大型過山車車體剩余使用壽命評估研究

張 琨 李春力 宋偉科 崔高宇 李尼亞

（國家市場監管重點實驗室（特種設備安全與節能），中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

過山車作為滑行車類大型游樂設施，車體承載游客在空間復雜變化的軌道上疾馳，深受游客喜歡。過山車的結構主體由車體、軌道、立柱組成，車體在運行中受到交變載荷，疲勞是影響其安全性能和使用壽命的主要因素，立柱和軌道主要受靜載荷，為了安全，過山車車體的設計使用期限往往小于立柱和軌道的設計使用期限。當過山車車體達到設計使用期限時，仍有修理或改造價值的情況下，本著節約發展的原則，通過檢驗或安全評估后可以繼續使用[1]。對達到設計使用期限的過山車車體進行檢驗或安全評估，重中之重是對其進行剩余使用壽命評估。

大型過山車車體結構復雜，主要受力部件數量眾多，主要包括輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器等重要結構件和輪軸、輪架軸、轉向立軸、壓杠轉軸、車輛連接器軸等重要銷軸。車體在軌道運行時，主要受力部件多承受交變載荷，疲勞是影響其剩余使用壽命的主要因素。梁朝虎等人[2-3]建立了大型游樂設施關鍵零部件的疲勞壽命模型，提出了疲勞壽命評估方法。宋偉科等人[4]采用容許應力幅法對過山車車輛連接器螺栓進行了疲勞壽命分析。渠曉剛等人[5]建立了起重機疲勞壽命預測的數值仿真模型，結合結構疲勞危險點的疲勞應力-時間歷程對其疲勞剩余壽命進行評估。除疲勞因素外，相對運動造成的磨損和露天環境下導致的銹蝕都會影響過山車車體主要受力部件的強度，進而影響其剩余使用壽命。鐘傳磊等人[6]通過汽車門鎖棘輪棘爪的磨損試驗和接觸力仿真，構造了其使用壽命與磨損壽命可靠度的關聯曲線。趙鳴等人[7]分析了軸類零件各磨損階段的特點，提出了軸類零件軸頸磨損壽命的模糊可靠性計算方法。潘典書等人[8]建立了銹蝕鋼結構件抗彎承載力預測模型，分析了我國不同城市大氣環境下在役鋼結構件銹蝕后抗彎承載性能的退化規律，為銹蝕鋼結構件壽命預測提供了基礎。以上相關研究都為大型過山車車體剩余使用壽命評估提供了理論指導。

本文以大型過山車為研究對象，從疲勞、磨損和銹蝕這3 個影響因素出發，對過山車車體重要結構件和重要銷軸進行疲勞剩余使用壽命分析、磨損和銹蝕剩余使用壽命分析，進而評估車體的剩余使用壽命。

1 設備概述

四環過山車主要由車體、軌道（雙立環、雙螺旋環等）、立柱、提升裝置、制動裝置等組成。車體由提升裝置提升至軌道頂端后自動脫鉤，然后進入慣性滑行狀態，車體依靠慣性沿俯沖軌道向下急速滑進2個相接的立環軌道、起伏段軌道、2 個相接的螺旋環軌道后進入平面環軌道，最終在制動裝置減速制動下停止在站臺。設備照片見圖1，主要技術參數見表1。

表1 四環過山車主要技術參數

圖1 四環過山車

該設備于2014年12月監督檢驗合格后開始運營，整機設計使用期限為15 年，車體（重要結構件、重要銷軸）設計使用期限為8 年，于2022 年12 月到期，根據設備運行記錄以及與設備使用單位工作人員溝通，確定四環過山車車體已運行約14 萬次。設備生產單位和使用單位對車體進行定性評估，確定車體在修理后仍可以繼續使用，無須更換新的車體。為了確定車體延期使用的科學期限，對車體進行充分的檢查、測試和測量，進而以檢測數據為基礎對車體重要結構件和重要銷軸進行剩余使用壽命評估。

2 評估數據獲取和分析

2.1 應力測試

應力測試是掌握在役機械設備受力狀態的主要手段，也是進行疲勞壽命評估的主要依據。為了掌握四環過山車在運行中車體的受力狀況并獲取動應力-時間載荷譜，對四環過山車車體進行應力測試，根據車體結構特點和運行特征，確定頭車和尾車的輪架、轉向架、車架、車輛連接器、座椅骨架作為測試位置，選取每個位置的最大測試應力幅，測試結果見表2，詳細的動應力-時間歷程圖如圖2 所示。

表2 四環過山車車體應力測試結果

圖2 四環過山車車體動應力測試時間歷程圖

圖2 四環過山車車體動應力測試時間歷程圖（續）

2.2 尺寸測量

鋼結構件和銷軸的尺寸能夠真實反映其磨損和銹蝕情況，如果銷軸出現磨損，則軸徑測量值會比設計值減小；如果鋼結構件出現銹蝕，在打磨至金屬光澤后對其進行厚度測量，測量值會比設計值減小。為了掌握四環過山車車體的磨損和銹蝕情況，獲取重要結構件和重要銷軸的尺寸值，對重要結構件和重要銷軸打磨至金屬光澤后進行尺寸測量，重要結構件尺寸測量結果見表3，重要銷軸尺寸測量結果見表4。

