飛行塔類游樂設施座艙吊掛裝置結構分析

楊海江 宋偉科

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飛行塔類游樂設施座艙吊掛裝置結構分析

楊海江 宋偉科

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

摘 要：在分析飛行塔類游樂設施吊掛裝置結構特點的基礎上，通過對某典型飛行塔類游樂設施-雙塔跳樓機安全分析及單一失效點辨識，發(fā)現(xiàn)該類游樂設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)動鋼絲繩，強度計算得出安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。為此對該結構進行了結構分析，將簡單的吊耳角焊縫變更為連接板、連接座結構，采用多向焊縫、定位銷（塊）、全熔透焊縫等形式連接，通過強度和疲勞計算證明優(yōu)化后的結構更加合理，保證了設備運行的安全性和可靠性，為飛行塔類游樂設施吊掛裝置設計提供了一定的參考。

關鍵詞：飛行塔類游樂設施 座艙吊掛裝置 角焊縫 連接塊 全熔透

1 研究背景

大型游樂設施作為八大類特種設備之一，由于其特殊的社會屬性被稱為“特種設備中的特種設備”，其設計安全是保證設備安全運行的前提條件。大型游樂設施一般都由鋼結構、機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，其中鋼結構是整個游樂設施的骨架，負責主要的承載能力。升降類大型游樂設施作為三種基本的大型游樂設施之一，目前在公園中大量存在。由于升降類設施主要通過鋼絲繩吊掛裝置實現(xiàn)座艙的升降運動，因此鋼絲繩吊掛裝置的結構性能決定了設備的安全性能。由于目前大部分升降類游樂設施吊掛裝置采用耳板焊接方式，焊接結構的安全性能就顯的至關重要。

2 座艙吊掛裝置結構分析

采用本文通過對一種典型的升降類大型游樂設施—雙塔跳樓機吊掛裝置焊縫受力特點的研究，通過比對相關安全規(guī)范，提出了優(yōu)化方案，更有利于該結構的承載要求，提高了設備的安全性能。雙塔跳樓機屬于垂直升降飛行塔類大型游樂設施，該設備由兩座跳樓機組成，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營模式，縮短運行周期和乘客排隊時間。同時，可以對兩座跳樓機分別進行不同的設定，可以使兩座跳樓機有不同的運行方式，因此乘客可以體驗不同程度的刺激感覺。雙塔跳樓機主要由塔架、吊艙、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)組成，各設備的吊艙要求能在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，沿著各自的塔架，進行豎直方向上的快速上升、快速下降、慢速上升、慢速下降等運動。

本文中設備的塔架高度達到64m，吊艙運行高度為54m，最大運行速度25m/s，最大提升加速度3g，每個吊艙承載人數(shù)為16人。由于設備的運行高度和運行速度都非常大，同時吊艙承載人數(shù)較多，因此設備在設計階段采用了多種安全冗余措施，提高設備安全性能。

在設計鑒定階段，除常規(guī)資料審查外，針對雙塔跳樓機的運行特點，重點對設備可能存在的單一失效點進行了危險辨識和安全分析。并在此基礎上，針對單一失效點從設計、制造、檢驗、維修保養(yǎng)等各個階段提出了具體的要求［1］。雙塔跳樓機單一失效點辨識表見表1。

表1　雙塔跳樓機單一失效點辨識表［2］

通過單一失效點辨識及圖紙審查發(fā)現(xiàn)，吊艙吊座連接板及焊縫存在重大安全隱患，該單一失效點連接傳動鋼絲繩和吊艙，為重要受力結構件，但在設計過程中，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。由設備的運動特點可知，該焊縫承受疲勞載荷，容易產(chǎn)生疲勞破壞。

圖1　吊艙吊座連接板焊接型式

3 吊掛裝置結構受力分析

根據(jù)GB 50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》中7.1.3直角焊縫的強度計算［3］，對此處焊縫強度進行校核。此處焊縫為單面角焊縫（作用力平行于焊縫長度方向），采用如下計算公式：式中：

τf——按焊縫有效截面（ewhl）計算，垂直于焊縫長度方向的應力；

N——軸心拉力或軸心壓力；吊點最大拉力N=38000N；

he——角焊縫的計算厚度，對于直角角焊縫等于0.7hf， hf為焊腳尺寸；此處 hf=10mm，

lw——角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去2hf；由圖紙可知lw=500-2×10=480mm；

