摇头飞椅安全挡杆失效分析

胡文绸 黄荔生 卢咸定 汪有韬

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院 南昌 330096）

大型游乐设施作为法定监管的机电类特种设备，主要利用不同速度及高度的变化给游客带来感官上的刺激体验。截止到2021年底，全国大型游乐设施共计2.52 万台（套）[1]。而2014年以来，27 起大型游乐设施事故中，就有17 起事故与乘客束缚装置有关，占一半以上[2]。摇头飞椅安全挡杆作为飞椅类设备主要乘客束缚装置，在运行中起到阻挡乘客脱离座椅的作用。如果安全挡杆失效，则有可能在运行过程中乘客无法固定而飞出座椅造成人身伤害。因此针对挡杆失效的分析研究对于现场检验检测以及厂家的设计制造具有一定参考作用。

1 设备基本情况介绍

1.1 摇头飞椅

摇头飞椅属于大型游乐设施飞行塔类中的旋转飞椅系列，其主要运动形式为乘人装置绕垂直轴一边升降一边旋转。乘人部分采用环链或钢丝绳吊挂，多为单人座椅或双人座椅。伞盖顶升后倾斜偏转，在飞椅伞盖的桁架上焊有吊耳，座舱通过由吊杆、钢丝绳、横杆和吊挂轴等组成的座椅悬挂装置吊挂在吊耳上[3]。当顶部飞椅伞盖旋转时，它会通过座椅悬挂装置带动着座椅一起旋转。本案例中摇头飞椅由某游乐设施公司于2017年8月制造，运行最大速度为5.6 m/s，运行高度为4.5 m，总计36 个座椅。设备及基础结构图见图1。

图1 摇头飞椅设备及基本结构图

1.2 安全挡杆

安全挡杆通过左右2个圆环套在2根吊挂链条上，同时挡杆横梁中间有吊耳与座椅下部链条上的防脱钩相连接。安全挡杆拦挡在乘客腰部位置，以此限制运行过程中乘客的活动范围，见图2。

图2 安全压杆图

此台设备中的安全挡杆不能逐级调节，只存在打开和锁紧两档，每个吊椅配备1 个挡杆。挡杆的作用一部分是当作把手，另一部分是和链条一块起到一定的束缚作用。挡杆安全防护等级较低，用在运行相对平缓的设备上，同时一般配合安全带使用。挡杆和安全带配合时候，一般作为二次保护，安全挡杆一般不独立作为束缚装置。

虽然安全挡杆运用于加速度较低的设备上，但是作为乘客束缚装置对于乘客的安全具有重大保护作用。由图2 可知安全带为拦腰式，如果未配置安全挡杆或得安全挡杆失效，乘客在旋转运行过程中晕倒或得失能，则乘客存在整个身体从安全带下方滑出而甩出的风险。而安全挡杆配合锁紧链条形式组合成类似拦腰兜裆式安全带，能够有效避免此类危险现象的发生。

2 安全挡杆缺陷及处置

在对摇头飞椅进行定期检验的过程中发现设备安全挡杆端部圆环全部存在开裂现象。并询问使用单位得知是在使用过程中陆续出现开裂，此问题已存在一段时间。采用目测对安全挡杆进行全面观察，材料为304#不锈钢，运用渗透检测方法对安全挡杆整体进行无损检测，除断裂处外未发现其他地方存在裂纹。

所有36 座安全压杆圆环存在失效，失效位置大部分分布于圆环头部或得侧面，而在弯接焊缝完好，见图3。根据《游乐设施监督检验规程(试行)》（国质检锅〔2002〕124 号）中6.7 条规定，安全挡杆存在失效，判定安全挡杆不符合要求。

图3 挡杆圆环失效图

3 挡杆失效原因分析

3.1 挡杆制造及其受力分析

挡杆圆环采用冲压工艺制成，通过弯曲将型材在弯矩的作用下弯成一定的曲率和角度。因此在工件的外表面产生拉伸（抗拉伸长），而在工件的内表面产生压缩，越靠近内、外表面则所受到的应力和应变也越大[4]。弯曲过程中截面的应力-应变情况如图4所示。

图4 弯曲截面应力-应变图

这一工艺的特点是在外表面施以张拉（拉伸）而在内表面施以压缩，对于给定的厚度t，拉伸和压缩应变随成形半径r的减小（即随r/t比的减小）而增加。为使零件保持形状，r/t比必须小到足以使大部分横断面成塑性流动状态。正如在弹性弯曲中那样，仅有一条（中性线）保持其原始长度。当弯曲相当平缓的半径时，中性线在中心，当绕小的半径弯曲时，中性线向压缩边移动，中心线伸长，体积常量通过将型材减薄保持[5]。

