應(yīng)力測試在游樂設(shè)施剩余壽命估算中的應(yīng)用

摘要：文中簡化了影響游樂設(shè)施剩余壽命的相關(guān)因素，以現(xiàn)場動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測結(jié)果為基礎(chǔ)，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)建立了一種游樂設(shè)施剩余壽命的估算方法，并給出實(shí)例。

關(guān)鍵詞：游樂設(shè)施；剩余壽命；關(guān)鍵零部件；疲勞壽命；應(yīng)力測試

Abstract： In this paper， the relevant factors that affect the resudual life of amusement facilities are simplified. According to the current standards， an estimation method of the residual life of amusement facilities is established based on the on-site dynamic stress detection results， and an example is given.

Key Words： Amusement facilities;Residual life;Safety-related components and parts;Fatigue life;Stress detection

0 引言

2003年6月1日起實(shí)施的《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（試行）》（原國質(zhì)檢鍋〔2003〕34號(hào)）第十七條規(guī)定：“設(shè)計(jì)單位應(yīng)在設(shè)計(jì)文件明確主要受力部件，并規(guī)定整機(jī)及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)使用壽命”。所以，大型游樂設(shè)施整機(jī)及關(guān)鍵零部件均應(yīng)有設(shè)計(jì)使用年限，但設(shè)計(jì)使用年限并非設(shè)備強(qiáng)制報(bào)廢年限，因此，對達(dá)到設(shè)計(jì)使用期限但尚有修理、改造價(jià)值的游樂設(shè)施，在保障安全的基礎(chǔ)上，本著節(jié)約發(fā)展的原則，通過檢驗(yàn)或安全評(píng)估，允許繼續(xù)使用[1]。如《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》第四十八條“達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限可以繼續(xù)使用的，應(yīng)當(dāng)按照安全技術(shù)規(guī)范的要求通過檢驗(yàn)或者安全評(píng)估，并辦理使用登記證書變更，方可繼續(xù)使用。允許繼續(xù)使用的，應(yīng)當(dāng)采取加強(qiáng)檢驗(yàn)、檢測和維護(hù)保養(yǎng)等措施，確保使用安全?！钡囊?guī)定。

2011年6月16日原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局《關(guān)于對lt;關(guān)于大型游樂設(shè)施有關(guān)使用年限問題的請示gt;的回復(fù)》（質(zhì)檢特函〔2011〕53號(hào)）第三條規(guī)定“達(dá)到設(shè)計(jì)使用期限仍有改造、維修價(jià)值的設(shè)備，運(yùn)營使用單位可委托設(shè)備原制造單位或具備相應(yīng)制造許可資格的單位進(jìn)行維修、重大維修或改造，確定繼續(xù)使用期限和使用條件”，繼續(xù)使用期限，即剩余壽命，由于沒有具體的安全技術(shù)規(guī)范支持，各制造或有制造資質(zhì)的單位大多為評(píng)估者的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合運(yùn)營使用單位的意愿及評(píng)估修理項(xiàng)目的造價(jià)的高低等因素而定，缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)，隨意性較大，實(shí)際工作中存在較大分歧。

1" 剩余壽命估算方法

1.1" 因素分析

從游樂設(shè)施整機(jī)構(gòu)造講，整機(jī)安全性取決于關(guān)鍵零部件的安全性，故整機(jī)剩余壽命也取決于其關(guān)鍵零部件的剩余壽命。總體來講，游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件主要為重要銷軸類（如懸掛軸、車輪軸等）、復(fù)雜結(jié)構(gòu)類（如車體、座艙、滑行車車輪架等）、鋼結(jié)構(gòu)類（如回轉(zhuǎn)臂等）三類，大量研究表明，影響關(guān)鍵零部件的剩余壽命主要因素為疲勞、磨損及腐蝕[2]。

2014年1月1日起施行《大型游樂設(shè)施安全監(jiān)察規(guī)定》（原國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局令（第154號(hào)））第三十三條規(guī)定“大型游樂設(shè)施主要受力部件超過設(shè)計(jì)使用期限要求的，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行更換”，這里涉及的“主要受力部件”主要依據(jù)該設(shè)備的設(shè)計(jì)鑒定文件、使用維護(hù)說明書及各類型游樂設(shè)施通用技術(shù)條件中規(guī)定的主要受力部件，若該設(shè)備要進(jìn)行延壽，對于重要銷軸類關(guān)鍵部件，按監(jiān)察規(guī)定的要求應(yīng)進(jìn)行更換；同時(shí)，對于不易拆卸的軸類（指拆裝工作量占整機(jī)安裝工作量50%以上的），按照《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（試行）》第七條要求應(yīng)按無限壽命設(shè)計(jì)，故本估算模型將重要銷軸類不納入評(píng)價(jià)。

