胡文綢 黃荔生 盧咸定 汪有韜

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院 南昌 330096）

大型游樂設施作為法定監(jiān)管的機電類特種設備，主要利用不同速度及高度的變化給游客帶來感官上的刺激體驗。截止到2021年底，全國大型游樂設施共計2.52 萬臺（套）[1]。而2014年以來，27 起大型游樂設施事故中，就有17 起事故與乘客束縛裝置有關，占一半以上[2]。搖頭飛椅安全擋桿作為飛椅類設備主要乘客束縛裝置，在運行中起到阻擋乘客脫離座椅的作用。如果安全擋桿失效，則有可能在運行過程中乘客無法固定而飛出座椅造成人身傷害。因此針對擋桿失效的分析研究對于現(xiàn)場檢驗檢測以及廠家的設計制造具有一定參考作用。

1 設備基本情況介紹

1.1 搖頭飛椅

搖頭飛椅屬于大型游樂設施飛行塔類中的旋轉飛椅系列，其主要運動形式為乘人裝置繞垂直軸一邊升降一邊旋轉。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，在飛椅傘蓋的桁架上焊有吊耳，座艙通過由吊桿、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]。當頂部飛椅傘蓋旋轉時，它會通過座椅懸掛裝置帶動著座椅一起旋轉。本案例中搖頭飛椅由某游樂設施公司于2017年8月制造，運行最大速度為5.6 m/s，運行高度為4.5 m，總計36 個座椅。設備及基礎結構圖見圖1。

圖1 搖頭飛椅設備及基本結構圖

1.2 安全擋桿

安全擋桿通過左右2個圓環(huán)套在2根吊掛鏈條上，同時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，以此限制運行過程中乘客的活動范圍，見圖2。

圖2 安全壓桿圖

此臺設備中的安全擋桿不能逐級調(diào)節(jié)，只存在打開和鎖緊兩檔，每個吊椅配備1 個擋桿。擋桿的作用一部分是當作把手，另一部分是和鏈條一塊起到一定的束縛作用。擋桿安全防護等級較低，用在運行相對平緩的設備上，同時一般配合安全帶使用。擋桿和安全帶配合時候，一般作為二次保護，安全擋桿一般不獨立作為束縛裝置。

雖然安全擋桿運用于加速度較低的設備上，但是作為乘客束縛裝置對于乘客的安全具有重大保護作用。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，乘客在旋轉運行過程中暈倒或得失能，則乘客存在整個身體從安全帶下方滑出而甩出的風險。而安全擋桿配合鎖緊鏈條形式組合成類似攔腰兜襠式安全帶，能夠有效避免此類危險現(xiàn)象的發(fā)生。

2 安全擋桿缺陷及處置

在對搖頭飛椅進行定期檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)設備安全擋桿端部圓環(huán)全部存在開裂現(xiàn)象。并詢問使用單位得知是在使用過程中陸續(xù)出現(xiàn)開裂，此問題已存在一段時間。采用目測對安全擋桿進行全面觀察，材料為304#不銹鋼，運用滲透檢測方法對安全擋桿整體進行無損檢測，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)頭部或得側面，而在彎接焊縫完好，見圖3。根據(jù)《游樂設施監(jiān)督檢驗規(guī)程(試行)》（國質檢鍋〔2002〕124 號）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），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力和應變也越大[4]。彎曲過程中截面的應力-應變情況如圖4所示。

圖4 彎曲截面應力-應變圖

這一工藝的特點是在外表面施以張拉（拉伸）而在內(nèi)表面施以壓縮，對于給定的厚度t，拉伸和壓縮應變隨成形半徑r的減?。措Sr/t比的減?。┒黾印槭沽慵３中螤?，r/t比必須小到足以使大部分橫斷面成塑性流動狀態(tài)。正如在彈性彎曲中那樣，僅有一條（中性線）保持其原始長度。當彎曲相當平緩的半徑時，中性線在中心，當繞小的半徑彎曲時，中性線向壓縮邊移動，中心線伸長，體積常量通過將型材減薄保持[5]。

而最小彎曲半徑是指：在保證毛坯彎曲時外表面不發(fā)生開裂和產(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。當型材厚度較小時，切向應變梯度大，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算

型材在彎曲過程中，變形區(qū)外表面切向應變εθ見式（1）[5-6]：

式中：

ρ0——彎曲中性層；

r——成形半徑；

t——材料厚度。

當相對彎曲半徑為最小值rmin/t時，則滿足式（2）：

式中：

εθ，max——最外層纖維的切向應變最大值。

因此，外層邊緣的切向應變達到最大值時的最小相對彎曲半徑，可按式（2）計算。

最小相對彎曲半徑rmin/t，用材料的斷面收縮率ψ計算，見式（3）：

因為切向應變εθ=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，當彎曲時的斷面收縮率ψ值達到最大值ψmax時，相對彎曲半徑r/t可以降至最小值rmin/t，見式（5）：

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

3.3 失效分析

擋桿材質為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)的彎曲半徑都遠遠大于計算值，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)實際的參考。改進后的擋桿圓環(huán)在使用單位實際使用1年后定期檢驗中沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷，同時咨詢廠家更改加工工藝后未收到斷裂相關的反饋。通過上述計算可知彎曲半徑最小值為0.33～0.75，而考慮實際試驗數(shù)據(jù)增加10 倍安全系數(shù)為3.3～7.5，而實際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看，斷面非常平整，同時擋桿圓環(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束后解開擋桿，擋桿自由下落不斷撞擊座椅兩邊的扶手，而由于圓環(huán)在制造過程中就存在缺陷，雖然不會立即體現(xiàn)出宏觀缺陷，但是缺陷通過撞擊持續(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程中彎曲半徑較小所造成的。通過增大擋桿圓環(huán)內(nèi)圈的直徑來增大彎曲半徑，橫梁采用空心管，大大降低安全擋桿的整體質量，減少降落產(chǎn)生的撞擊力。通過這些措施后在使用過程中并未產(chǎn)生新的失效。

4 結束語

綜上所述，大型游樂設施主要安全保護裝置在設計之初就必須考慮材料拉伸、彎曲強度、最小彎曲半徑等材料參數(shù)的影響。可通過設計計算或得相關的有限元分析對材料進行受力分析，避免設計帶來的材料缺陷問題。從而防止在使用過程中由于材料缺陷造成安全保護裝置失效，以及由此引發(fā)的特種設備安全事故。生產(chǎn)廠家在設計時需要考慮安全擋桿最小彎曲半徑的計算，還需要通過實際試驗分析找到合適的加工參數(shù)，改進彎曲制造工藝并增加相應的安全系數(shù)，得到滿足設計和使用要求的彎曲半徑數(shù)值。