搖頭飛椅安全擋桿失效分析

胡文綢 黃荔生 盧咸定 汪有韜

（江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 南昌 330096）

大型游樂(lè)設(shè)施作為法定監(jiān)管的機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備，主要利用不同速度及高度的變化給游客帶來(lái)感官上的刺激體驗(yàn)。截止到2021年底，全國(guó)大型游樂(lè)設(shè)施共計(jì)2.52 萬(wàn)臺(tái)（套）[1]。而2014年以來(lái)，27 起大型游樂(lè)設(shè)施事故中，就有17 起事故與乘客束縛裝置有關(guān)，占一半以上[2]。搖頭飛椅安全擋桿作為飛椅類(lèi)設(shè)備主要乘客束縛裝置，在運(yùn)行中起到阻擋乘客脫離座椅的作用。如果安全擋桿失效，則有可能在運(yùn)行過(guò)程中乘客無(wú)法固定而飛出座椅造成人身傷害。因此針對(duì)擋桿失效的分析研究對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)以及廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)制造具有一定參考作用。

1 設(shè)備基本情況介紹

1.1 搖頭飛椅

搖頭飛椅屬于大型游樂(lè)設(shè)施飛行塔類(lèi)中的旋轉(zhuǎn)飛椅系列，其主要運(yùn)動(dòng)形式為乘人裝置繞垂直軸一邊升降一邊旋轉(zhuǎn)。乘人部分采用環(huán)鏈或鋼絲繩吊掛，多為單人座椅或雙人座椅。傘蓋頂升后傾斜偏轉(zhuǎn)，在飛椅傘蓋的桁架上焊有吊耳，座艙通過(guò)由吊桿、鋼絲繩、橫桿和吊掛軸等組成的座椅懸掛裝置吊掛在吊耳上[3]。當(dāng)頂部飛椅傘蓋旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)通過(guò)座椅懸掛裝置帶動(dòng)著座椅一起旋轉(zhuǎn)。本案例中搖頭飛椅由某游樂(lè)設(shè)施公司于2017年8月制造，運(yùn)行最大速度為5.6 m/s，運(yùn)行高度為4.5 m，總計(jì)36 個(gè)座椅。設(shè)備及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 搖頭飛椅設(shè)備及基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 安全擋桿

安全擋桿通過(guò)左右2個(gè)圓環(huán)套在2根吊掛鏈條上，同時(shí)擋桿橫梁中間有吊耳與座椅下部鏈條上的防脫鉤相連接。安全擋桿攔擋在乘客腰部位置，以此限制運(yùn)行過(guò)程中乘客的活動(dòng)范圍，見(jiàn)圖2。

圖2 安全壓桿圖

此臺(tái)設(shè)備中的安全擋桿不能逐級(jí)調(diào)節(jié)，只存在打開(kāi)和鎖緊兩檔，每個(gè)吊椅配備1 個(gè)擋桿。擋桿的作用一部分是當(dāng)作把手，另一部分是和鏈條一塊起到一定的束縛作用。擋桿安全防護(hù)等級(jí)較低，用在運(yùn)行相對(duì)平緩的設(shè)備上，同時(shí)一般配合安全帶使用。擋桿和安全帶配合時(shí)候，一般作為二次保護(hù)，安全擋桿一般不獨(dú)立作為束縛裝置。

雖然安全擋桿運(yùn)用于加速度較低的設(shè)備上，但是作為乘客束縛裝置對(duì)于乘客的安全具有重大保護(hù)作用。由圖2 可知安全帶為攔腰式，如果未配置安全擋桿或得安全擋桿失效，乘客在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過(guò)程中暈倒或得失能，則乘客存在整個(gè)身體從安全帶下方滑出而甩出的風(fēng)險(xiǎn)。而安全擋桿配合鎖緊鏈條形式組合成類(lèi)似攔腰兜襠式安全帶，能夠有效避免此類(lèi)危險(xiǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

