搖頭飛椅撓性吊掛件的安全可靠性比對分析

文/張宇光 姚 俊 蔡 昶

搖頭飛椅是飛行塔類游樂設(shè)施的典型產(chǎn)品，就像一把大傘，傘蓋下邊吊有很多漂亮、精致的吊椅。設(shè)備運行時，“大傘”一邊旋轉(zhuǎn)一邊升降，而且伴隨著傾斜，帶動座椅在空中如波浪般起伏、旋轉(zhuǎn)，乘客猶如在空中飛翔，非常刺激。

搖頭飛椅頂部傘蓋一般采用圓形餅狀桁架結(jié)構(gòu)，在桁架上一般焊有吊耳，座艙通過座椅懸掛裝置吊掛在吊耳上。設(shè)備在運行過程中，一旦座椅懸掛裝置發(fā)生故障，座艙就會失穩(wěn)，甚至可能會將乘客從座艙中甩出，造成嚴(yán)重的事故。因此，座椅懸掛裝置是否完好是搖頭飛椅能否安全運行的關(guān)鍵，而撓性吊掛件正是座椅懸掛裝置的重要組成部分，直接關(guān)系到乘客的生命安全，是游樂設(shè)施生產(chǎn)單位和運營使用單位在設(shè)計、制造和維護(hù)保養(yǎng)過程中需要重點關(guān)注的部位。

一、座椅懸掛裝置和撓性吊掛件

1. 座椅懸掛裝置

座椅懸掛裝置主要由吊掛軸、吊桿、橫桿和撓性吊掛件等組成。座椅通常由撓性吊掛件吊掛連接，撓性吊掛件的另一端則與搖頭飛椅頂部傘蓋桁架上的吊耳通過吊掛軸、平衡桿、吊掛桿等零部件連接（見圖1），并設(shè)有冗余保護(hù)。

圖1 座椅懸掛裝置示意圖

2. 撓性吊掛件

撓性吊掛件是搖頭飛椅座椅懸掛裝置的重要組成部分，其是否完好是確保座椅懸掛裝置完好、保障設(shè)備安全運行的關(guān)鍵。撓性吊掛件的安全可靠性主要與其材料、規(guī)格、型號、連接方式、防護(hù)措施和維護(hù)保養(yǎng)等因素有關(guān)。目前，撓性吊掛件的常用圓環(huán)鏈或鋼絲繩，連接方式一般采用4 條圓環(huán)鏈或鋼絲繩，通過搖頭飛椅座椅鋼結(jié)構(gòu)上相應(yīng)位置的4根吊掛銷軸（或螺栓）實現(xiàn)吊掛連接，并另設(shè)有4 條圓環(huán)鏈或鋼絲繩作為撓性吊掛件的冗余保護(hù)。

二、撓性吊掛件安全可靠性比對和相關(guān)建議

1. 圓環(huán)鏈與鋼絲繩簡介

圓環(huán)鏈的制造過程通常是先檢測原材料質(zhì)量，在質(zhì)量合格的情況下，將原材料切料制成規(guī)定長度的圓棒料，然后把圓棒料彎曲成環(huán)的形狀并焊接成鏈環(huán)。將焊好的鏈條拉伸至一定長度，經(jīng)過熱處理，以提高其試驗負(fù)荷延伸率、破斷負(fù)荷和破斷延伸率等性能值，然后進(jìn)行強化拉伸，并做防銹措施[1]。圓環(huán)鏈的幾何尺寸主要有鏈環(huán)直邊直徑（d）、節(jié)距（p）、內(nèi)寬（a）、外寬 （b）等。

在圓環(huán)鏈疲勞拉伸試驗中，鏈環(huán)一般先是從焊接位置斷裂，在拉力作用下鏈環(huán)產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)被拉伸，直到鏈環(huán)另外一側(cè)也斷裂[2]。

鋼絲繩是將力學(xué)性能和幾何尺寸符合要求的鋼絲按照一定的規(guī)則捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩由鋼絲、繩芯和潤滑脂組成。根據(jù)捻繞次數(shù)，鋼絲繩可分為單捻鋼絲繩和雙捻鋼絲繩。單捻鋼絲繩由若干斷面相同或不同的鋼絲一次捻制而成。單捻鋼絲繩可作為雙捻鋼絲繩的元件，又稱“股”。雙捻鋼絲繩撓性好，具有制造簡單、成本較低的特點，是搖頭飛椅撓性吊掛件的常用材料。根據(jù)股中相鄰兩層鋼絲的接觸狀態(tài)，鋼絲繩可分為點接觸鋼絲繩、線接觸鋼絲繩、面接觸鋼絲繩。

