飛行塔類游樂設(shè)施座艙吊掛裝置結(jié)構(gòu)分析
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楊海江 宋偉科
（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）
摘要：在分析飛行塔類游樂設(shè)施吊掛裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過對某典型飛行塔類游樂設(shè)施一雙塔跳樓機(jī)安全分析及單一失效點(diǎn)辨識，發(fā)現(xiàn)該類游樂設(shè)施座艙吊掛裝置吊耳連接板存在重大安全隱患。僅采用簡單角焊縫連接座艙和驅(qū)動(dòng)鋼絲繩，強(qiáng)度計(jì)算得出安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。為此對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，將簡單的吊耳角焊縫變更為連接板、連接座結(jié)構(gòu)，采用多向焊縫、定位銷（塊）、全熔透焊縫等形式連接，通過強(qiáng)度和疲勞計(jì)算證明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更加合理，保證了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性，為飛行塔類游樂設(shè)施吊掛裝置設(shè)計(jì)提供了一定的參考。
關(guān)鍵詞： 飛行塔類游樂設(shè)施座艙吊掛裝置 角焊縫連接塊全熔透中圖分類號：X941
文章編號：1673-257X(2016)04-0073-04 DOI：10. 3969/j .issn.1673-257X．2016. 04. 013
1研究背景
大型游樂設(shè)施作為八大類特種設(shè)備之一，由于其特殊的社會屬性被稱為“特種設(shè)備中的特種設(shè)備”，其設(shè)計(jì)安全是保證設(shè)備安全運(yùn)行的前提條件。大型游樂設(shè)施一般都由鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，其中鋼結(jié)構(gòu)是整個(gè)游樂設(shè)施的骨架，負(fù)責(zé)主要的承載能力。升降類大型游樂設(shè)施作為三種基本的大型游樂設(shè)施之一，目前在公園中大量存在。由于升降類設(shè)施主要通過鋼絲繩吊掛裝置實(shí)現(xiàn)座艙的升降運(yùn)動(dòng)，因此鋼絲繩吊掛裝置的結(jié)構(gòu)性能決定了設(shè)備的安全性能。由于目前大部分升降類游樂設(shè)施吊掛裝置采用耳板焊接方式，焊接結(jié)構(gòu)的安全性能就顯的至關(guān)重要。
2座艙吊掛裝置結(jié)構(gòu)分析
采用本文通過對一種典型的升降類大型游樂設(shè)施一雙塔跳樓機(jī)吊掛裝置焊縫受力特點(diǎn)的研究，通過比對相關(guān)安全規(guī)范，提出了優(yōu)化方案，更有利于該結(jié)構(gòu)的承載要求，提高了設(shè)備的安全性能。雙塔跳樓機(jī)屬于垂直升降飛行塔類大型游樂設(shè)施，該設(shè)備由兩座跳樓機(jī)組成，可以根據(jù)淡旺季、乘客數(shù)量和乘客需求，分別采用單塔和雙塔的運(yùn)營模式，縮短運(yùn)行周期和乘客排隊(duì)時(shí)間。同時(shí)，可以對兩座跳樓機(jī)分別進(jìn)行不同的設(shè)定，可以使兩座跳樓機(jī)有不同的運(yùn)行方式，因此乘客可以體驗(yàn)不同程度的刺激感覺。雙塔跳樓機(jī)主要由塔架、吊艙、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)組成，各設(shè)備的吊艙要求能在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，沿著各自的塔架，進(jìn)行豎直方向上的快速上升、快速下降、慢速上升、慢速下降等運(yùn)動(dòng)。
本文中設(shè)備的塔架高度達(dá)到64m，吊艙運(yùn)行高度為54m，最大運(yùn)行速度25m/s，最大提升加速度3g，每個(gè)吊艙承載人數(shù)為16人。由于設(shè)備的運(yùn)行高度和運(yùn)行速度都非常大，同時(shí)吊艙承載人數(shù)較多，因此設(shè)備在設(shè)計(jì)階段采用了多種安全冗余措施，提高設(shè)備安全性能。
在設(shè)計(jì)鑒定階段，除常規(guī)資料審查外，針對雙塔跳樓機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，重點(diǎn)對設(shè)備可能存在的單一失效點(diǎn)進(jìn)行了危險(xiǎn)辨識和安全分析。并在此基礎(chǔ)上，針對單一失效點(diǎn)從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、維修保養(yǎng)等各個(gè)階段提出了具體的要求。雙塔跳樓機(jī)單一失效點(diǎn)辨識表見表1。
通過單一失效點(diǎn)辨識及圖紙審查發(fā)現(xiàn)，吊艙吊座連接板及焊縫存在重大安全隱患，該單一失效點(diǎn)連接傳動(dòng)鋼絲繩和吊艙，為重要受力結(jié)構(gòu)件，但在設(shè)計(jì)過程中，僅僅利用兩塊耳板通過簡單角焊縫型式和吊艙框架連接，連接方式如圖1所示。該焊縫直接承受座艙及鋼絲繩沖擊載荷力，且為剪切力，受力狀態(tài)較差。由設(shè)備的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可知，該焊縫承受疲勞載荷，容易產(chǎn)生疲勞破壞。