2 安全擋桿缺陷及處置

在對(duì)搖頭飛椅進(jìn)行定期檢驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全擋桿端部圓環(huán)全部存在開(kāi)裂現(xiàn)象。并詢(xún)問(wèn)使用單位得知是在使用過(guò)程中陸續(xù)出現(xiàn)開(kāi)裂，此問(wèn)題已存在一段時(shí)間。采用目測(cè)對(duì)安全擋桿進(jìn)行全面觀察，材料為304#不銹鋼，運(yùn)用滲透檢測(cè)方法對(duì)安全擋桿整體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，除斷裂處外未發(fā)現(xiàn)其他地方存在裂紋。

所有36 座安全壓桿圓環(huán)存在失效，失效位置大部分分布于圓環(huán)頭部或得側(cè)面，而在彎接焊縫完好，見(jiàn)圖3。根據(jù)《游樂(lè)設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程(試行)》（國(guó)質(zhì)檢鍋〔2002〕124 號(hào)）中6.7 條規(guī)定，安全擋桿存在失效，判定安全擋桿不符合要求。

圖3 擋桿圓環(huán)失效圖

3 擋桿失效原因分析

3.1 擋桿制造及其受力分析

擋桿圓環(huán)采用沖壓工藝制成，通過(guò)彎曲將型材在彎矩的作用下彎成一定的曲率和角度。因此在工件的外表面產(chǎn)生拉伸（抗拉伸長(zhǎng)），而在工件的內(nèi)表面產(chǎn)生壓縮，越靠近內(nèi)、外表面則所受到的應(yīng)力和應(yīng)變也越大[4]。彎曲過(guò)程中截面的應(yīng)力-應(yīng)變情況如圖4所示。

圖4 彎曲截面應(yīng)力-應(yīng)變圖

這一工藝的特點(diǎn)是在外表面施以張拉（拉伸）而在內(nèi)表面施以壓縮，對(duì)于給定的厚度t，拉伸和壓縮應(yīng)變隨成形半徑r的減?。措Sr/t比的減小）而增加。為使零件保持形狀，r/t比必須小到足以使大部分橫斷面成塑性流動(dòng)狀態(tài)。正如在彈性彎曲中那樣，僅有一條（中性線(xiàn)）保持其原始長(zhǎng)度。當(dāng)彎曲相當(dāng)平緩的半徑時(shí)，中性線(xiàn)在中心，當(dāng)繞小的半徑彎曲時(shí)，中性線(xiàn)向壓縮邊移動(dòng)，中心線(xiàn)伸長(zhǎng)，體積常量通過(guò)將型材減薄保持[5]。

而最小彎曲半徑是指：在保證毛坯彎曲時(shí)外表面不發(fā)生開(kāi)裂和產(chǎn)生缺陷的條件下，彎曲件內(nèi)外表面能夠彎成的最小圓角半徑與坯料厚度的比值，用rmin/t表示。該值越小型材的彎曲性能也越好。當(dāng)型材厚度較小時(shí)，切向應(yīng)變梯度大，從外表面到變形中性層其數(shù)值很快由最大值衰減為零。較大的應(yīng)變梯度能起到阻止外表面金屬產(chǎn)生局部不穩(wěn)定塑性變形的作用，因此可以獲得較大的變形和采用較小的最小彎曲半徑。

3.2 擋桿最小彎曲半徑計(jì)算

型材在彎曲過(guò)程中，變形區(qū)外表面切向應(yīng)變?chǔ)纽纫?jiàn)式（1）[5-6]：

式中：

ρ0——彎曲中性層；

r——成形半徑；

t——材料厚度。

當(dāng)相對(duì)彎曲半徑為最小值rmin/t時(shí)，則滿(mǎn)足式（2）：

式中：

εθ，max——最外層纖維的切向應(yīng)變最大值。

因此，外層邊緣的切向應(yīng)變達(dá)到最大值時(shí)的最小相對(duì)彎曲半徑，可按式（2）計(jì)算。

最小相對(duì)彎曲半徑rmin/t，用材料的斷面收縮率ψ計(jì)算，見(jiàn)式（3）：

因?yàn)榍邢驊?yīng)變?chǔ)纽?t/(2ρ0)，ρ0=r+t/2，將εθ和ρ0值代入式（3），整理后可得式（4）：

由式（4）可知，當(dāng)彎曲時(shí)的斷面收縮率ψ值達(dá)到最大值ψmax時(shí)，相對(duì)彎曲半徑r/t可以降至最小值rmin/t，見(jiàn)式（5）：

