大型游樂設施金屬結構疲勞破壞的早期預判

黃美強

（福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350008）

1 引言

在多年的大型游樂設施檢驗中，常能發現有些頻繁使用的設備幾年甚至僅一年左右就出現疲勞裂紋，即早期疲勞或低周疲勞。在國內外游樂設施事故中，裂紋導致的事故不在少數。疲勞作為機械結構主要的失效形式，其過程是部件金屬結構隨使用時間不斷累積，損傷不斷增加，最終導致可靠性逐漸減弱，因此設備構件結構疲勞的主要特征為時變性[1]。由于檢驗機構無法對設備的制造過程實施監督檢驗，而制造過程往往可能將一些設備隱患流轉到使用環節，因此及早發現安全隱患或隱患導致的初期缺陷，對設備金屬結構的疲勞盡可能做出早期預判，尤其針對比較陳舊的在用游樂設施，起到有效防范設備事故是極為重要。材料疲勞存在于設備的多個部位，如何早期發現并判斷其受損程度顯得尤為重要。

2 疲勞裂紋出現的部位和破壞的形式

文中所述的疲勞破壞主要為裂紋，屬于疲勞裂紋范疇，主要基于兩點：一是設備受破壞金屬結構材料經化學成分分析和機械性能試驗均符合要求，不存在超標的成分以及導致脆性的超標元素；二是裂紋的外觀和受力特征均符合疲勞破壞機理。

在實際中，以摩天環車為例，疲勞裂紋最早產生的部位大多位于配重與大臂的連接部位等（見圖1）。對于結構件中類似軌道對接焊縫，及軌道與支架作為游樂設施的重要結構件存在對接、角接、搭接等多種形式焊縫，以及不同材質之間或變截面應力集中處的焊縫均存在焊接應力和殘余應力，這些部位極易造成疲勞裂紋。此時不僅要求對外部焊縫進行早期嚴格檢查，防止出現氣孔、夾渣、咬邊等缺陷外，還須利用無損檢測方法對內部的未焊透、裂紋、未熔化、氣孔等進行檢測。這些盡管是微小的裂紋但也可能成為疲勞破壞的根源，如圖2。滑行車軌道裂紋，存在于車輛運行速度較快且轉彎半徑較小的部位，圖3車輪架耳板，其根部產生的長度約為12mm裂紋，原因為其端部漏焊而產生應力集中，成為產生裂紋缺陷的根源，即在沖擊載荷的長期作用下微缺陷處發生擴展所致。

圖1 摩天環車配重

圖2 滑行車軌道

圖3 車輪架耳板

3 疲勞裂紋產生的機理

3.1 與受力情況有極大關系

材料的受力情況是設備疲勞預判最重要的影響因素之一，由圖4可知，當金屬材料承受的交變載荷超過額定數值時，載荷超過額定值的多少與應力循環次數成反比，超過額定值越少，應力循環次數就越多，反之則越少[2]。

圖4 疲勞破壞的應力曲線

3.2 與交變載荷的類型有較大關系

通常，對金屬材料而言，典型的交變載荷主要有兩種，一種是結構材料隨著時間的變化，其載荷應力變化范圍在最大值和零之間，最大應力值恒定，稱之為脈動循環變應力；另一種是其載荷應力在正值和負值之間（如材料受拉和受壓）發生變化，且其數值相等但方向相反，該情況稱為對稱循環變應力。在這兩種循環變應力情況下，隨時間變化，材料的疲勞曲線是不同的[3]，可以看出，在同樣的載荷應力值，載荷條件一致的狀態下，脈動循環變應力使材料達到疲勞破壞所需的循環次數比對稱循環變應力多得多，即承受脈動循環變應力的構件更不容易發生疲勞破壞。

3.3 與零部件外部特征關系較大

設備構件的截面非圓滑過度處、剛性突變處等存在應力部件集中的部件，以及表面有缺口、粗糙的部件，均容易發生疲勞破壞。

游樂設施各主要構件受力狀況差別很大，在摩天環車設備結構中，大臂的根部、中部和端部都不同，端部受的載荷大，截面剛性變化大，又承受最惡劣的對稱循環載荷，產生疲勞的各種不利因素疊加在一起，導致這些部位容易產生裂紋。

