摩天輪連接螺栓失效技術分析

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

游樂設施總是朝著“新、奇、特”的方向發展，因此游樂設施結構不斷推陳出新。新穎結構不斷涌現，也給游樂設備安全帶來了不斷的挑戰。螺栓連接在機械設備領域是主要的連接方式之一，根據文獻，80%以上的機械事故或故障是由于緊固件的松動而造成的[1]。例如2012年深圳某樂園彈射過山車支承軸螺紋根部斷裂導致車輛故障；2007日本某樂園過山車連接器螺母斷裂導致多人受傷；2003年日本長島某樂園過山車車輪固定螺栓脫落導致乘客重傷等[2]。因此游樂設備中螺紋或螺栓連接的失效分析必不可少。螺栓作為標準件，已有成熟的設計與使用規范，但在設計非標準連接型式或者需要校核重要螺紋，或出現擰緊力矩隨時間推移產生減弱的現象時，分析文獻相對較少。這種設計因素造成的后果可能導致連接的失效。通過本文試通過一起摩天輪檢驗中發現的螺栓失效實例進行研究和分析，找出原因并提出改進措施。

1 基本情況

2017年，一處高度為23.7m的由國外某公司設計的摩天輪在設備運轉中出現轉盤回轉支承連接高強度螺栓松動情況。再次按照設計扭矩預緊后運行，螺栓松動反復出現。螺栓連接面被拉開，轉盤同時有傾覆的趨勢。松動及螺栓拆檢情況見圖1。

圖1 螺栓松動與拆檢情況

該設備由立柱、中心回轉系統、大轉盤、吊艙系統組成。其工作原理是：兩組電機減速機通過齒輪驅動中心回轉支承齒輪帶動大轉盤繞水平軸回轉，回轉支承外圈由48個螺栓進行固定。吊艙繞吊掛軸自由轉動。

該設備主要參數為：運行高度23.7m，轉速8mpr，回轉直徑21m，承載人數為90人。

2 原因分析

高強度螺栓依靠預緊力實現抗拉及抗剪連接，該設備轉盤重力垂直于螺栓軸向，屬于抗剪摩擦型連接。摩擦型連接依靠被連接件間產生的摩擦力來抵抗剪切力。

據其他學者的研究結果表明，螺紋連接失效的最終原因是軸向夾緊力不足。主要表現為扭矩衰減、被連接件壓潰、螺紋滑牙、螺栓松動斷裂[3]。

經現場勘察，被連接件無壓潰現象；安裝工序中也采用螺紋膠防止滑牙；螺栓無斷裂現象且扭矩未超出設定值，因此初步判斷是扭矩衰減導致被連接件間摩擦力不足以抵抗大轉盤的載荷。此例中所采用的結構較為特殊，一端采用攻絲與螺栓連接，為非正常的薄弱環節，因此對連接體螺紋處進行分析計算。

考慮螺栓已知數據較多，因此將分析步驟設定為螺栓螺紋計算—反力推導—建立連接件模型—代入有限元計算—結果分析。

本例螺栓使用意大利UNI 5931標準10.9級內六角高強度螺栓，參數為：

表1 本例中螺栓參數[4]

