离心转游乐设施桁架断裂原因研究

离心转游乐设施桁架断裂原因研究

高正翔

浙江省特种设备科学研究院浙江310000

摘要：近年来，随着科技的发展，人们对大型游乐设施提出了更高的体验要求，大型游乐设施呈现出运行速度更快、运行高度更高、结构更复杂、造型更加新颖和科技含量更高等发展趋势。针对离心转游乐设施桁架的断裂情况，加强对其原因的分析，有助于及时找到问题和对策，做好维护管理，预防相关事故的继续发生。

关键词：离心转；桁架；疲劳断裂

1游乐设施安全风险管理的总则

大型游乐设施在新工艺、新方法、新材料和新技术方面超出相关标准规定的，新标准提出了解决办法，要求设计或制造单位制定企业标准后，向全国索道与游乐设施标准化技术委员会提出申请，并提交有关技术资料，经全国索道与游乐设施标准化技术委员会组织专家评审通过后方可执行。为了给游客更惊险、刺激和新颖的体验，大型游乐设施在设计制造时，经常会采用新工艺、新方法和新材料，甚至很多技术参数都超出了现有标准的范围[1]。新标准增加的此项要求正是为了满足大型游乐设施快速发展的需要。风险评价是大型游乐设施在设计和安全评估中的重要环节。新标准增加了对风险评价的要求，目的是识别其危险源，降低风险，保障游乐设施的安全运营，而旧标准没有此项要求。

2离心转游乐设施桁架断裂分析

2.1事故概况

某游乐园离心转设施在载人运行中一侧座舱的桁架中部突然断裂，断裂桁架连同载人座舱由桁架斜拉索钢绞线悬吊半空中，所幸还有钢绞线连接，并无人员伤亡。为确定离心转游乐设施桁架断裂事故产生的原因，对断裂桁架进行鉴定分析。

2.2事故现场勘查与取样

桁架断裂发生在从大截面端起第６节桁架节上，以断裂桁架转到回转中心上方、桁架呈竖直向上状态为查看方位。西南弦杆断裂发生在第６节上部弦杆对接处小截面侧弦杆方管（壁厚较薄）母材上，西南弦杆与南面斜腹杆焊接部位呈撕裂状，可见西南弦杆方管主断口完全锈蚀、断口边缘外表面漆层有５ｍｍ～８ｍｍ宽度的陈旧性脱落，且方管断口端面有挤压变形现象，南面斜腹杆断口区可见银灰色。截取西南弦杆断口部位弦杆段，编号为１＃取样。西北弦杆断裂发生在第６节上部，弦杆对接处小截面侧弦杆方管（壁厚较薄）与西面斜腹杆焊接部位呈撕裂状，弦杆及斜腹杆断口区可见银灰色、发黑色。截取西北弦杆及西面斜腹杆断口部位弦杆与斜腹杆段，编号为２＃取样。东南弦杆断裂发生在第６节下部弦杆对接处大截面侧弦杆方管（壁厚较厚）母材上，同时南面斜腹杆与东南弦杆焊接部位发生断裂，东南弦杆上部有变形现象。截取东南弦杆及南面斜腹杆断口部位弦杆与横、竖、斜腹杆段，编号为３＃取样。第６节南面斜腹杆两端与西南、东南弦杆的焊接部位完全断裂，与桁架脱离的南面斜腹杆整体取样，编号为４＃取样。东北弦杆断裂发生在第６节下部，弦杆对接处大截面侧弦杆方管（壁厚较厚）与东面竖向腹杆焊接部位有明显撕裂现象，弦杆及竖腹杆断口区可见银灰色。截取东北弦杆及东面竖向腹杆断口部位弦杆与腹杆段，编号为５＃取样。西面斜腹杆上端、北面斜腹杆下端的焊接部位均断裂，且北面斜腹杆端头有明显扭转痕迹，此节下部东面横腹杆与东北方位弦杆焊接部位断裂。在断裂桁架南侧面、小截面端连接的座舱弯梁挂绳耳板处安装的Ｕ型螺栓连接件楔形接头的楔形套口部可见断开的钢绞线长边部分钢丝断头呈陈旧性断口。与回转盘连接的处于竖直向下的桁架南侧面、同样在Ｕ型螺栓连接件楔形接头楔形套口部可见断开的钢绞线长边部分钢丝断头呈陈旧性断口。在距断裂部位较远位置弦杆及腹杆取样，第１２节西南弦杆（薄壁）的弦杆段，编号为①＃取样。第３节南面十字形腹杆的腹杆段，编号为②＃取样。桁架采用了三种方管材料，截面尺寸分别为８０×８０×３．７０（ｍｍ）、８０×８０×４．９０（ｍｍ）、６０×４０×２．９３（ｍｍ）。

