趙九峰，牛妙玉，趙振辭，王振偉，劉 軍

(河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

為了提高游樂設(shè)施的制造、安裝、運輸、維修水平及提高生產(chǎn)效率等，游樂設(shè)施在連接裝配中廣泛應(yīng)用螺栓連接。螺栓連接是緊固件連接中最基本的一種結(jié)構(gòu)形式，具有便于標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)、構(gòu)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(shè)施重要的連接件，直接影響到游樂設(shè)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(shè)施運行中發(fā)生的螺栓斷裂。螺栓失效甚至?xí)斐稍O(shè)備的倒塌，嚴(yán)重威脅到乘人的生命安全。

2003年6月4日，新疆某公園內(nèi)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(shè)備傾斜，導(dǎo)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(shè)施的重要組成部分是鋼結(jié)構(gòu)，在大型鋼結(jié)構(gòu)的連接中，普遍使用高強度螺栓，如觀覽車的支撐結(jié)構(gòu)、搖頭飛椅的回轉(zhuǎn)機構(gòu)等。因此，在游樂設(shè)施的設(shè)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(shè)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(yù)緊力，使連接件之間壓緊產(chǎn)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(jié)構(gòu)件接觸面間摩擦力的大小，應(yīng)力流通過接觸面平順傳遞，無應(yīng)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(shè)施運行中承受著各種沖擊載荷，承受沖擊載荷的鋼結(jié)構(gòu)用高強度螺栓不宜直接承受剪切力[4]，因此游樂設(shè)施用高強度螺栓僅需校核拉伸應(yīng)力，即僅需考慮軸向載荷。

游樂設(shè)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(chǎn)生的最大工作拉力Fa，設(shè)備自重、運行載荷等對單個螺栓產(chǎn)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(fù)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(yù)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(chǎn)生的工作拉力

當(dāng)高強度螺栓群受到彎矩M時，一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，受壓一側(cè)依靠零部件相互擠壓承載，受拉一側(cè)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(yuǎn)的螺栓受到的彎矩產(chǎn)生的工作拉力最大[5]。螺栓群的力學(xué)模型如圖1所示，根據(jù)線性關(guān)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(xué)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(chǎn)生的最大工作拉力Fa[7]：

(4)

1.3 總工作拉力

游樂設(shè)施運行過程中，在設(shè)備自重和運行載荷作用下，沿螺栓連接面法向產(chǎn)生軸向力FN。在立柱連接螺栓面上會產(chǎn)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(chǎn)生拉伸的軸向力，如大擺錘的懸臂連接法蘭部位。則設(shè)備自重和運行載荷產(chǎn)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(yù)緊力和工作拉力，螺栓承受的總拉力并不等于預(yù)緊力和工作拉力之和。螺栓的總拉力Fz除和預(yù)緊力F0、工作拉力Fl有關(guān)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(zhuǎn)切應(yīng)力影響，于是螺栓危險截面的計算應(yīng)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(yīng)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(shè)施在人們?nèi)粘Ｉ畹阮I(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，海盜船是一種觀覽車類游藝機，是一種繞水平軸往復(fù)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(qū)動部件和護欄等部件組成，設(shè)備簡圖如圖2所示。

圖2 海盜船設(shè)備簡圖1.立柱 2.船體 3.護欄 4.驅(qū)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(jié)構(gòu)圖如圖3所示，受拉側(cè)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(yù)緊力F0=35.5 kN?？紤]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(chǎn)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(yù)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(yīng)力：

計算應(yīng)力345 MPa小于許用應(yīng)力533 MPa，結(jié)果表明，海盜船立柱連接高強度螺栓滿足應(yīng)力強度的條件。

4 結(jié) 語

大型游樂設(shè)施連接用高強度螺栓的計算精確與否，關(guān)系到游樂設(shè)施的安全運營和乘人的生命安全[8]。根據(jù)工程力學(xué)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(xì)推導(dǎo)，給出了高強度螺栓應(yīng)力強度計算和校核評價方法，并結(jié)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(yīng)力。其計算方法和結(jié)果可為游樂設(shè)施高強度螺栓的應(yīng)力計算和校核評價提供了參考，對于提高設(shè)計能力具有現(xiàn)實意義。