而最小弯曲半径是指：在保证毛坯弯曲时外表面不发生开裂和产生缺陷的条件下，弯曲件内外表面能够弯成的最小圆角半径与坯料厚度的比值，用rmin/t表示。该值越小型材的弯曲性能也越好。当型材厚度较小时，切向应变梯度大，从外表面到变形中性层其数值很快由最大值衰减为零。较大的应变梯度能起到阻止外表面金属产生局部不稳定塑性变形的作用，因此可以获得较大的变形和采用较小的最小弯曲半径。

3.2 挡杆最小弯曲半径计算

型材在弯曲过程中，变形区外表面切向应变εθ见式（1）[5-6]：

式中：

ρ0——弯曲中性层；

r——成形半径；

t——材料厚度。

当相对弯曲半径为最小值rmin/t时，则满足式（2）：

式中：

εθ，max——最外层纤维的切向应变最大值。

因此，外层边缘的切向应变达到最大值时的最小相对弯曲半径，可按式（2）计算。

最小相对弯曲半径rmin/t，用材料的断面收缩率ψ计算，见式（3）：

因为切向应变εθ=t/(2ρ0)，ρ0=r+t/2，将εθ和ρ0值代入式（3），整理后可得式（4）：

由式（4）可知，当弯曲时的断面收缩率ψ值达到最大值ψmax时，相对弯曲半径r/t可以降至最小值rmin/t，见式（5）：

式（5）中ψmax和εθ，max值，均可由材料单向拉伸试验得出。查询可知304 不锈钢材料的ψmax值≥60%，εθ，max值为40%～60%。将查询数值ψmax和εθ，max代入式（5）中计算出来的弯曲半径最小值为0.33～0.75。但是实践结果表明，弯曲处许可的切向应变最大值εθ，max，比单向拉伸的试验值εθ，max大得多，所以按式（2）和式（5）计算出来的rmin/t与实际试验数据相比误差较大，其原因是实际生产中的最小相对弯曲半径除与材料机械性能有关以外，还与零件的弯曲角、型材的纤维方向、表面质量等有关[6]。

3.3 失效分析

挡杆材质为304#不锈钢，原挡杆内圈直径为76 mm，外圈直径为96 mm，圆环直径为10 mm，弯曲半径为3.8，如图5（b）所示。新工艺更改后内圈直径为84 mm，圆环直径为6 mm，弯曲半径为7，如图5（a）所示。两圆环的弯曲半径都远远大于计算值，虽然数值存在较大差异，但是同样可以作为理论研究和生产实际的参考。改进后的挡杆圆环在使用单位实际使用1年后定期检验中没有发现任何缺陷，同时咨询厂家更改加工工艺后未收到断裂相关的反馈。通过上述计算可知弯曲半径最小值为0.33～0.75，而考虑实际试验数据增加10 倍安全系数为3.3～7.5，而实际3.3 左右存在弯曲断裂，增加安全系数到20，最小弯曲半径为6.6～15。因此弯曲半径大于6.6 是比较安全的，更换后的圆环弯曲半径为7。

图5 挡杆圆环尺寸图

从失效面的剖面图来看，断面非常平整，同时挡杆圆环也不存在任何形变现象，基本可以判定为脆性失效。分析为游客在乘坐结束后解开挡杆，挡杆自由下落不断撞击座椅两边的扶手，而由于圆环在制造过程中就存在缺陷，虽然不会立即体现出宏观缺陷，但是缺陷通过撞击持续拓展发生失效。圆环内存在的缺陷正是由于在弯曲过程中弯曲半径较小所造成的。通过增大挡杆圆环内圈的直径来增大弯曲半径，横梁采用空心管，大大降低安全挡杆的整体质量，减少降落产生的撞击力。通过这些措施后在使用过程中并未产生新的失效。

4 结束语

综上所述，大型游乐设施主要安全保护装置在设计之初就必须考虑材料拉伸、弯曲强度、最小弯曲半径等材料参数的影响。可通过设计计算或得相关的有限元分析对材料进行受力分析，避免设计带来的材料缺陷问题。从而防止在使用过程中由于材料缺陷造成安全保护装置失效，以及由此引发的特种设备安全事故。生产厂家在设计时需要考虑安全挡杆最小弯曲半径的计算，还需要通过实际试验分析找到合适的加工参数，改进弯曲制造工艺并增加相应的安全系数，得到满足设计和使用要求的弯曲半径数值。