。

游樂設施的重要組成部分是鋼結構，在大型鋼結構的連接中，普遍使用高強度螺栓，如觀覽車的支撐結構、搖頭飛椅的回轉機構等。因此，在游樂設施的設計計算時，需對連接部位的高強度螺栓進行精確的計算，以保證游樂設施運行的安全性和可靠性。

1 螺栓工作拉力

1.1 高強度螺栓載荷分析

高強度螺栓依靠預緊力，使連接件之間壓緊產生靜摩擦力來傳遞外力，外力作用下，螺栓桿與孔壁并不接觸，連接的承載能力取決于鏈結構件接觸面間摩擦力的大小，應力流通過接觸面平順傳遞，無應力集中現(xiàn)象，其承載能力的極限狀態(tài)是接觸面開始發(fā)生剪切滑動，由于高強度螺栓不受剪切和擠壓，所以高強度螺栓本身不會發(fā)生疲勞破壞，故無需驗證高強度螺栓的疲勞強度[3]。

大型游樂設施運行中承受著各種沖擊載荷，承受沖擊載荷的鋼結構用高強度螺栓不宜直接承受剪切力[4]，因此游樂設施用高強度螺栓僅需校核拉伸應力，即僅需考慮軸向載荷。

游樂設施高強度連接螺栓，在螺栓軸向通常受到2種工作載荷：彎矩M對單個螺栓產生的最大工作拉力Fa，設備自重、運行載荷等對單個螺栓產生的軸向工作載荷Fb。因此，高強度連接螺栓的總工作拉力：

Fl=Fa±Fb

(1)

式中：正號表示軸向力受拉，負號表示軸向力受壓。

因此高強度螺栓的外拉力Fl必須小于預緊力F0，確保連接件在M作用下，其連接面始終保持緊密貼合。

1.2 彎矩產生的工作拉力

當高強度螺栓群受到彎矩M時，一側受壓，另一側受拉，受壓一側依靠零部件相互擠壓承載，受拉一側依靠高強度螺栓自身的強度承載，受壓區(qū)與受拉區(qū)的交線為中性軸，可按照中性軸位于螺栓群重心軸線來計算，即每個螺栓受到的拉力F與螺栓到中性軸的距離R成正比，可知距中性軸最遠的螺栓受到的彎矩產生的工作拉力最大[5]。螺栓群的力學模型如圖1所示，根據(jù)線性關系可得：

(2)

式中：n為受拉區(qū)螺栓的個數(shù)。

圖1 螺栓群力學模型

根據(jù)力矩平衡條件可得[6]：

M=F1R1+F2R2+…+FnRn

(3)

由公式(3)可得，彎矩M對單個螺栓產生的最大工作拉力Fa[7]：

(4)

1.3 總工作拉力

游樂設施運行過程中，在設備自重和運行載荷作用下，沿螺栓連接面法向產生軸向力FN。在立柱連接螺栓面上會產生擠壓的軸向力，如海盜船、大擺錘、摩天輪立柱連接法蘭部位；在擺臂連接螺栓面會產生拉伸的軸向力，如大擺錘的懸臂連接法蘭部位。則設備自重和運行載荷產生的工作拉力：

(5)

式中：n0為螺栓的總數(shù)。

高強度連接螺栓的總工作拉力：

(6)

2 螺栓總拉力

高強度螺栓承受預緊力和工作拉力，螺栓承受的總拉力并不等于預緊力和工作拉力之和。螺栓的總拉力Fz除和預緊力F0、工作拉力Fl有關外，還受到螺栓剛度及被連接件剛度等因素的影響[3]，螺栓的總拉力：

Fz=F0+γFl

(7)

式中：γ為螺栓的相對剛度，金屬墊片(或無墊片)0.2～0.3[3]，取值0.25。

則在總拉力的作用下，還需增加30%以考慮扭轉切應力影響，于是螺栓危險截面的計算應力為：

(8)

式中：d為螺栓有效直徑。

螺栓危險截面的拉伸強度條件為：

σca≤[σ]

(9)

式中：[σ]為螺栓材料的許用應力，安全系數(shù)取1.2[3]，則10.9級高強度螺栓為750 MPa，8.8級高強度螺栓為533 MPa。

3 實例計算

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，游樂設施在人們日常生活等領域得到越來越廣泛的應用，海盜船是一種觀覽車類游藝機，是一種繞水平軸往復擺動的游樂項目?！昂１I船”因為其外形仿古代海盜船而得名，主要由立柱、船體、驅動部件和護欄等部件組成，設備簡圖如圖2所示。

圖2 海盜船設備簡圖1.立柱 2.船體 3.護欄 4.驅動部件

以24座海盜船為計算對象，海盜船有4根立柱，立柱上下兩節(jié)用法蘭連接，法蘭結構圖如圖3所示，受拉側4個螺栓(R1=388 mm，R2=161 mm)。每根立柱有8組M16(8.8級，有效直徑d=14 mm)的高強度螺栓連接，螺栓的預緊力F0=35.5 kN。考慮自重和運行載荷的影響，法蘭部位的軸向力FN=3.2 kN(受壓)，彎矩M=20 kN·m，校核高強度螺栓的強度。

圖3 海盜船立柱連接法蘭

由公式(4)計算彎矩M產生的最大工作拉力：

由公式(5)計算單個螺栓的軸向力(受壓)：

由公式(1)計算單個螺栓的總工作拉力：

Fl=22-0.4=21.6 (kN)

總工作拉力21.6 kN小于預緊力35.5 kN，表明海盜船立柱法蘭連接面始終保持緊密貼合。

由公式(7)計算單個螺栓的總拉力：

Fz=35.5+0.25×21.6=40.9 (kN)

由公式(8)計算單個螺栓的計算應力：

計算應力345 MPa小于許用應力533 MPa，結果表明，海盜船立柱連接高強度螺栓滿足應力強度的條件。

4 結 語

大型游樂設施連接用高強度螺栓的計算精確與否，關系到游樂設施的安全運營和乘人的生命安全[8]。根據(jù)工程力學理論，通過力矩平衡原理，對螺栓最大工作拉力的計算公式進行詳細推導，給出了高強度螺栓應力強度計算和校核評價方法，并結合實例進行計算，最終得出海盜船立柱連接高強度螺栓的計算應力。其計算方法和結果可為游樂設施高強度螺栓的應力計算和校核評價提供了參考，對于提高設計能力具有現(xiàn)實意義。