摇头飞椅挠性吊挂件的安全可靠性比对分析

文/张宇光 姚 俊 蔡 昶

摇头飞椅是飞行塔类游乐设施的典型产品，就像一把大伞，伞盖下边吊有很多漂亮、精致的吊椅。设备运行时，“大伞”一边旋转一边升降，而且伴随着倾斜，带动座椅在空中如波浪般起伏、旋转，乘客犹如在空中飞翔，非常刺激。

摇头飞椅顶部伞盖一般采用圆形饼状桁架结构，在桁架上一般焊有吊耳，座舱通过座椅悬挂装置吊挂在吊耳上。设备在运行过程中，一旦座椅悬挂装置发生故障，座舱就会失稳，甚至可能会将乘客从座舱中甩出，造成严重的事故。因此，座椅悬挂装置是否完好是摇头飞椅能否安全运行的关键，而挠性吊挂件正是座椅悬挂装置的重要组成部分，直接关系到乘客的生命安全，是游乐设施生产单位和运营使用单位在设计、制造和维护保养过程中需要重点关注的部位。

一、座椅悬挂装置和挠性吊挂件

1. 座椅悬挂装置

座椅悬挂装置主要由吊挂轴、吊杆、横杆和挠性吊挂件等组成。座椅通常由挠性吊挂件吊挂连接，挠性吊挂件的另一端则与摇头飞椅顶部伞盖桁架上的吊耳通过吊挂轴、平衡杆、吊挂杆等零部件连接（见图1），并设有冗余保护。

图1 座椅悬挂装置示意图

2. 挠性吊挂件

挠性吊挂件是摇头飞椅座椅悬挂装置的重要组成部分，其是否完好是确保座椅悬挂装置完好、保障设备安全运行的关键。挠性吊挂件的安全可靠性主要与其材料、规格、型号、连接方式、防护措施和维护保养等因素有关。目前，挠性吊挂件的常用圆环链或钢丝绳，连接方式一般采用4 条圆环链或钢丝绳，通过摇头飞椅座椅钢结构上相应位置的4根吊挂销轴（或螺栓）实现吊挂连接，并另设有4 条圆环链或钢丝绳作为挠性吊挂件的冗余保护。

二、挠性吊挂件安全可靠性比对和相关建议

1. 圆环链与钢丝绳简介

圆环链的制造过程通常是先检测原材料质量，在质量合格的情况下，将原材料切料制成规定长度的圆棒料，然后把圆棒料弯曲成环的形状并焊接成链环。将焊好的链条拉伸至一定长度，经过热处理，以提高其试验负荷延伸率、破断负荷和破断延伸率等性能值，然后进行强化拉伸，并做防锈措施[1]。圆环链的几何尺寸主要有链环直边直径（d）、节距（p）、内宽（a）、外宽 （b）等。

在圆环链疲劳拉伸试验中，链环一般先是从焊接位置断裂，在拉力作用下链环产生塑性变形，继续被拉伸，直到链环另外一侧也断裂[2]。

钢丝绳是将力学性能和几何尺寸符合要求的钢丝按照一定的规则捻制在一起的螺旋状钢丝束，钢丝绳由钢丝、绳芯和润滑脂组成。根据捻绕次数，钢丝绳可分为单捻钢丝绳和双捻钢丝绳。单捻钢丝绳由若干断面相同或不同的钢丝一次捻制而成。单捻钢丝绳可作为双捻钢丝绳的元件，又称“股”。双捻钢丝绳挠性好，具有制造简单、成本较低的特点，是摇头飞椅挠性吊挂件的常用材料。根据股中相邻两层钢丝的接触状态，钢丝绳可分为点接触钢丝绳、线接触钢丝绳、面接触钢丝绳。