3离心转游乐设施桁架断裂原因

3.1桁架材料质量方面

断口附近弦杆与横腹杆或竖腹杆焊缝组织根部未焊透达１．９８ｍｍ～２．４８ｍｍ，并有超大夹杂、夹渣；焊缝组织过于粗大，并有根部未融合、未焊透及大型夹渣等缺陷，是变截面角焊缝所不允许的，通常是由焊接操作、控制不当，电流较高、热输入较大引起的，易造成结构变形，残余应力较大问题，直接影响结构件性能。同时，桁架中部断口附近及远离断裂部位弦杆及腹杆材料都有共同特点，即屈服强度很高、屈强比过大；但断口附近弦杆及腹杆材料延伸率过低；而远离断裂部位的弦杆及腹杆材料延伸率较高[2]。分析认为，桁架中部的结构强度、刚度相对较低，受交变应力的影响较大，管材经历长时间和反复屈服、形变，使材料性能发生变化。而远离断裂部位的结构强度、刚度相对桁架中部较高，靠近桁架端的结构件受运行工况的影响较小。

3.2桁架断裂原因

正常情况下，桁架中部南面两弦杆外表面共同承受弯曲应力，危险截面约在桁架长度的中间部位，而现实情况是西面两弦杆与东面两弦杆断裂部位相差将近整个节长，同时在北侧东、西两弦杆单个断口上也存在左、右两侧边断口高低相差较大情况，倾斜方向类同，因此认为桁架结构中存在严重的偏载问题。正是偏载的作用放大了西南弦杆作用应力，加之西南弦杆在第６节上部变截面部位壁厚由厚变薄，相对承受能力减弱，且此处又是斜支撑腹杆一边焊缝连接面，可起到应力提升源作用，在几种因素的联合作用下，一旦运行中作用应力超过方管材料的强度极限，必将产生疲劳裂纹，随后在交变弯曲应力作用下疲劳扩展，直至断裂[3]。西南弦杆断裂后很长时间也未被发现，使得带伤运行的桁架结构受力状态发生变化，各支撑腹杆及其他三根弦杆都增加了运行过程的作用应力，包括不断变化的拉压应力、弯曲应力以及剪切应力等，在各结构部位焊缝变截面应力提升源作用下，桁架第６节结构件无法承受运行过程中作用应力，造成快速剪切撕裂，导致桁架中部突然发生断裂事故。起一定平衡、辅助稳定作用的桁架斜拉索钢绞线虽有部分钢丝有陈旧性断头，但仍起到一定安全作用。造成桁架结构存在严重偏载的原因包括：设备运行工况中桁架及其自由端部载荷使桁架承受较大交变偏载载荷、桁架结构存在焊接缺陷、连接的座舱及弯梁连接角度等问题。桁架断裂发生在第６桁架节上，且薄厚弦杆对接变截面部位以上较薄弦杆为首断件，首断件断裂位置几乎是桁架中间部位[4]。桁架中部强度、刚度相对较低且受交变应力的影响较大。而桁架部件图、制造加工工艺附图中薄厚弦杆对接变截面部位都位于桁架中间部位，薄厚弦杆对接过渡至小截面的制作对断裂也起到决定性作用。桁架存在结构缺陷。

总之，断裂发生在桁架中部第６节内，在交变载荷下西南弦杆薄壁侧首先发生弯曲疲劳断裂，造成桁架结构受力状态改变、作用应力增加，致使其他结构件部分疲劳开裂，导致发生桁架断裂事故。加上维护不当，首断件西南弦杆断口挤压变形、严重锈蚀，断裂时间较长；断裂后未能及时发现，导致桁架长时间带伤服役。因此，需要重视安全设计施工与管理。

结论：

游乐设施的设计应遵循安全第一的原则，设计者需要将游乐设施各个环节中的风险排除在外，设计产品的任何指标都应绝对服从安全指标的要求，游乐设施的设计不允许存在任何涉及人身安全方面的不确定性。离心转游乐设施桁架的断裂给了人们警示，希望今后不管是设计施工还是管理中，都需要重视安全问题。

参考文献：

[1]陈汝峰，陈松涛.游乐机械设施电气控制要注意的若干问题[J].现代工业经济和信息化，2018，8（15）：115-116.

[2]刘永安，马俊军，李栓栓，程海芳，魏法山.充气式游乐设施存在的问题及监管建议[J].轻工标准与质量，2018（05）：33-34.

[3].大型游乐设施乘客束缚装置安全隐患专项排查治理启动[J].中国质量技术监督，2018（09）：5.

[4]李民.浅谈风险管理在大型游乐设施运营管理中的应用[J].山东工业技术，2018（20）：240.