搖頭飛椅安全擋桿失效分析

胡文綢 黃荔生 盧咸定 汪有韜

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院 南昌 330096）

大型游樂設施作為法定監管的機電類特種設備，主要利用不同速度及高度的變化給游客帶來感官上的刺激體驗。截止到2021年底，全國大型游樂設施共計2.52 萬臺（套）[1]。而2014年以來，27 起大型游樂設施事故中，就有17 起事故與乘客束縛裝置有關，占一半以上[2]。搖頭飛椅安全擋桿作為飛椅類設備主要乘客束縛裝置，在運行中起到阻擋乘客脫離座椅的作用。如果安全擋桿失效，則有可能在運行過程中乘客無法固定而飛出座椅造成人身傷害。因此針對擋桿失效的分析研究對于現場檢驗檢測以及廠家的設計制造具有一定參考作用。

1 設備基本情況介紹

1.1 搖頭飛椅

搖頭飛椅屬于大型游樂設施飛行塔類中的旋轉飛椅系列，其主要運動形式為乘人裝置繞垂直軸一邊升降一邊旋轉。乘人部分采用環鏈或鋼絲繩吊掛，多為單人座椅或雙人座椅。傘蓋頂升后傾斜偏轉，在飛椅傘蓋的桁架上焊有吊耳，座艙通過由吊桿、鋼絲繩、橫桿和吊掛軸等組成的座椅懸掛裝置吊掛在吊耳上[3]。當頂部飛椅傘蓋旋轉時，它會通過座椅懸掛裝置帶動著座椅一起旋轉。本案例中搖頭飛椅由某游樂設施公司于2017年8月制造，運行最大速度為5.6 m/s，運行高度為4.5 m，總計36 個座椅。設備及基礎結構圖見圖1。

圖1 搖頭飛椅設備及基本結構圖

1.2 安全擋桿

安全擋桿通過左右2個圓環套在2根吊掛鏈條上，同時擋桿橫梁中間有吊耳與座椅下部鏈條上的防脫鉤相連接。安全擋桿攔擋在乘客腰部位置，以此限制運行過程中乘客的活動范圍，見圖2。

圖2 安全壓桿圖

此臺設備中的安全擋桿不能逐級調節，只存在打開和鎖緊兩檔，每個吊椅配備1 個擋桿。擋桿的作用一部分是當作把手，另一部分是和鏈條一塊起到一定的束縛作用。擋桿安全防護等級較低，用在運行相對平緩的設備上，同時一般配合安全帶使用。擋桿和安全帶配合時候，一般作為二次保護，安全擋桿一般不獨立作為束縛裝置。

雖然安全擋桿運用于加速度較低的設備上，但是作為乘客束縛裝置對于乘客的安全具有重大保護作用。由圖2 可知安全帶為攔腰式，如果未配置安全擋桿或得安全擋桿失效，乘客在旋轉運行過程中暈倒或得失能，則乘客存在整個身體從安全帶下方滑出而甩出的風險。而安全擋桿配合鎖緊鏈條形式組合成類似攔腰兜襠式安全帶，能夠有效避免此類危險現象的發生。

2 安全擋桿缺陷及處置

在對搖頭飛椅進行定期檢驗的過程中發現設備安全擋桿端部圓環全部存在開裂現象。并詢問使用單位得知是在使用過程中陸續出現開裂，此問題已存在一段時間。采用目測對安全擋桿進行全面觀察，材料為304#不銹鋼，運用滲透檢測方法對安全擋桿整體進行無損檢測，除斷裂處外未發現其他地方存在裂紋。

所有36 座安全壓桿圓環存在失效，失效位置大部分分布于圓環頭部或得側面，而在彎接焊縫完好，見圖3。根據《游樂設施監督檢驗規程(試行)》（國質檢鍋〔2002〕124 號）中6.7 條規定，安全擋桿存在失效，判定安全擋桿不符合要求。

圖3 擋桿圓環失效圖

3 擋桿失效原因分析

3.1 擋桿制造及其受力分析

擋桿圓環采用沖壓工藝制成，通過彎曲將型材在彎矩的作用下彎成一定的曲率和角度。因此在工件的外表面產生拉伸（抗拉伸長），而在工件的內表面產生壓縮，越靠近內、外表面則所受到的應力和應變也越大[4]。彎曲過程中截面的應力-應變情況如圖4所示。

圖4 彎曲截面應力-應變圖

這一工藝的特點是在外表面施以張拉（拉伸）而在內表面施以壓縮，對于給定的厚度t，拉伸和壓縮應變隨成形半徑r的減小（即隨r/t比的減小）而增加。為使零件保持形狀，r/t比必須小到足以使大部分橫斷面成塑性流動狀態。正如在彈性彎曲中那樣，僅有一條（中性線）保持其原始長度。當彎曲相當平緩的半徑時，中性線在中心，當繞小的半徑彎曲時，中性線向壓縮邊移動，中心線伸長，體積常量通過將型材減薄保持[5]。

