过山车中未预紧螺纹连接轴的安全隐患及预防措施

李加申 朱 丹

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

过山车中未预紧螺纹连接轴的安全隐患及预防措施

李加申 朱 丹

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

由于过山车自身的运行特点，部分可能产生相对运动螺纹连接轴，在其连接面无法施加足够预紧力或无预紧时螺母仅作为挡板使用。因此此类部位的螺纹第一圈螺纹处容易在交变应力的作用下发生断裂。本文通过类似结构的失效案例，分析此类螺纹连接轴的失效模式，并提出针对此类结构连接轴的设计加工要求及检验检测时的注意事项。

预紧力不足 磨损 疲劳断裂 锥形车轴 游乐设施

1 研究背景

一般来说应用于过山车当中的螺纹连接轴，除了考虑螺纹材料及尺寸外，预紧力的大小也是影响螺纹疲劳强度的重要因素。如图1所示，经相关研究机关证明当预紧力在螺栓抗拉强度的40%以下时螺栓会容易发生疲劳断裂。

图1 M12螺栓（10.9级）随预紧力变化疲劳试验的结果［1］

过山车当中的轮轴、提升止逆轴等采取静连接的螺纹连接轴，由于其连接面不发生相对运动所以设计上可以保证螺纹充分预紧。但如图2所示的过山车车辆连接器轴、立轴、半轴以及部分采用独立式轮架的轮架轴，当其连接面采用螺纹连接轴结构时，由于连接面为动连接结构，所以该处螺母不能进行充分预紧。

图2 无法充分预紧螺纹连接轴

若设计考虑不周及后期使用管理不当，则可能发生螺纹连接轴第一圈螺纹处在交变应力的作用下发生疲劳断裂。

2 类似结构的失效模式分析

2.1 大阪过山车事故脱落的轮架结构与断裂位置

2007年日本大阪世博园发生了一起由于车辆疲劳断裂导致多人受伤的事故，事故车辆脱落的轮架结构与断裂位置如图3所示。为保证车辆在通过起伏转折的轨道时，轮架可以以轮架轴为轴心做类似于单摆的运动，车轮架内的两侧分别设置了两个滚动轴承。如果将此处螺母彻底拧死的话，车轮架中的两个轴承当中的一个必然会承受很大的轴向压力，这会导致轴承内滚珠受压，如果压力超过轴承使用规定设计值的话，会影响轴承的转动从而导致车辆卡死。因此必须保证螺母与车辆有效连接但同时又不能拧的过紧，所以设计者在此使用开口销进行防松。

图3 轮架结构及断裂处位置［2］

本次事故的公开资料显示，断裂车轴的断裂截面位置及断面破口形状如图4所示，断裂面整体平断裂发生在固定螺母的固定面第一螺纹处。

图4 半轴断裂处与断裂面［2］

根据事后的分析表明：造成此次事故的原因是设计要求不明确导致安装时螺母预紧力不足，以及轴孔磨损使原来应由轴孔承受的力传导至螺母固定处，在交变应力的作用下，该处螺纹产生疲劳裂纹，裂纹逐步扩展后达到临界值后突然断裂。事故后对同设备的另一台过山车也进行了拆卸检查，也发现同样的目视可见的裂纹缺陷，也就是说另一台设备也处于随时可能发生事故的状态。

2.2 发生疲劳断裂的原因

一般来说过山车的车架轴所受到的作用力，主要是左右方向加速度引起的水平方向的拉应力，与由车辆自重及向心力叠加所产生的垂直方向的压力，其中垂直方向的压力更大是影响强度的主要因素。从设计角度进行分析如果车轴仅是受垂直方向的压力而导致断裂的话，车轴本应该从与车架连接端面开始断裂才对。因为从力学角度分析如果把车轴做杠杆来看的话，车轴中央部分应该是相当于杠杆弯曲的支点，此处所受弯曲应力最大。

根据图5所示，如果在螺母充分预紧的情况下半轴与车架可视为一体，此时断面A为受力最大处，其设计安全系数是符合要求的。

图5 轮架结构示意图

但是如果在固定螺栓未充分预紧的情况下，轮架轴的受力情况就会发生很大的变化。尤其在车辆转弯时左右方向的向心力所引起的轴向反复交变应力，对螺母的第一螺纹谷处的影响非常的大，这是由于此处是螺栓连接结构当中最容易承受载荷及发生应力集中的位置。据相关研究结构的试验表明，如果螺母未充分预紧时第一螺纹谷底所承受的应力会达到正常应力集中系数的3～5倍。

此外轮架轴所采用的锥形轴结构（如图6所示），也是加剧产生螺母松动的原因。这种结构的轴采用高压将轴分别压入车桥及车轮架的轴孔，轴与轴孔之间的配合很紧密，好处是锥形轴的中央最粗部分可承受最大载荷。但据该设备的维护保养人员的证词，在使用了5～6年左右后轴与轴孔的配合处开始发生磨损。虽然采用了螺纹胶对该处磨损进行了处理，但可能这时候原本应该由轴孔承受的载荷已经转移到螺母处了。此处产生磨损的主要原因是轴与车桥架的轴孔属于刚性连接，未设置可以释放冲击力的阻尼机构所以导致了轴孔内发生了磨损。并且由于该处轴孔也属于锥形结构，所以日常检验当中不易准确测量磨损量，从而未引起使用方的注意。