表3 四環過山車車體重要結構件尺寸測量結果

表4 四環過山車車體重要銷軸尺寸測量結果

3 剩余使用壽命評估

3.1 重要結構件

●3.1.1 疲勞壽命分析

疲勞是結構在交變載荷下損傷逐漸累積的過程，過山車每次運行都有固定的模式，包括運行時間、運行路線、運動方式等，變化的是乘客數量和重量，而且這些變化相對于車體本身的重量較小，因此，雖然在一次運行中過山車車體主要受力部件上的載荷隨時間不斷變化，但在整個生命周期內，過山車車體主要受力部件上的載荷可以近似為常幅的、周期性的疲勞載荷[2]。針對四環過山車車體輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器的應力測試情況，對其進行疲勞剩余壽命計算。

經查閱設計資料，輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器的焊接型式均為對接或角接全熔透，由GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[9]可知，輪架等重要結構件的構件與連接類別為Z6，疲勞截止限為36 MPa。由2.1 節可知，輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器的最大測試應力幅分別為29.94 MPa、68.67 MPa、31.21 MPa、10.53 MPa、21.23 MPa。最大應力幅出現在轉向架位置，應力幅為68.67 MPa，其余均小于36 MPa。因此，除轉向架外，輪架、車架、座椅骨架、車輛連接器的應力幅均小于疲勞截止限，可按無限疲勞壽命使用。

四環過山車車體已運行約14 萬次，每次運行轉向架經歷8 次交變應力循環，循環次數約為1.12×106次，按照GB 50017—2017[9]中關于正應力幅的疲勞強度S-N曲線可知，正應力幅為68.67 MPa 的應力循環次數在2×106至5×106之間，按式（1）計算轉向架的允許疲勞循環次數：

式中：

[Δσ]——常幅疲勞的容許正應力幅，MPa；

n——應力循環次數；

Cz、βz——構件和連接的相關參數，構件與連接類別為Z6，按標準分別取1.46×1012和3。

由式（1）可得，轉向架的允許疲勞循環次數為4.51×106次，剩余疲勞循環次數為3.39×106次，超過原使用次數，對應車體的疲勞剩余壽命為5.64×105次。

●3.1.2 磨損和銹蝕壽命分析

由2.1節可知，四環過山車車體輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器的主要截面尺寸測量值與設計值一致，未發現明顯磨損和銹蝕，因此，四環過山車車體的磨損和銹蝕剩余壽命可按無限壽命使用。

●3.1.3 重要結構件剩余使用壽命評估

通過3.1.1 和3.1.2 兩節的分析，除轉向架不是無限壽命外，輪架、車架、座椅骨架、車輛連接器等車體重要結構件均為無限壽命。對于轉向架，剩余使用循環次數為3.39×106次，對應車體的剩余使用壽命為5.64×105次。因此，輪架、轉向架、車架、座椅骨架、車輛連接器等車體重要結構件可根據設備使用維護保養的條件，提出繼續使用的期限和要求。

3.2 重要銷軸

●3.2.1 疲勞壽命分析

由于車體重要銷軸無法直接進行應力測試，根據2.1 節對車體重要結構件的應力測試可知，其應力幅值均小于70 MPa。車體重要銷軸的材質有40Cr 和45#兩種，經查閱機械設計手冊，這2 種材料的主要力學性能見表5。

表5 四環過山車車體重要銷軸材質的主要力學性能 MPa

車體重要銷軸主要承受彎曲疲勞，最大應力幅均小于其材質的彎曲疲勞極限，因此，車體重要銷軸的疲勞壽命可按無限壽命使用。

●3.2.2 磨損和銹蝕壽命分析

由2.2 節可知，車體重要銷軸主要截面尺寸的測量值與設計值相比，多數都有減小現象，表明多數車體重要銷軸存在不同程度的磨損或銹蝕，按式（2）和式（3）計算其磨損和銹蝕剩余壽命[2]：

式中：

v——磨損和銹蝕速率，mm/運行次數；

d0——設計值，mm；

dnow——測量值，mm；

tnow——當前已運行次數。

式中：

tr——磨損和銹蝕剩余壽命，運行次數；

wc——臨界磨損量[10]，mm；

w0——當前磨損量，mm。

由式（2）和式（3）可得，行走輪軸的磨損和銹蝕剩余壽命為車體運行4.90×105次。同理可得其他車體重要銷軸的磨損和銹蝕剩余壽命，見表6。

表6 四環過山車車體重要銷軸磨損和銹蝕剩余壽命 運行次數

●3.2.3 重要銷軸剩余使用壽命評估

通過3.2.1和3.2.2兩節的分析，對于車體重要銷軸，除連接器軸叉是無限壽命外，其他重要銷軸都有相應的使用次數要求，剩余壽命近乎等同于其磨損和銹蝕剩余壽命。因此，車體重要銷軸可根據設備使用維護保養的條件，提出繼續使用的期限和要求。

3.3 車體剩余使用壽命評估

通過3.1 節和3.2 節分析得到了四環過山車車體重要結構件和重要銷軸的剩余使用壽命，匯總見表7。因此，四環過山車車體可根據設備使用維護保養的條件，提出繼續使用的期限，在不更換重要結構件和重要銷軸的狀態下，車體剩余使用壽命為1×105次，折算后的使用期限約為5 年8 個月。

表7 四環過山車車體主要受力部件剩余使用壽命 運行次數

4 結論

1）對四環過山車車體進行了應力測試和尺寸測量，獲取了車體剩余使用壽命評估的基礎數據；

2）對車體重要結構件進行了疲勞壽命分析、磨損和銹蝕壽命分析，得到了車體重要結構件的剩余使用壽命；

3）對車體重要銷軸進行了疲勞壽命分析、磨損和銹蝕壽命分析，得到了車體重要銷軸的剩余使用壽命；

4）在車體重要結構件和重要銷軸剩余使用壽命評估的基礎上，得到了車體的剩余使用壽命和折算后的使用期限。