式（5）中ψmax和εθ，max值，均可由材料單向拉伸試驗(yàn)得出。查詢(xún)可知304 不銹鋼材料的ψmax值≥60%，εθ，max值為40%～60%。將查詢(xún)數(shù)值ψmax和εθ，max代入式（5）中計(jì)算出來(lái)的彎曲半徑最小值為0.33～0.75。但是實(shí)踐結(jié)果表明，彎曲處許可的切向應(yīng)變最大值εθ，max，比單向拉伸的試驗(yàn)值εθ，max大得多，所以按式（2）和式（5）計(jì)算出來(lái)的rmin/t與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差較大，其原因是實(shí)際生產(chǎn)中的最小相對(duì)彎曲半徑除與材料機(jī)械性能有關(guān)以外，還與零件的彎曲角、型材的纖維方向、表面質(zhì)量等有關(guān)[6]。

3.3 失效分析

擋桿材質(zhì)為304#不銹鋼，原擋桿內(nèi)圈直徑為76 mm，外圈直徑為96 mm，圓環(huán)直徑為10 mm，彎曲半徑為3.8，如圖5（b）所示。新工藝更改后內(nèi)圈直徑為84 mm，圓環(huán)直徑為6 mm，彎曲半徑為7，如圖5（a）所示。兩圓環(huán)的彎曲半徑都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算值，雖然數(shù)值存在較大差異，但是同樣可以作為理論研究和生產(chǎn)實(shí)際的參考。改進(jìn)后的擋桿圓環(huán)在使用單位實(shí)際使用1年后定期檢驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，同時(shí)咨詢(xún)廠(chǎng)家更改加工工藝后未收到斷裂相關(guān)的反饋。通過(guò)上述計(jì)算可知彎曲半徑最小值為0.33～0.75，而考慮實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)增加10 倍安全系數(shù)為3.3～7.5，而實(shí)際3.3 左右存在彎曲斷裂，增加安全系數(shù)到20，最小彎曲半徑為6.6～15。因此彎曲半徑大于6.6 是比較安全的，更換后的圓環(huán)彎曲半徑為7。

圖5 擋桿圓環(huán)尺寸圖

從失效面的剖面圖來(lái)看，斷面非常平整，同時(shí)擋桿圓環(huán)也不存在任何形變現(xiàn)象，基本可以判定為脆性失效。分析為游客在乘坐結(jié)束后解開(kāi)擋桿，擋桿自由下落不斷撞擊座椅兩邊的扶手，而由于圓環(huán)在制造過(guò)程中就存在缺陷，雖然不會(huì)立即體現(xiàn)出宏觀缺陷，但是缺陷通過(guò)撞擊持續(xù)拓展發(fā)生失效。圓環(huán)內(nèi)存在的缺陷正是由于在彎曲過(guò)程中彎曲半徑較小所造成的。通過(guò)增大擋桿圓環(huán)內(nèi)圈的直徑來(lái)增大彎曲半徑，橫梁采用空心管，大大降低安全擋桿的整體質(zhì)量，減少降落產(chǎn)生的撞擊力。通過(guò)這些措施后在使用過(guò)程中并未產(chǎn)生新的失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大型游樂(lè)設(shè)施主要安全保護(hù)裝置在設(shè)計(jì)之初就必須考慮材料拉伸、彎曲強(qiáng)度、最小彎曲半徑等材料參數(shù)的影響?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算或得相關(guān)的有限元分析對(duì)材料進(jìn)行受力分析，避免設(shè)計(jì)帶來(lái)的材料缺陷問(wèn)題。從而防止在使用過(guò)程中由于材料缺陷造成安全保護(hù)裝置失效，以及由此引發(fā)的特種設(shè)備安全事故。生產(chǎn)廠(chǎng)家在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮安全擋桿最小彎曲半徑的計(jì)算，還需要通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)分析找到合適的加工參數(shù)，改進(jìn)彎曲制造工藝并增加相應(yīng)的安全系數(shù)，得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求的彎曲半徑數(shù)值。