一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪在大型游樂設(shè)施中應(yīng)用的檢驗(yàn)案例淺析

郭俊杰 崔明亮 呂夢南 劉興科

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

（2.河北中冶冶金設(shè)備制造有限公司 邢臺 054100)

1 研究背景

隨著游樂設(shè)施在國內(nèi)大規(guī)模建成并投入使用，游樂設(shè)施的安全問題日益凸顯，已成為特種設(shè)備安全問題的重要組成部分[1]。標(biāo)準(zhǔn)件由于通用性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，被廣泛應(yīng)用在游樂設(shè)施上，常見的標(biāo)準(zhǔn)件有緊固件、連結(jié)件、傳動件、密封件、液壓元件、氣動元件、軸承、彈簧等[2]。部分標(biāo)準(zhǔn)件是游樂設(shè)施中的重要零部件，甚至是單一失效件，如圖1所示的高空飛翔傳動裝置采用的聯(lián)軸器，圖2所示的大擺錘采用的回轉(zhuǎn)支承等，這些標(biāo)準(zhǔn)件一旦失效，可能直接造成大量的人員傷亡。

圖1 高空飛翔

圖2 大擺錘

目前，游樂設(shè)施中采用的標(biāo)準(zhǔn)件通常由設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)階段通過選型計(jì)算后，直接從市場上采購并安裝使用，一般不會對采購的成品件進(jìn)行復(fù)驗(yàn)或者校核。筆者認(rèn)為，這樣采購的標(biāo)準(zhǔn)件雖然符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但不一定符合游樂設(shè)施的安全標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)件一旦使用在游樂設(shè)施的某些重要部位，復(fù)雜工況條件下可能會存在較大的安全隱患。

2 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪檢驗(yàn)案例分析

圖3為某制造廠設(shè)計(jì)制造的一臺架空游覽車，主要設(shè)備參數(shù)：軌道距離地面高度為12.5 m，運(yùn)行速度為1.8 m/s，每車承載人數(shù)4人。設(shè)備主要由軌道、軌道立柱、車體、電氣系統(tǒng)及其他車輛輔助設(shè)施組成。該架空游覽車的運(yùn)行方式：車輛由安裝在軌道內(nèi)側(cè)的滑觸線供電，并由車體上驅(qū)動橋驅(qū)動車輛在軌道上行駛。為了便于后期維護(hù)，行走輪選用了一種直徑為300 mm的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪（見圖4）。

圖3 架空游覽車

圖4 行走輪（標(biāo)準(zhǔn)腳輪）

現(xiàn)場對該工業(yè)腳輪進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)該工業(yè)腳輪的輪軸和法蘭板焊縫質(zhì)量較差（見圖5），存在焊縫長度不足、弧坑裂紋、氣孔、飛濺等焊接缺陷。

圖5 工業(yè)腳輪輪軸與輪架連接焊縫

查閱該臺架空游覽車的設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)，制造單位設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)架空游覽車載荷要求進(jìn)行了腳輪的選型計(jì)算，直接從市場上采購后使用。GB/T 14687—2011《工業(yè)腳輪和車輪》標(biāo)準(zhǔn)對腳輪的技術(shù)要求主要包括腳輪外觀、裝配、腳輪硬度、超載能力、制動能力、行走性能、耐腐蝕性能等[3]，出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目主要包括腳輪外觀、轉(zhuǎn)動靈活性、車輪硬度和車輪圓跳動等[3]。按照GB/T 14687—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，出廠時(shí)不需要對車輪和輪架的焊縫及腳輪軸進(jìn)行無損檢測，制造單位采購該腳輪后未對輪架的焊接質(zhì)量及腳輪軸進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，也未校核該部件的設(shè)計(jì)圖紙。

筆者認(rèn)為，該款工業(yè)腳輪作為游樂設(shè)施的重要零部件，不符合GB 8408—2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[4]的要求，存在較大安全隱患。

3 工業(yè)腳輪選型建議

針對上述檢驗(yàn)案例發(fā)現(xiàn)的問題，筆者建議，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪在該游樂設(shè)施的應(yīng)用過程中，應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

在該架空游覽車設(shè)計(jì)之初，應(yīng)對所采用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，主要目的是根據(jù)該腳輪失效后果的嚴(yán)重程度來鑒別該腳輪是重要標(biāo)準(zhǔn)件還是一般標(biāo)準(zhǔn)件。對于失效后不會造成人員傷亡的標(biāo)準(zhǔn)件可定義為一般標(biāo)準(zhǔn)件，對于失效后會造成人員傷亡的標(biāo)準(zhǔn)件可定義為重要標(biāo)準(zhǔn)件。分析可知，該腳輪為架空游覽車的行走輪，在架空游覽車沿特定軌道前行過程中對車體有支撐作用，該腳輪一旦失效，會造成車體傾斜，人員可能滑出車體而造成高空墜落；另外，該工業(yè)腳輪一旦失效，腳輪本身可能從高空墜落，造成架空游覽車下方的乘客傷亡，故可將該腳輪鑒別為重要標(biāo)準(zhǔn)件。作為重要標(biāo)準(zhǔn)件，筆者建議該腳輪應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14687—2011及GB 8408—2018進(jìn)行定制生產(chǎn)，對于無法進(jìn)行定制生產(chǎn)的，建議按照如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 選型計(jì)算及強(qiáng)度校核