图6 锥形轴产生间隙的位置示意图

发生螺母松动及锥轴产生间隙前后的受力情况如图7所示。充分预紧的情况下螺母只承受与连接面间的预紧力，但在螺母未充分预紧及由于间隙的原因导致轮架所受的水平与垂直方向叠加的交变应力传递到螺母固定处后，受力情况则变为如图7（b）所示的样子。

此时，轴的受力状况发生了改变。根据经验，螺栓在承受交变载荷时，即使载荷的大小处于弹性范围之内也会产生疲劳断裂。此外由于该过山车轨道总长930余米且运行轨道上也存在多处急转突降处，加上轨道间距也不可能完全一致（从车轮的磨损痕迹可以看出），所以车辆运行过程中理论上会存在若干超标的瞬时应力值。

此时，轴的受力状况发生了改变。根据经验，螺栓在承受交变载荷时，即使载荷的大小处于弹性范围之内也会产生疲劳断裂。此外由于该过山车轨道总长930余米且运行轨道上也存在多处急转突降处，加上轨道间距也不可能完全一致（从车轮的磨损痕迹可以看出），所以车辆运行过程中理论上会存在若干超标的瞬时应力值。

2.3 未能及时发现裂纹的人为原因

图7 螺母固定面承受应力分析

由于金属疲劳裂纹的发展是一个缓慢的过程，如果在日常的点检维修过程中及时发现该问题，那么惨剧本来是可以避免的。但是当时日本关于游乐设施的检验要求是基于JIS A 1701标准进行的，车轮轴每年进行100%的无损检验不被强制要求。使用单位自1992年以来15年间从未进行过车轮轴的更换，且未按照JIS A 1701的要求进行探伤检验，仅采取目视、敲击等检查方法，所以没有及时发现问题。事故后日本相关机构重新修订了检验要求，以政令的型式规定了过山车的轴类部件必须每年进行100%的无损检验。

由此可以明确结构设计欠缺、使用疏忽及监管方法不明确等方面的一系列因素的叠加才是导致日本大阪过山车事故发生的根源。

3 预防措施

为避免此类事故的发生，我们可在以下几个环节加以控制。

3.1 设计阶段

在螺纹连接轴的设计上尽量不使用在失效后可能引起重大事故的单一失效点。如目前国内外大多过山车的半轴主要采取穿轴固定并设置阻尼装置缓冲的方法，这样可以有效避免类似大阪过山车事故的发生。在采用此类连接方式的部位计算时应考虑螺纹预紧力，保证螺纹连接处的强度符合要求，并在设计阶段采取减小应力集中的措施。此外需要提高加工精度、完善加工工艺与严格的出厂检验制度。并在使用说明书中对安装工艺及自检方法进行重点标注。

3.2 使用阶段

由于此类连接轴的失效模式一般为疲劳断裂，所以从产生裂纹到失效有一定的时限，若使用阶段可以及时发现问题也可以有效避免问题发生。自检过程中如果需要对设备进行重新拆装时，拆装过程也应该严格控制安装质量，避免拆装过程的安装误差带来安全隐患。

3.3 检验阶段

对设备进行检验的相关人员也需要了解设计单位已经采取的相关安全对策是否正确。进行法定年度检验时需要对此类部位进行重点检测，进行磨损量测量以及螺纹根部的磁粉探伤。表面磁粉探伤被证明是发现此类疲劳裂纹的有效方法。

4总结

我国目前设计使用的过山车当中，虽然没有与大阪事故车辆采用相同轮架结构的过山车，但是类似结构的带螺纹连接轴在过山车的连接器及大型游乐设备中的应用则比较多见。2011年赣州宝葫芦农庄的一辆三环过山车，也发生过类似的连接器轴固定螺母第一螺纹处由于金属疲劳导致断裂的事故，事故直接原因是轴套受到挤压产生变形后，交变应力传导至锁母固定螺纹处引起疲劳断裂。希望本文能对游乐设施相关结构的设计、维护、检验起到一定的参考作用。

［1］ 游乐设施技术基准委员会.游乐设施技术基准的解说［M］.日本东京：日本建筑设备升降机中心，2010：146图1.5.45.

［2］ 田吉昭，村洋太郎.村造工学研究所，失败知识数据库事例，IDCZ0200802［DB/OL］.［2013-12-18］.http：//www.sozogaku. com/fkd/cf/CZ0200802.html.

［3］ 王银兰，等.大型游乐设施风险评估方法［J］. 中国特种设备安全，2014，30（4）：58-62.

［4］ 熊际武，等.一起大型游乐设施的事故分析［J］. 中国特种设备安全，2010，26（2）：59.

Risk and Precaution of Un-preloaded Threaded Connecting Shaft Used in Roller Coaster

Li Jiashen Zhu Dan
（China Special Equipment Inspection Institute Beijing 100029）

Because the operation characteristics of the coaster may cause the motion threaded connecting shaft， the nut only used as a damper without the preload or unable to exert enough preload. So the fi rst lap for such parts of thread will easily break under the action of alternating stress. This article based on the failure cases of similar structures， analysis of the failure mode for this kind of thread connecting， summarizes the matters needing attention for this kind of structure connecting shaft in the design and inspection.

Hreaded-shaft Shortfall preload Abrasion Fatigue fracture Loop coaster

X941

B

1673-257X（2015）03-55-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.03.014

李加申（1980～），男，硕士，工程师，从事大型游乐设施安全工作。

2014-12-12）