2. 基本承载能力

圆环链和钢丝绳的破断拉力主要与其规格、型号有关，即使是相同规格的圆环链和钢丝绳，破断拉力也会因型号不同而有所差异。圆环链和钢丝绳制造单位会根据相应标准，如《重要用途钢丝绳》（GB 8918-2006）制造圆环链和钢丝绳，实测圆环链和钢丝绳的破断拉力，并将破断拉力作为产品的性能指标列入产品质量证明书中。笔者在一些圆环链和钢丝绳的产品质量证明书里发现，公称直径为4 mm～6 mm的钢丝绳和链环直边直径为6 mm的圆环链，它们的破断拉力一般都在11 000 N以上。

当摇头飞椅在静止状态下时，每根挠性吊挂件受到的拉力F=（m1+m2）g/4cosα（m1为座椅质量，一般不会超过50 kg，m1取50 kg；m2为乘客质量），无偏载时估算结果为311 N。

按照《大型游乐设施安全规范》（GB 8408-2018）第6.1.2.2条的规定（乘坐成人1～2人时，乘客质量按≥750 N/人计算；乘坐成人2人以上时，乘客质量按≥700 N/人计算）。其中，m2取75 kg；g为重力加速度，取9.8 m/s2；α为挠性吊挂件与垂线的夹角，接近0°，为保险起见，α取10°（一般情况下α＜10°）。

若生产厂家使用的挠性吊挂件破断拉力为 11 000 N，在设备静止状态下，每根挠性吊挂件的破断拉力至少为其所受拉力的35（11 000/311）倍。本文再以某36座摇头飞椅为工程背景，利用数学计算软件MATLAB对运行参数进行求解，在设备运行过程中，座椅受到的最大载荷F= 1 604 N[3]。若生产厂家使用的挠性吊挂件破断拉力为11 000 N，在设备运行过程中，每根挠性吊挂件的破断拉力至少为座椅所受最大载荷的6.8（11 000/1 604）倍。

此外，游乐设施生产单位还可以根据挠性吊挂件受力的设计计算结果，选择更大规格或更高强度型号的圆环链或钢丝绳，这样挠性吊挂件会有更大的破断拉力和更高的安全系数。因此，从基本承载能力分析，圆环链和钢丝绳都能满足设备安全运行的要求。

3. 抗挤压、碰撞的能力

摇头飞椅在运行过程中，座椅在座椅悬挂装置的带动下边旋转边升降，运动状态集旋转、升降和变倾角等多种形式于一体，非常复杂。此外，由于受到乘客拉动挠性吊挂件等行为的影响，在设备运行过程中，挠性吊挂件之间、挠性吊挂件与座椅钢结构框架之间必然会发生挤压、碰撞等现象。由于圆环链具有耐磨、耐疲劳和抗挤压等特点，设备在运行过程中的挤压和碰撞一般不会对圆环链造成严重损伤，可能会造成圆环链的局部磨损。维护保养人员需要定期检查（必要时测量）圆环链的磨损程度，若磨损量超过设备使用维护说明书中的相关要求则应及时更换。钢丝绳具有强度高、弹性大和韧性好等特点，但在侧面抗挤压、碰撞的能力上不如圆环链。设备在运行过程中的挤压、碰撞容易使钢丝绳侧面出现磨损和断丝等损伤情况。在钢丝绳反复受到挤压、碰撞的过程中，磨损、断丝等缺陷会日趋严重，给设备的安全运行带来隐患。笔者在对摇头飞椅的定期检查中，已多次发现作为主吊挂作用的圆环链并没有损坏，而作为吊挂冗余保护的钢丝绳存在较为严重的磨损、断丝等情况，需要立即更换。为了提高钢丝绳侧面抗挤压、碰撞的能力，笔者建议游乐设施生产单位可采取相应措施保护钢丝绳的侧面，比如可以采用涂塑钢丝绳。