首先按照架空游覽車受力情況進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)腳輪的選型計(jì)算，之后利用有限元分析軟件按照GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)的要求對該腳輪的主要結(jié)構(gòu)、重要焊縫及重要銷軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，其安全系數(shù)應(yīng)符合GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

●3.2.1 選型計(jì)算

上述案例中，制造廠家對該工業(yè)腳輪進(jìn)行了選型計(jì)算，計(jì)算過程如下：重型萬向輪，型號為10寸型橡膠輪，承載能力為3 t，單軌車車重為856 kg，滿載乘客重量為280 kg，合計(jì)重量為1 136 kg，分配到單個(gè)腳輪的重量為568 kg，沖擊系數(shù)為1.1，則單軌腳輪選型安全系數(shù)為：3 000/568/1.1=4.8。計(jì)算結(jié)果滿足使用要求。

●3.2.2 強(qiáng)度校核

利用有限元分析軟件，對該腳輪進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)該腳輪的相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)建立幾何模型，如圖6所示。

圖6 腳輪幾何模型

分析該工業(yè)腳輪的實(shí)際使用工況可知，GB/T 14687—2011標(biāo)準(zhǔn)中6.9和6.10的靜壓試驗(yàn)要求中的工況[3]滿足該工業(yè)腳輪的使用工況，所以，按照該標(biāo)準(zhǔn)中的工況要求進(jìn)行加載，工況說明和荷載力見表1，荷載方向如圖7所示。

表1 工況說明及荷載力大小

圖7 四種工況荷載方向

有限元分析結(jié)果及根據(jù)GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的安全系數(shù)結(jié)果見表2，因上述零件的應(yīng)力最大點(diǎn)均在焊縫處，焊縫已實(shí)體建模，故焊縫應(yīng)力值取表2的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，焊縫應(yīng)力及安全系數(shù)結(jié)果見表3。

表2 腳輪結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)校核結(jié)果

表3 腳輪焊縫校核結(jié)果

由表2和表3可以看出，法蘭盤和支架的結(jié)構(gòu)件及焊縫的安全系數(shù)不完全滿足GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，故上述腳輪應(yīng)重新進(jìn)行選型計(jì)算和強(qiáng)度校核，直至計(jì)算結(jié)果符合GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.3 技術(shù)要求及質(zhì)量檢驗(yàn)

在該腳輪選型技術(shù)要求中，應(yīng)對材質(zhì)、重要銷軸和重要焊縫的無損檢測、銷軸熱處理及銷軸加工圓角等方面提出明確要求，嚴(yán)格進(jìn)行廠內(nèi)入廠檢驗(yàn)，并對其進(jìn)行拆卸抽查，確認(rèn)其符合GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 日常維保

該架空游覽車的使用維護(hù)說明書中應(yīng)根據(jù)工業(yè)腳輪生產(chǎn)廠家提供的使用維護(hù)說明書以及GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，明確提出該腳輪的日常維護(hù)保養(yǎng)要求，如對于重要銷軸應(yīng)有潤滑、磨損等相關(guān)檢查要求，對于重要銷軸和重要焊縫應(yīng)有定期拆卸進(jìn)行無損檢測等檢查要求。使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照使用維護(hù)說明書的要求對該工業(yè)腳輪進(jìn)行日常維保。

4 建議與意見

從上述案例可以看出，標(biāo)準(zhǔn)件不一定是安全件，雖然是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造，但是并不能保證其制造加工質(zhì)量及安全系數(shù)完全滿足GB 8408—2018標(biāo)準(zhǔn)的要求?；诖笮陀螛吩O(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對重要標(biāo)準(zhǔn)件要求不明確的現(xiàn)狀，建議開展大型游樂設(shè)施行業(yè)重要標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)用的研究。筆者建議，對不同種類的重要標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)其功能、結(jié)構(gòu)等條件，對其提出不同的要求，如對卷筒、工業(yè)腳輪等重要標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)根據(jù)游樂設(shè)施行業(yè)的特殊性，明確提出要求其符合游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定；對軸承、聯(lián)軸器等重要標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)在游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)中明確要求其做到失效安全或者冗余設(shè)計(jì)；對回轉(zhuǎn)支承等重要標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)單獨(dú)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如JT/T 846—2012《港口起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承》等來規(guī)范相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用，提高大型游樂設(shè)施整體安全性能。