根據(jù)GB 848—2008《游樂設施安全規(guī)范》中4.5.2應力計算中要求［4］，重要的軸、銷軸及重要焊縫安全系數(shù)應≥5，通過計算該種焊縫設計方案不符合規(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，設計方進行了優(yōu)化設計，主要從兩個方面進行了更改。首先，將吊座耳板直接和座椅框架相連接的結構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現(xiàn)和座椅框架連接，連接座通過定位塊和螺栓實現(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構焊接，保證焊接強度和焊接質(zhì)量。具體優(yōu)化后的結構如圖2所示。

圖2　吊艙吊座優(yōu)化后的連接方式

該優(yōu)化方案不論從日常檢修的便捷性還是設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化為連接板通過定位槽和焊接多種方式實現(xiàn)和座椅骨架的連接，此時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動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螺栓連接，便于檢修和維護。另外，對于連接座吊掛耳板采用了坡口全熔透焊接結構，焊接強度更容易保證，同時更便于無損檢測。對于新的設計方案，通過有限元分析和手工計算，校核其強度和安全系數(shù)。在吊座吊耳處施加單向38000N拉力，吊座應力云圖如圖3所示。

圖3　吊座應力云圖

通過應力計算云圖看出，吊孔應力值最大，為36.8MPa，背后的卡槽會由于擠壓，同樣產(chǎn)生較大應力值，螺栓孔應力很小。吊座結構強度安全系數(shù)為：

安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

同時對該處全熔透焊縫進行強度校核計算，根據(jù)上節(jié)對焊縫強度計算公式，該種方案的全熔透焊縫eh，=265MPa，焊縫強度及焊縫安全系數(shù)為：

焊縫強度安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

鋼結構疲勞計算按鋼結構設計規(guī)范GB 50017中6.1.1的規(guī)定，直接承受動力載荷的鋼結構當應力變化的循環(huán)次數(shù)n等于或大于5×104時需要進行疲勞計算。該設備每小時運行12次，平均每天運行10h，一天運行120次，一年運行43800次。該設備的設計使用壽命為15年，15年間的運行次數(shù)為657000次，即6.57×105。該部件每運行一次，應力變化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。該部件應力循環(huán)為變幅，焊縫最大處承受拉應力［5］，根據(jù)以下公式進行結構疲勞計算：

根據(jù)EN 13814—2004［6］規(guī)定，當總應力循環(huán)次數(shù)小于等于5×106，β=3；由設備的受力狀態(tài)可知，?σ1=18.6MPa，?σ2=9.3MPa，

［?σ］——常幅疲勞的容許應力幅，按下式計算：

因此，此處焊縫的疲勞安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求，設計為無限壽命。

5 結論

本文以雙塔跳樓機座艙吊掛裝置為例，對升降類飛行塔大型游樂設施吊掛裝置中普遍存在的焊接結構設計問題進行了深入分析，通過優(yōu)化后的計算分析可知，優(yōu)化后的結構安全可靠性更高，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施在設計時應注意以下幾點：

1）設計階段應盡量避免承受拉應力或剪應力等動載荷的簡單角焊縫，可以通過采用定位銷或定位塊結構分解焊縫承擔的應力，減小焊縫應力；

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力或剪應力。

3）可以考慮采用螺栓連接的方式進行結構件連接，便于檢修和保證連接質(zhì)量。

參考文獻

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［6］ EN 13814：2004 Fairground and amusement park machinery and structures safety［S］.

Analysis of Seat Hanging Device for Fly Tower Amusement Ride

Yang Haijiang Song Weike
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

AbstractBased on the analysis of seat hanging device of fy tower amusement ride， there are some signifcant security risks in the connection between the seat hanging plate and seat frame of twin towers according to the risk analysis and single failure point identifcation. The safety factor cannot satisfy the requirement of GB 8408 regulation only by this simple angle weld seam. In this case, the connection structure is updated, from simple angle weld seam to the connecting plate, using the multi-weld seam, the location pin (block), the full penetration weld. It is proved that the update connection structure is more reasonable and safety by strength and fatigue calculations, that provide some referance for the design of fy tower amusement ride.

KeywordsFly towers amusement ride Seat hanging device Angle weld seam Connection block Full penetration weld

中圖分類號：X941

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0073-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.013

作者簡介：楊海江（1980～），男，本科，主任助理，高級工程師，從事游樂設施安全檢驗工作。

收稿日期：（2015-09-21）