磨損及腐蝕方面主要表現(xiàn)在主要受力構(gòu)件（含重要銷軸）計(jì)算厚度的減小，在游樂設(shè)施相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定其報(bào)廢條件，如《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（試行）》第十條規(guī)定“受力結(jié)構(gòu)件的最大銹蝕深度應(yīng)小于原型鋼厚度的15%”等，且磨損及腐蝕量在日常檢驗(yàn)中操作簡單且易于發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行構(gòu)件更換或加強(qiáng)，綜合可更換原則及現(xiàn)場檢驗(yàn)的易發(fā)現(xiàn)性，在文中的整機(jī)剩余壽命的估算模型中不予考慮。

游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件上的載荷多為交變載荷，疲勞破壞是其失效的主要形式，復(fù)雜結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件疲勞失效后可進(jìn)行整體更換，如更換座艙、滑行車車輛等。

為適應(yīng)日常檢驗(yàn)需要，盡量使測算模型簡單化，結(jié)合上述分析，本測算模型主要考慮鋼結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件的疲勞損傷，同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件在整機(jī)中占比較大，為非標(biāo)準(zhǔn)件，更換此類零部件施工成本高，故此模型也符合經(jīng)濟(jì)合理性。

1.2" 計(jì)算方法

游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件上的載荷與其運(yùn)行形式有關(guān)，游樂設(shè)施的每次運(yùn)行都有固定的模式，包括運(yùn)行路線、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)行時(shí)間等，變化的是乘客數(shù)量及重量，而且這些變化相對于游樂設(shè)施自身重量是較小，所以，在單次運(yùn)行過程中游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件上的載荷隨時(shí)間不斷變化，但在整個(gè)運(yùn)營周期內(nèi)，游樂設(shè)施關(guān)鍵零部件上的載荷可以近似為周期性的、變幅的疲勞載荷。計(jì)算依據(jù)應(yīng)遵循《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》第6.2.3.1條規(guī)定：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的疲勞計(jì)算應(yīng)符合GB 50017中關(guān)于疲勞強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定[3]。

而GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第16.1.3條規(guī)定“疲勞計(jì)算應(yīng)采用基于名義應(yīng)力的容許應(yīng)力幅法，容許應(yīng)力幅應(yīng)按構(gòu)件和連接類別、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)以及計(jì)算部位的板件厚度確定” [4]。

2" 應(yīng)用實(shí)例

某公園有一臺(tái)觀覽車類游樂設(shè)施“雙龍出?！保鐖D1所示，已使用8年，其設(shè)計(jì)使用壽命為8年，需進(jìn)行延壽施工，施工單位經(jīng)安全評(píng)估后的結(jié)論是：更換設(shè)計(jì)鑒定文件中的重要銷軸，設(shè)備延壽后繼續(xù)使用年限為8年。現(xiàn)場檢驗(yàn)員對此結(jié)論存疑，要求進(jìn)行剩余壽命估算。

2.1 現(xiàn)場檢驗(yàn)檢測

經(jīng)現(xiàn)場了解，該廠家代表對該設(shè)備僅進(jìn)行了外觀檢查和空載試運(yùn)行，出具的繼續(xù)使用年限是依據(jù)運(yùn)營使用單位在該場地的承租合同年限。

該設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件為立柱、回轉(zhuǎn)臂，復(fù)雜結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件為座艙，以上關(guān)鍵零部件外觀檢查無異常，焊縫、螺栓連接保護(hù)良好，厚度測量后未見明顯銹蝕和磨損現(xiàn)象，無損檢測后未發(fā)現(xiàn)有可記錄的缺陷。

現(xiàn)場動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測采用DHDAS-5908無線應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，采用箔式膠基應(yīng)變片，電阻值為 119.9±0.1Ω，靈敏系數(shù)經(jīng)事先標(biāo)定為2.07，電阻應(yīng)變片片柵特性尺寸為5.8mm×2.7mm；溫度補(bǔ)償方案為電橋線路補(bǔ)償。鑒于施工單位憑經(jīng)驗(yàn)出具該繼續(xù)使用年限，本次應(yīng)力檢測僅抽查回轉(zhuǎn)臂部分位置，貼片位置綜合考慮部件的高應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及彈性屈曲區(qū)，現(xiàn)場貼片位置如圖2、圖3（吊廂龍骨屬于回轉(zhuǎn)臂的一部分）所示。

測試過程中游樂設(shè)施加載重物，采用DHDAS-5908無線應(yīng)變測試儀記錄了游樂設(shè)施負(fù)重后運(yùn)行情況下的應(yīng)力值變化情況，獲得應(yīng)力時(shí)間歷程，見圖4～圖8。