4 疲勞裂紋產生主要原因

通常，結構金屬材料的疲勞壽命包含了兩個階段：疲勞裂紋的形成階段和疲勞裂紋的擴展階段。疲勞破壞由多重因素導致，應力狀況，結構金屬材料抗疲勞破壞能力等均為重要的影響因素，一般表現為：結構應力水平高則壽命短，結構應力水平低時壽命長，在相同條件下高韌性、高強度材料疲勞壽命更長，疲勞破壞的發展過程是漸變的，一般需要設備運行一段時間才會出現材料破壞現象，而且在破壞之前通常不會表現出明顯的征兆[1]，由于其突發性，無法事前發現，使其危險性極高，因此設計人員必須通過正確合理的抗疲勞設計和計算，預留安全系數，計算出設計使用壽命。通過實踐，根據疲勞現象總結規律，并逐步把這些規律運用到工程實際中，通過借鑒國內外及前人的實踐經驗和成果，進一步改進設計，使結構趨于合理，盡可能避開一些易產生疲勞的材料、結構形狀、受力狀況等不利因素。

由于承載的特性和構造的需要，游樂設施部件從設計開始就無法避免受力狀況不利的形狀，這些部位大多存在應力集中的情況，如摩天環車大臂的端部等，但并不等于這些部位一定會產生疲勞裂紋，大多數相同結構的摩天環車在同一時間段內未發生疲勞裂紋的事實充分說明了這一點。由于大多游樂設施，如摩天環車在運行過程中，其大臂的端部焊縫承受的剪切力不僅最大，而且是最惡劣的對稱循環載荷。因此，一般情況下，產生疲勞裂紋主要是由于以下四個因素：

（1）游樂設施制造時焊接、材料或工藝過程中沒有嚴格控制，留下了一些缺陷流入到設備的使用環節，如材料的分層、焊接產生的氣孔、弧坑等制造缺陷；

（2）游樂設施部件因成本、工作效率和可操作性等難以避開截面突變、剛性突變處等應力集中嚴重的情況，如轉馬的曲軸、大擺錘座艙支撐桿等；

（3）游樂設施部件應力集中處承受對稱循環載荷，如摩天環車回轉大臂與配重的連接部位、大擺錘中心主軸等；

（4）游樂設施部件存在外力的持續強力沖擊，如滑行車類轉彎處的軌道彎月飛車軌道中間段和車輪架耳板等。

5 疲勞裂紋的早期發現及處理要點

游樂設施中疲勞裂紋出現的位置一般是設備的關鍵部位，一旦發生事故常常沒有先兆，當裂紋擴展到一定程度時，即使設備空載運行也會發生事故，曾經多家公園和游樂場的摩天環車在空載試運行即發生配重墜落事故。因此，早期發現疲勞裂紋尤為重要。設備使用環節對產生疲勞裂紋的三個主要原因無法避免，只有盡早發現疲勞裂紋的根源才能及時消除疲勞裂紋帶來的安全隱患，在此介紹裂紋早期發現處理的要點：

（1）在游樂設施檢驗工作過程中，應熟悉各部件的設計計算及受力狀況，經常目測檢查設備主要受力結構處焊縫，突變截面、過小的圓角半徑或表面加工質量缺陷等應力集中處，特別是承受對稱循環載荷結構處是否有疲勞裂紋或其他缺陷根源。

（2）使用無損檢測專業儀器（TOFD或超聲波探傷儀和磁粉探傷儀等）對設備如（1）中描述的可能產生疲勞裂紋應力集中處進行定期檢查，為了能準確、可靠、全面地發現設備缺陷的危險源，可在使用探傷儀之前采用磁記憶分析儀等高效率檢測儀器，可疑之處再用傳統探傷儀確認，以便更快捷地發現危險源，提高工作效率。

（3）通過有限元分析軟件來分析（見圖5），通過分析云圖能清晰地分辨各部位的受力狀況，從而對早期發現設備的疲勞缺陷提供有效的技術指導。

圖5 大擺錘立柱的有限元云圖

6 結語

疲勞失效作為機械部件結構的主要破壞形式，在游樂設施設備中也是一樣，其破壞機理復雜，影響因素較多，由于裂紋等一些制造過程產生的缺陷在形成和擴展過程中有很強的隱蔽性，而疲勞斷裂又具有瞬時性[1]，因此對游樂設施結構的可靠性和安全性造成很大的威脅，文中主要從實際經驗和結構形狀及受力狀況等多方面分析，旨在對結構破壞進行一定的預判，盡可能早期發現設備存在的隱患，為游樂設施的檢驗工作提供行之有效的指導，有效地降低事故發生的概率。