2. 基本承載能力

圓環(huán)鏈和鋼絲繩的破斷拉力主要與其規(guī)格、型號有關(guān)，即使是相同規(guī)格的圓環(huán)鏈和鋼絲繩，破斷拉力也會因型號不同而有所差異。圓環(huán)鏈和鋼絲繩制造單位會根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如《重要用途鋼絲繩》（GB 8918-2006）制造圓環(huán)鏈和鋼絲繩，實測圓環(huán)鏈和鋼絲繩的破斷拉力，并將破斷拉力作為產(chǎn)品的性能指標(biāo)列入產(chǎn)品質(zhì)量證明書中。筆者在一些圓環(huán)鏈和鋼絲繩的產(chǎn)品質(zhì)量證明書里發(fā)現(xiàn)，公稱直徑為4 mm～6 mm的鋼絲繩和鏈環(huán)直邊直徑為6 mm的圓環(huán)鏈，它們的破斷拉力一般都在11 000 N以上。

當(dāng)搖頭飛椅在靜止?fàn)顟B(tài)下時，每根撓性吊掛件受到的拉力F=（m1+m2）g/4cosα（m1為座椅質(zhì)量，一般不會超過50 kg，m1取50 kg；m2為乘客質(zhì)量），無偏載時估算結(jié)果為311 N。

按照《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》（GB 8408-2018）第6.1.2.2條的規(guī)定（乘坐成人1～2人時，乘客質(zhì)量按≥750 N/人計算；乘坐成人2人以上時，乘客質(zhì)量按≥700 N/人計算）。其中，m2取75 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為撓性吊掛件與垂線的夾角，接近0°，為保險起見，α取10°（一般情況下α＜10°）。

若生產(chǎn)廠家使用的撓性吊掛件破斷拉力為 11 000 N，在設(shè)備靜止?fàn)顟B(tài)下，每根撓性吊掛件的破斷拉力至少為其所受拉力的35（11 000/311）倍。本文再以某36座搖頭飛椅為工程背景，利用數(shù)學(xué)計算軟件MATLAB對運行參數(shù)進(jìn)行求解，在設(shè)備運行過程中，座椅受到的最大載荷F= 1 604 N[3]。若生產(chǎn)廠家使用的撓性吊掛件破斷拉力為11 000 N，在設(shè)備運行過程中，每根撓性吊掛件的破斷拉力至少為座椅所受最大載荷的6.8（11 000/1 604）倍。

此外，游樂設(shè)施生產(chǎn)單位還可以根據(jù)撓性吊掛件受力的設(shè)計計算結(jié)果，選擇更大規(guī)格或更高強度型號的圓環(huán)鏈或鋼絲繩，這樣撓性吊掛件會有更大的破斷拉力和更高的安全系數(shù)。因此，從基本承載能力分析，圓環(huán)鏈和鋼絲繩都能滿足設(shè)備安全運行的要求。

3. 抗擠壓、碰撞的能力

搖頭飛椅在運行過程中，座椅在座椅懸掛裝置的帶動下邊旋轉(zhuǎn)邊升降，運動狀態(tài)集旋轉(zhuǎn)、升降和變傾角等多種形式于一體，非常復(fù)雜。此外，由于受到乘客拉動撓性吊掛件等行為的影響，在設(shè)備運行過程中，撓性吊掛件之間、撓性吊掛件與座椅鋼結(jié)構(gòu)框架之間必然會發(fā)生擠壓、碰撞等現(xiàn)象。由于圓環(huán)鏈具有耐磨、耐疲勞和抗擠壓等特點，設(shè)備在運行過程中的擠壓和碰撞一般不會對圓環(huán)鏈造成嚴(yán)重?fù)p傷，可能會造成圓環(huán)鏈的局部磨損。維護(hù)保養(yǎng)人員需要定期檢查（必要時測量）圓環(huán)鏈的磨損程度，若磨損量超過設(shè)備使用維護(hù)說明書中的相關(guān)要求則應(yīng)及時更換。鋼絲繩具有強度高、彈性大和韌性好等特點，但在側(cè)面抗擠壓、碰撞的能力上不如圓環(huán)鏈。設(shè)備在運行過程中的擠壓、碰撞容易使鋼絲繩側(cè)面出現(xiàn)磨損和斷絲等損傷情況。在鋼絲繩反復(fù)受到擠壓、碰撞的過程中，磨損、斷絲等缺陷會日趨嚴(yán)重，給設(shè)備的安全運行帶來隱患。筆者在對搖頭飛椅的定期檢查中，已多次發(fā)現(xiàn)作為主吊掛作用的圓環(huán)鏈并沒有損壞，而作為吊掛冗余保護(hù)的鋼絲繩存在較為嚴(yán)重的磨損、斷絲等情況，需要立即更換。為了提高鋼絲繩側(cè)面抗擠壓、碰撞的能力，筆者建議游樂設(shè)施生產(chǎn)單位可采取相應(yīng)措施保護(hù)鋼絲繩的側(cè)面，比如可以采用涂塑鋼絲繩。