現(xiàn)場常規(guī)檢驗(yàn)時(shí)調(diào)閱該設(shè)備的運(yùn)行記錄，完全是應(yīng)付安全檢查，數(shù)據(jù)無可信度。

2.2 繼續(xù)使用期限計(jì)算

該回轉(zhuǎn)臂為箱型板焊接，板厚為12mm，由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄K可知類別為Z5，由表 16.2.1-1 可知類別為 Z5 時(shí)：

從現(xiàn)場測試結(jié)果分析，最大應(yīng)力幅（圖示為峰峰值）出現(xiàn)在吊廂龍骨“測點(diǎn)3”的動(dòng)態(tài)應(yīng)力曲線中，最大值為117.7MPa，大于74MPa（Z5時(shí) ），故按公式（1）

由于現(xiàn)場運(yùn)行記錄無可信度，經(jīng)現(xiàn)場測算該設(shè)備每小時(shí)運(yùn)行4次（包括上下乘客時(shí)間，一個(gè)運(yùn)行周期約15min），每次運(yùn)行10圈，按照每天運(yùn)行8h，一年運(yùn)行360天計(jì)算，該設(shè)備一年運(yùn)行的次數(shù)為：。

業(yè)已使用8年，即n2為8，帶入公式（5），可得該設(shè)備估計(jì)的繼續(xù)使用年限為：

通過以上的現(xiàn)場檢驗(yàn)和繼續(xù)使用年限估算，建議繼續(xù)使用年限為2～3年，同時(shí)要求該設(shè)備施工單位應(yīng)本著設(shè)備本質(zhì)安全的理念對該設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩u(píng)估或檢驗(yàn)，如制定延壽方案，現(xiàn)場落實(shí)重要部件厚度檢測、重要焊縫的無損檢測、重要受力結(jié)構(gòu)件的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力測試或進(jìn)行模擬仿真等，綜合以上步驟的結(jié)論提出安全合理的繼續(xù)使用年限和使用條件。

3" 建議及展望

游樂設(shè)施屬于公眾娛樂休閑的特種設(shè)備，涉及公共安全，其運(yùn)行安全性不容忽視。當(dāng)設(shè)備使用年限越接近設(shè)計(jì)使用年限，其生命周期內(nèi)運(yùn)行累計(jì)的問題就越嚴(yán)重，安全風(fēng)險(xiǎn)就越突出。監(jiān)管單位本著“保障安全、節(jié)約發(fā)展”的觀點(diǎn)出臺(tái)該政策，雖然沒有輔以明確的技術(shù)規(guī)范，但有要求執(zhí)行延壽施工的單位都需具備相應(yīng)的制造資質(zhì)，作為延壽施工的單位應(yīng)該以設(shè)備本質(zhì)安全為前提，制定完善的延壽方案，實(shí)事求是的對設(shè)備進(jìn)行全方面的安全評(píng)估或檢驗(yàn)，來作為對該政策的具體響應(yīng)。同時(shí)，作為運(yùn)營使用單位，應(yīng)嚴(yán)格遵守各項(xiàng)安全運(yùn)營管理制度，如實(shí)填寫設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行記錄及維護(hù)保養(yǎng)記錄，對于延壽使用的設(shè)備應(yīng)重視其使用條件，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

文中采用鋼結(jié)構(gòu)類關(guān)鍵零部件的現(xiàn)場動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測結(jié)果，依據(jù)相應(yīng)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出游樂設(shè)施整機(jī)疲勞壽命，進(jìn)而估算游樂設(shè)施的剩余壽命，雖然模型簡單，估算精度可能較低，但符合“謹(jǐn)慎保守”的安全原則，方便快捷且可操作性高，是一種較為適合現(xiàn)場檢驗(yàn)的方法。

為提高估算值的準(zhǔn)確度，在以下三個(gè)方面應(yīng)有所完善和提高：

1）若進(jìn)行仿真計(jì)算，應(yīng)準(zhǔn)確測定關(guān)鍵零部件的特征厚度和重要焊縫的無損檢測；若進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)力檢測，應(yīng)力檢測前建議使用磁記憶檢測方法或事先進(jìn)行結(jié)構(gòu)ANSYS分析，力圖檢驗(yàn)數(shù)據(jù)反映設(shè)備真實(shí)應(yīng)力水平。

2）如實(shí)記錄設(shè)備的運(yùn)營情況，經(jīng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)較為真實(shí)重現(xiàn)設(shè)備已使用頻次及預(yù)測延壽后的使用水平。

3）充分考慮各關(guān)鍵零部件的失效機(jī)理，包括磨損、銹蝕、變形、疲勞破壞等，建立一套適合現(xiàn)場檢驗(yàn)的安全評(píng)估方法，作為剩余壽命測算的準(zhǔn)則，從而降低分歧，保證設(shè)備在剩余壽命期間的安全運(yùn)行。

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