文/張宇光 姚 俊 蔡 昶

搖頭飛椅是飛行塔類(lèi)游樂(lè)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(yùn)行時(shí)，“大傘”一邊旋轉(zhuǎn)一邊升降，而且伴隨著傾斜，帶動(dòng)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(guò)座椅懸掛裝置吊掛在吊耳上。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，一旦座椅懸掛裝置發(fā)生故障，座艙就會(huì)失穩(wěn)，甚至可能會(huì)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(yùn)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(lè)設(shè)施生產(chǎn)單位和運(yùn)營(yíng)使用單位在設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中需要重點(diǎn)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(guò)吊掛軸、平衡桿、吊掛桿等零部件連接（見(jiàn)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(yùn)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(hào)、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(guò)搖頭飛椅座椅鋼結(jié)構(gòu)上相應(yīng)位置的4根吊掛銷(xiāo)軸（或螺栓）實(shí)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(duì)和相關(guān)建議

1. 圓環(huán)鏈與鋼絲繩簡(jiǎn)介

圓環(huán)鏈的制造過(guò)程通常是先檢測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)熱處理，以提高其試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)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(rùn)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(chēng)“股”。雙捻鋼絲繩撓性好，具有制造簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，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(diǎn)接觸鋼絲繩、線(xiàn)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(hào)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(huì)因型號(hào)不同而有所差異。圓環(huán)鏈和鋼絲繩制造單位會(huì)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(shí)測(cè)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(shū)中。筆者在一些圓環(huán)鏈和鋼絲繩的產(chǎn)品質(zhì)量證明書(shū)里發(fā)現(xiàn)，公稱(chēng)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(shí)，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(huì)超過(guò)50 kg，m1取50 kg；m2為乘客質(zhì)量），無(wú)偏載時(shí)估算結(jié)果為311 N。

按照《大型游樂(lè)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(shí)，乘客質(zhì)量按≥750 N/人計(jì)算；乘坐成人2人以上時(shí)，乘客質(zhì)量按≥700 N/人計(jì)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(xiàn)的夾角，接近0°，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，α取10°（一般情況下α＜10°）。

若生產(chǎn)廠(chǎng)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(jì)算軟件MATLAB對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行求解，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，座椅受到的最大載荷F= 1 604 N[3]。若生產(chǎn)廠(chǎng)家使用的撓性吊掛件破斷拉力為11 000 N，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(lè)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(jì)計(jì)算結(jié)果，選擇更大規(guī)格或更高強(qiáng)度型號(hào)的圓環(huán)鏈或鋼絲繩，這樣撓性吊掛件會(huì)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(mǎn)足設(shè)備安全運(yùn)行的要求。

3. 抗擠壓、碰撞的能力

搖頭飛椅在運(yùn)行過(guò)程中，座椅在座椅懸掛裝置的帶動(dòng)下邊旋轉(zhuǎn)邊升降，運(yùn)動(dòng)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(dòng)撓性吊掛件等行為的影響，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(huì)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(diǎn)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的擠壓和碰撞一般不會(huì)對(duì)圓環(huán)鏈造成嚴(yán)重?fù)p傷，可能會(huì)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(shí)測(cè)量）圓環(huán)鏈的磨損程度，若磨損量超過(guò)設(shè)備使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)中的相關(guān)要求則應(yīng)及時(shí)更換。鋼絲繩具有強(qiáng)度高、彈性大和韌性好等特點(diǎn)，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(yùn)行過(guò)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(guò)程中，磨損、斷絲等缺陷會(huì)日趨嚴(yán)重，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。筆者在對(duì)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(méi)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(lè)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(diǎn)關(guān)注。

對(duì)于在座椅吊掛處的圓環(huán)鏈，筆者發(fā)現(xiàn)許多游樂(lè)設(shè)施生產(chǎn)單位將其直接套在座椅吊掛銷(xiāo)軸（或螺栓）上（見(jiàn)圖2）。由于圓環(huán)鏈的內(nèi)寬a較小，搖頭飛椅在運(yùn)行過(guò)程中，圓環(huán)鏈內(nèi)側(cè)會(huì)與座椅吊掛銷(xiāo)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(diǎn)。本文建議游樂(lè)設(shè)施生產(chǎn)單位是否能夠通過(guò)增設(shè)卸扣等連接器材連接圓環(huán)鏈與座椅吊掛銷(xiāo)軸（或螺栓）的方式，以減少圓環(huán)鏈與座椅吊掛銷(xiāo)軸（或螺栓）之間的磨損。

圖2 圓環(huán)鏈在座椅吊掛處

對(duì)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(huì)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(lè)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(xiāo)軸（或螺栓）上的方式（見(jiàn)圖3），以防鋼絲繩過(guò)度彎曲和磨損。游樂(lè)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(xiàn)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(gè)螺旋形。相比點(diǎn)接觸鋼絲繩，線(xiàn)接觸鋼絲繩之間接觸應(yīng)力小、磨損小，鋼絲繩壽命長(zhǎng)。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(yùn)營(yíng)使用單位在維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中需要重點(diǎn)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(guò)程中，鋼絲繩的繩股之間會(huì)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(guò)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(diǎn)，其防銹能力也有各自需要注意的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于鋼絲繩，由于其繩芯能存油，具有自潤(rùn)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(guò)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(yùn)營(yíng)使用單位在維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程中需對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)檢查。對(duì)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(duì)焊的方式焊接，焊后進(jìn)行深冷處理，其焊縫組織性能會(huì)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(yǔ)

游樂(lè)設(shè)施生產(chǎn)單位在設(shè)計(jì)搖頭飛椅撓性吊掛件時(shí)，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(yùn)行方式，選擇相適應(yīng)的規(guī)格、型號(hào)，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(yùn)行。對(duì)于使用過(guò)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(yùn)營(yíng)使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)的要求，重點(diǎn)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(shí)都能滿(mǎn)足搖頭飛椅安全運(yùn)行的要求，不過(guò)筆者認(rèn)為，因?yàn)閳A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(huì)產(chǎn)生額外的彎曲應(yīng)力），所以建議游樂(lè)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。