而最小彎曲半徑是指：在保證毛坯彎曲時外表面不發生開裂和產生缺陷的條件下，彎曲件內外表面能夠彎成的最小圓角半徑與坯料厚度的比值，用rmin/t表示。該值越小型材的彎曲性能也越好。當型材厚度較小時，切向應變梯度大，從外表面到變形中性層其數值很快由最大值衰減為零。較大的應變梯度能起到阻止外表面金屬產生局部不穩定塑性變形的作用，因此可以獲得較大的變形和采用較小的最小彎曲半徑。

3.2 擋桿最小彎曲半徑計算

型材在彎曲過程中，變形區外表面切向應變εθ見式（1）[5-6]：

式中：

ρ0——彎曲中性層；

r——成形半徑；

t——材料厚度。

當相對彎曲半徑為最小值rmin/t時，則滿足式（2）：

式中：

εθ，max——最外層纖維的切向應變最大值。

因此，外層邊緣的切向應變達到最大值時的最小相對彎曲半徑，可按式（2）計算。

最小相對彎曲半徑rmin/t，用材料的斷面收縮率ψ計算，見式（3）：

因為切向應變εθ=t/(2ρ0)，ρ0=r+t/2，將εθ和ρ0值代入式（3），整理后可得式（4）：

由式（4）可知，當彎曲時的斷面收縮率ψ值達到最大值ψmax時，相對彎曲半徑r/t可以降至最小值rmin/t，見式（5）：

式（5）中ψmax和εθ，max值，均可由材料單向拉伸試驗得出。查詢可知304 不銹鋼材料的ψmax值≥60%，εθ，max值為40%～60%。將查詢數值ψmax和εθ，max代入式（5）中計算出來的彎曲半徑最小值為0.33～0.75。但是實踐結果表明，彎曲處許可的切向應變最大值εθ，max，比單向拉伸的試驗值εθ，max大得多，所以按式（2）和式（5）計算出來的rmin/t與實際試驗數據相比誤差較大，其原因是實際生產中的最小相對彎曲半徑除與材料機械性能有關以外，還與零件的彎曲角、型材的纖維方向、表面質量等有關[6]。

3.3 失效分析

擋桿材質為304#不銹鋼，原擋桿內圈直徑為76 mm，外圈直徑為96 mm，圓環直徑為10 mm，彎曲半徑為3.8，如圖5（b）所示。新工藝更改后內圈直徑為84 mm，圓環直徑為6 mm，彎曲半徑為7，如圖5（a）所示。兩圓環的彎曲半徑都遠遠大于計算值，雖然數值存在較大差異，但是同樣可以作為理論研究和生產實際的參考。改進后的擋桿圓環在使用單位實際使用1年后定期檢驗中沒有發現任何缺陷，同時咨詢廠家更改加工工藝后未收到斷裂相關的反饋。通過上述計算可知彎曲半徑最小值為0.33～0.75，而考慮實際試驗數據增加10 倍安全系數為3.3～7.5，而實際3.3 左右存在彎曲斷裂，增加安全系數到20，最小彎曲半徑為6.6～15。因此彎曲半徑大于6.6 是比較安全的，更換后的圓環彎曲半徑為7。

圖5 擋桿圓環尺寸圖

從失效面的剖面圖來看，斷面非常平整，同時擋桿圓環也不存在任何形變現象，基本可以判定為脆性失效。分析為游客在乘坐結束后解開擋桿，擋桿自由下落不斷撞擊座椅兩邊的扶手，而由于圓環在制造過程中就存在缺陷，雖然不會立即體現出宏觀缺陷，但是缺陷通過撞擊持續拓展發生失效。圓環內存在的缺陷正是由于在彎曲過程中彎曲半徑較小所造成的。通過增大擋桿圓環內圈的直徑來增大彎曲半徑，橫梁采用空心管，大大降低安全擋桿的整體質量，減少降落產生的撞擊力。通過這些措施后在使用過程中并未產生新的失效。

4 結束語

綜上所述，大型游樂設施主要安全保護裝置在設計之初就必須考慮材料拉伸、彎曲強度、最小彎曲半徑等材料參數的影響。可通過設計計算或得相關的有限元分析對材料進行受力分析，避免設計帶來的材料缺陷問題。從而防止在使用過程中由于材料缺陷造成安全保護裝置失效，以及由此引發的特種設備安全事故。生產廠家在設計時需要考慮安全擋桿最小彎曲半徑的計算，還需要通過實際試驗分析找到合適的加工參數，改進彎曲制造工藝并增加相應的安全系數，得到滿足設計和使用要求的彎曲半徑數值。