4. 座椅吊掛處受力

撓性吊掛件在座椅吊掛處受力狀況不佳，該處是撓性吊掛件容易損壞失效的地方，需要重點關(guān)注。

對于在座椅吊掛處的圓環(huán)鏈，筆者發(fā)現(xiàn)許多游樂設(shè)施生產(chǎn)單位將其直接套在座椅吊掛銷軸（或螺栓）上（見圖2）。由于圓環(huán)鏈的內(nèi)寬a較小，搖頭飛椅在運行過程中，圓環(huán)鏈內(nèi)側(cè)會與座椅吊掛銷軸（或螺栓）之間產(chǎn)生較大磨損，該處就成為圓環(huán)鏈的薄弱點。本文建議游樂設(shè)施生產(chǎn)單位是否能夠通過增設(shè)卸扣等連接器材連接圓環(huán)鏈與座椅吊掛銷軸（或螺栓）的方式，以減少圓環(huán)鏈與座椅吊掛銷軸（或螺栓）之間的磨損。

圖2 圓環(huán)鏈在座椅吊掛處

對于在座椅吊掛處的鋼絲繩，由于該處鋼絲繩彎曲的曲率半徑較小，會產(chǎn)生額外的彎曲應(yīng)力，鋼絲繩容易出現(xiàn)磨損、局部彎折、籠形畸變等情況。游樂設(shè)施生產(chǎn)單位一般采用將鋼絲繩索具套環(huán)套在座椅吊掛銷軸（或螺栓）上的方式（見圖3），以防鋼絲繩過度彎曲和磨損。游樂設(shè)施生產(chǎn)單位應(yīng)選擇質(zhì)量較好的鋼絲繩，如優(yōu)先選擇線接觸鋼絲繩，這種鋼絲繩外層鋼絲位于內(nèi)層鋼絲的溝槽中，內(nèi)外鋼絲的接觸形成一個螺旋形。相比點接觸鋼絲繩，線接觸鋼絲繩之間接觸應(yīng)力小、磨損小，鋼絲繩壽命長。鋼絲繩在座椅吊掛處不可避免地存在額外的彎曲應(yīng)力，因而鋼絲繩在該處磨損、疲勞損傷加快，使用壽命縮短，這仍是運營使用單位在維護(hù)保養(yǎng)過程中需要重點檢查的部位。

圖3 鋼絲繩在座椅吊掛處

5. 防銹能力

圓環(huán)鏈和鋼絲繩都能采取相應(yīng)措施提高其防銹能力。在材質(zhì)上，圓環(huán)鏈和鋼絲繩都能選用不銹鋼材質(zhì)提高其防銹能力，使其具有較好的防銹效果。在制造工藝上，圓環(huán)鏈和鋼絲繩都能采用鍍鋅等方式起到防銹作用。

由于在設(shè)備使用過程中，鋼絲繩的繩股之間會發(fā)生摩擦、擠壓，容易破壞鋼絲繩表面的鍍鋅層，使鍍鋅鋼絲繩防銹能力下降，而鍍鋅圓環(huán)鏈在設(shè)備使用過程中，其表面的鍍鋅層不容易被破壞。因此，在一般情況下，鍍鋅圓環(huán)鏈比鍍鋅鋼絲繩具有更好的防銹效果。

此外，根據(jù)圓環(huán)鏈和鋼絲繩不同的結(jié)構(gòu)特點，其防銹能力也有各自需要注意的薄弱環(huán)節(jié)。對于鋼絲繩，由于其繩芯能存油，具有自潤滑能力并能提高鋼絲繩內(nèi)部的防銹能力。在鋼絲繩曲率半徑較小的彎曲處（如圖3所示座椅吊掛處），鋼絲繩受彎曲擠壓，使該處繩芯存油量減少，故防銹能力減弱。而在設(shè)備使用過程中，座椅吊掛處又往往容易積水，故該處是鋼絲繩容易出現(xiàn)銹蝕的部位，運營使用單位在維護(hù)保養(yǎng)過程中需對該部位進(jìn)行重點檢查。對于圓環(huán)鏈，若鏈環(huán)焊接位置處理不佳，容易發(fā)生銹蝕；若采用連續(xù)閃光對焊的方式焊接，焊后進(jìn)行深冷處理，其焊縫組織性能會比采用常規(guī)熱處理有明顯提高，且不容易發(fā)生銹蝕。

三、結(jié) 語

游樂設(shè)施生產(chǎn)單位在設(shè)計搖頭飛椅撓性吊掛件時，應(yīng)根據(jù)圓環(huán)鏈和鋼絲繩的不同特性，結(jié)合設(shè)備的運行方式，選擇相適應(yīng)的規(guī)格、型號，在搖頭飛椅座椅之間采用更為合理的連接方式，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，提高撓性吊掛件使用中的安全可靠性，保障設(shè)備安全運行。對于使用過程中在座椅吊掛處等撓性吊掛件容易出現(xiàn)缺陷的地方，運營使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照使用維護(hù)說明書的要求，重點做好檢查、維護(hù)保養(yǎng)等工作。

總體而言，圓環(huán)鏈和鋼絲繩作為撓性吊掛件時都能滿足搖頭飛椅安全運行的要求，不過筆者認(rèn)為，因為圓環(huán)鏈具有更好的耐磨、抗擠壓能力和在座椅吊掛處具有更好的受力條件（不會產(chǎn)生額外的彎曲應(yīng)力），所以建議游樂設(shè)施生產(chǎn)單位優(yōu)先選擇圓環(huán)鏈作為搖頭飛椅的撓性吊掛件。