連接體采用歐洲標準S275材質，其屈服強度為275MPa[6]。根據設計圖紙，嚙合長度為20mm。

整體結構如圖2所示。

圖2 連接示意圖

按照GB 8408—2018《大型游樂設施安全規范》[7]，螺栓柱體軸向拉力（預緊力）為：

式中：

T——預緊力矩；

k——擰緊力矩系數，根據標準選0.2；

d——公稱直徑，本例中計算得128.3kN。

螺栓螺紋用于傳遞軸向力與摩擦力，其中軸向力與螺紋面有夾角，因此將螺紋表面的軸向力分為正向壓力與切向力，受力模式如圖3所示：

圖3 螺紋受力分析示意圖

螺紋表面為圓錐環面，其受力面積為：

式中：

d2——中徑，約為0.9d；

N——嚙合扣數；

l——嚙合長度，本例中由設計圖紙取20mm，計算得932.83mm2。

計算正應力分量與切應力分量：

代入已知條件得正應力τn=116.64MPa，切應力為72.88MPa。

計算螺紋螺旋副間的摩擦力矩[8]：

式中摩擦系數取0.2。本例計算得Tf=464333.71Nmm

承受扭轉摩擦的表面為螺旋螺紋表面，因螺紋升角較小，因此簡化為圓環面。計算摩擦切應力：

計算得τf=44.57MPa。

切應力分量與摩擦切應力處在一個平面，且互相垂直，合并切應力為：

計算得τ=85.43MPa。

按照強度第三理論，計算合應力為：

計算得σ=188.41MPa。連接件螺紋受反力，受力面積一致，因此認為連接件表面受大小相同方向相反的應力。

應用Solid works對連接件螺栓孔建模，因螺紋升角僅2°，因此將此角度忽略。

應用Solid works simulation插件進行計算分析。本例采用靜應力有限元分析模組；設定模型材料使用軟件定義DIN 1.0144 S275J2G3；網格使用雅可比點為29的四面體網格。設定摩擦面一側完全約束，柱面設定為可軸向自由運動，對同側螺紋面施加上述應力。

圖4 模型約束、施加力、網格情況

圖5 模型內螺紋截面

Von-Mises應力計算結果見圖6。

合位移計算結果見圖7。

從計算結果可見第一圈螺紋根部應力最大，為320MPa超過了材料屈服應力。沿嚙合扣數的分布規律符合其他學者的研究[3]。此外經其他學者發現，隨著螺紋扣數增加，前三扣承載比例按指數關系衰減，且時承載比例最大，前三扣承載約70.6%的軸向應力[9]。而本例中嚙合扣數為5.7，接近最不利狀態。本例中計算對全部嚙合扣數采用相同的應力分布，因此前三扣承載52.6%的軸向應力，相對保守。

根據計算結果分析可知，螺栓預緊力導致內螺紋發生屈服變形，再繼續使用的過程中，由于大轉盤重力與螺栓角度不斷變化，產生低周交變載荷，應力-應變過程不斷發生，螺栓預緊力減小，最終大轉盤傾覆力矩克服了連接摩擦力，導致螺栓失效。嚙合長度過短以及連接件材質強度不足是根本原因。

圖6 Von-Mises應力計算結果

圖7 位移計算結果

3 改進措施

借鑒其他學者的相關研究，為保證螺栓可靠連接，在選取螺紋嚙合長度時需要對內外螺紋強度進行校核[3]。其校核方法為：

式中：

L——嚙合長度；

σBB——螺栓抗拉強度；

τBN——內螺紋剪切強度；

As——螺桿截面積；其他同上。

游樂設施鋼結構常采用的鋼材牌號有Q235、Q345、Q390，依照上式計算不同螺栓等級、不同螺栓直徑的許用嚙合長度，計算中τBN參考自GB 50017—2017《鋼結構設計標準》表4.4.1。其結果見表2。

由計算結果可見在標準擰緊力矩下，嚙合長度與材料抗剪強度成反比；隨螺栓直徑增大而增大。

表2 標準擰緊力矩下游樂設施常見鋼結構材料與高強度螺栓嚙合安全范圍 （單位：mm）

利用上述計算方法校核本例，當材料選用S275時，τBN利用插值法取144MPa，其有效嚙合長度至少應為45mm。

因此建議廠家加厚螺栓連接處的板材，且有效嚙合長度應大于45mm。或者修改中心轉盤結構，采用標準高強度螺栓連接副連接。

在選用標準連接時，應注意不同的受力模式應選用對應的螺栓強度計算方法，見表3，再校核螺栓強度。

表3 高強度螺栓緊連接強度計算方法[8]

4 結論

1）本文從一個摩天輪重要螺栓失效案例出發，對其失效模式進行了分析，計算了螺紋表面的正應力分量、切應力分量、摩擦切應力，并利用有限元分析手段計算了內螺紋全局應力分布。通過對計算結果分析，得出如下結論：螺栓失效的直接原因是螺栓預緊力不足，摩天輪大轉盤的傾覆力矩克服了連接件間的摩擦力矩。其根本原因是嚙合長度過短以及連接件材質強度不足。

2）因嚙合件材料強度或厚度的因素，即使按照設定值打足預緊力，也有可能會出現螺栓松動。在設計過程中，懷疑或必要時應校核螺紋結構力與力矩。

3）結構設計中應避免采用非標準的帶有預緊力的高強度螺栓連接形式，盡可能采用標準連接形式，采用標準連接時應針對不同受力情況選取相應的校核方法。

4）如采用非標準的帶有預緊力的高強度螺栓連接型式，本文對游樂設施鋼結構常用材料的許用嚙合長度進行了計算和列舉，以供參考。