3吊掛裝置結(jié)構(gòu)受力分析
根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中7.1.3直角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算，對此處焊縫強(qiáng)度進(jìn)行校核。此處焊縫為單面角焊縫（作用力平行于焊縫長度方向），采用如下計(jì)算公式：
根據(jù)GB 848-2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》中4.5.2應(yīng)力計(jì)算中要求，重要的軸、銷軸及重要焊縫安全系數(shù)應(yīng)≥5，通過計(jì)算該種焊縫設(shè)計(jì)方案不符合規(guī)范要求。
4吊掛裝置的優(yōu)化后受力分析
針對吊艙吊座連接焊縫存在的問題，設(shè)計(jì)方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從兩個(gè)方面進(jìn)行了更改。首先，將吊座耳板直接和座椅框架相連接的結(jié)構(gòu)更改為通過連接板和連接座螺栓連接方式，連接板通過定位銷及焊接方式實(shí)現(xiàn)和座椅框架連接，連接座通過定位塊和螺栓實(shí)現(xiàn)和連接板連接。其次，對于連接吊耳和連接座采用全熔透結(jié)構(gòu)焊接，保證焊接強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。具體優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該優(yōu)化方案不論從日常檢修的便捷性還是設(shè)備本身的安全可靠性都得到了很大提高。首先，由原先的單一角焊縫連接方式轉(zhuǎn)化為連接板通過定位槽和焊接多種方式實(shí)現(xiàn)和座椅骨架的連接，此時(shí)座椅骨架和定位槽之間承受一定的載荷，多向焊縫也避免了座艙在運(yùn)動(dòng)過程中的承受單一方向的剪切力。其次，連接板和連接座通過高強(qiáng)螺栓連接，便于檢修和維護(hù)。另外，對于連接座吊掛耳板采用了坡口全熔透焊接結(jié)構(gòu)，焊接強(qiáng)度更容易保證，同時(shí)更便于無損檢測。對于新的設(shè)計(jì)方案，通過有限元分析和手工計(jì)算，校核其強(qiáng)度和安全系數(shù)。在吊座吊耳處施加單向38000N拉力，吊座應(yīng)力云圖如圖3所示。
通過應(yīng)力計(jì)算云圖看出，吊孔應(yīng)力值最大，為36.8MPa，背后的卡槽會由于擠壓，同樣產(chǎn)生較大應(yīng)力值，螺栓孔應(yīng)力很小。吊座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為：
焊縫強(qiáng)度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。
鋼結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017中6.1.1的規(guī)定，直接承受動(dòng)力載荷的鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104時(shí)需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。該設(shè)備每小時(shí)運(yùn)行12次，平均每天運(yùn)行10h，一天運(yùn)行120次，一年運(yùn)行43800次。該設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命
為15年，15年間的運(yùn)行次數(shù)為657000次，即6.57×105。該部件每運(yùn)行一次，應(yīng)力變化6次，其中加速度a=3g變化2次，加速度a=1g變化4次，那么其應(yīng)力變化的次數(shù)，在15年期間加速度a=3g變化1.3×106次，加速度a=1g變化2.6×106次，總變化次數(shù)為3.9×106。
該部件應(yīng)力循環(huán)為變幅，焊縫最大處承受拉應(yīng)力，根據(jù)以下公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算：
5結(jié)論
本文以雙塔跳樓機(jī)座艙吊掛裝置為例，對升降類飛行塔大型游樂設(shè)施吊掛裝置中普遍存在的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了深入分析，通過優(yōu)化后的計(jì)算分析可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)安全可靠性更高，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。通過本優(yōu)化方案的分析，對于此類升降類飛行塔游樂設(shè)
施在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1)設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量避免承受拉應(yīng)力或剪應(yīng)力等動(dòng)載荷的簡單角焊縫，可以通過采用定位銷或定位塊結(jié)構(gòu)分解焊縫承擔(dān)的應(yīng)力，減小焊縫應(yīng)力；
2)對于受力方向比較單一的焊縫，可以通過采用多向焊縫（與受力方向不同）避免焊縫直接承受拉應(yīng)力或剪應(yīng)力。
3)可以考慮采用螺栓連接的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)件連接，便于檢修和保證連接質(zhì)量。