4. 座椅吊挂处受力

挠性吊挂件在座椅吊挂处受力状况不佳，该处是挠性吊挂件容易损坏失效的地方，需要重点关注。

对于在座椅吊挂处的圆环链，笔者发现许多游乐设施生产单位将其直接套在座椅吊挂销轴（或螺栓）上（见图2）。由于圆环链的内宽a较小，摇头飞椅在运行过程中，圆环链内侧会与座椅吊挂销轴（或螺栓）之间产生较大磨损，该处就成为圆环链的薄弱点。本文建议游乐设施生产单位是否能够通过增设卸扣等连接器材连接圆环链与座椅吊挂销轴（或螺栓）的方式，以减少圆环链与座椅吊挂销轴（或螺栓）之间的磨损。

图2 圆环链在座椅吊挂处

对于在座椅吊挂处的钢丝绳，由于该处钢丝绳弯曲的曲率半径较小，会产生额外的弯曲应力，钢丝绳容易出现磨损、局部弯折、笼形畸变等情况。游乐设施生产单位一般采用将钢丝绳索具套环套在座椅吊挂销轴（或螺栓）上的方式（见图3），以防钢丝绳过度弯曲和磨损。游乐设施生产单位应选择质量较好的钢丝绳，如优先选择线接触钢丝绳，这种钢丝绳外层钢丝位于内层钢丝的沟槽中，内外钢丝的接触形成一个螺旋形。相比点接触钢丝绳，线接触钢丝绳之间接触应力小、磨损小，钢丝绳寿命长。钢丝绳在座椅吊挂处不可避免地存在额外的弯曲应力，因而钢丝绳在该处磨损、疲劳损伤加快，使用寿命缩短，这仍是运营使用单位在维护保养过程中需要重点检查的部位。

图3 钢丝绳在座椅吊挂处

5. 防锈能力

圆环链和钢丝绳都能采取相应措施提高其防锈能力。在材质上，圆环链和钢丝绳都能选用不锈钢材质提高其防锈能力，使其具有较好的防锈效果。在制造工艺上，圆环链和钢丝绳都能采用镀锌等方式起到防锈作用。

由于在设备使用过程中，钢丝绳的绳股之间会发生摩擦、挤压，容易破坏钢丝绳表面的镀锌层，使镀锌钢丝绳防锈能力下降，而镀锌圆环链在设备使用过程中，其表面的镀锌层不容易被破坏。因此，在一般情况下，镀锌圆环链比镀锌钢丝绳具有更好的防锈效果。

此外，根据圆环链和钢丝绳不同的结构特点，其防锈能力也有各自需要注意的薄弱环节。对于钢丝绳，由于其绳芯能存油，具有自润滑能力并能提高钢丝绳内部的防锈能力。在钢丝绳曲率半径较小的弯曲处（如图3所示座椅吊挂处），钢丝绳受弯曲挤压，使该处绳芯存油量减少，故防锈能力减弱。而在设备使用过程中，座椅吊挂处又往往容易积水，故该处是钢丝绳容易出现锈蚀的部位，运营使用单位在维护保养过程中需对该部位进行重点检查。对于圆环链，若链环焊接位置处理不佳，容易发生锈蚀；若采用连续闪光对焊的方式焊接，焊后进行深冷处理，其焊缝组织性能会比采用常规热处理有明显提高，且不容易发生锈蚀。

三、结 语

游乐设施生产单位在设计摇头飞椅挠性吊挂件时，应根据圆环链和钢丝绳的不同特性，结合设备的运行方式，选择相适应的规格、型号，在摇头飞椅座椅之间采用更为合理的连接方式，并采取相应的保护措施，提高挠性吊挂件使用中的安全可靠性，保障设备安全运行。对于使用过程中在座椅吊挂处等挠性吊挂件容易出现缺陷的地方，运营使用单位应严格按照使用维护说明书的要求，重点做好检查、维护保养等工作。

总体而言，圆环链和钢丝绳作为挠性吊挂件时都能满足摇头飞椅安全运行的要求，不过笔者认为，因为圆环链具有更好的耐磨、抗挤压能力和在座椅吊挂处具有更好的受力条件（不会产生额外的弯曲应力），所以建议游乐设施生产单位优先选择圆环链作为摇头飞椅的挠性吊挂件。