飞行塔类游乐设施座舱吊挂装置结构分析

杨海江 宋伟科



飞行塔类游乐设施座舱吊挂装置结构分析

杨海江 宋伟科

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

摘 要：在分析飞行塔类游乐设施吊挂装置结构特点的基础上，通过对某典型飞行塔类游乐设施-双塔跳楼机安全分析及单一失效点辨识，发现该类游乐设施座舱吊挂装置吊耳连接板存在重大安全隐患。仅采用简单角焊缝连接座舱和驱动钢丝绳，强度计算得出安全系数不满足规范要求。为此对该结构进行了结构分析，将简单的吊耳角焊缝变更为连接板、连接座结构，采用多向焊缝、定位销（块）、全熔透焊缝等形式连接，通过强度和疲劳计算证明优化后的结构更加合理，保证了设备运行的安全性和可靠性，为飞行塔类游乐设施吊挂装置设计提供了一定的参考。

关键词：飞行塔类游乐设施 座舱吊挂装置 角焊缝 连接块 全熔透

1 研究背景

大型游乐设施作为八大类特种设备之一，由于其特殊的社会属性被称为“特种设备中的特种设备”，其设计安全是保证设备安全运行的前提条件。大型游乐设施一般都由钢结构、机械系统、电气控制系统等组成，其中钢结构是整个游乐设施的骨架，负责主要的承载能力。升降类大型游乐设施作为三种基本的大型游乐设施之一，目前在公园中大量存在。由于升降类设施主要通过钢丝绳吊挂装置实现座舱的升降运动，因此钢丝绳吊挂装置的结构性能决定了设备的安全性能。由于目前大部分升降类游乐设施吊挂装置采用耳板焊接方式，焊接结构的安全性能就显的至关重要。

2 座舱吊挂装置结构分析

采用本文通过对一种典型的升降类大型游乐设施—双塔跳楼机吊挂装置焊缝受力特点的研究，通过比对相关安全规范，提出了优化方案，更有利于该结构的承载要求，提高了设备的安全性能。双塔跳楼机属于垂直升降飞行塔类大型游乐设施，该设备由两座跳楼机组成，可以根据淡旺季、乘客数量和乘客需求，分别采用单塔和双塔的运营模式，缩短运行周期和乘客排队时间。同时，可以对两座跳楼机分别进行不同的设定，可以使两座跳楼机有不同的运行方式，因此乘客可以体验不同程度的刺激感觉。双塔跳楼机主要由塔架、吊舱、液压驱动系统、传动系统、电气控制系统和气动系统组成，各设备的吊舱要求能在液压系统的驱动下，沿着各自的塔架，进行竖直方向上的快速上升、快速下降、慢速上升、慢速下降等运动。

本文中设备的塔架高度达到64m，吊舱运行高度为54m，最大运行速度25m/s，最大提升加速度3g，每个吊舱承载人数为16人。由于设备的运行高度和运行速度都非常大，同时吊舱承载人数较多，因此设备在设计阶段采用了多种安全冗余措施，提高设备安全性能。

在设计鉴定阶段，除常规资料审查外，针对双塔跳楼机的运行特点，重点对设备可能存在的单一失效点进行了危险辨识和安全分析。并在此基础上，针对单一失效点从设计、制造、检验、维修保养等各个阶段提出了具体的要求［1］。双塔跳楼机单一失效点辨识表见表1。

表1　双塔跳楼机单一失效点辨识表［2］

通过单一失效点辨识及图纸审查发现，吊舱吊座连接板及焊缝存在重大安全隐患，该单一失效点连接传动钢丝绳和吊舱，为重要受力结构件，但在设计过程中，仅仅利用两块耳板通过简单角焊缝型式和吊舱框架连接，连接方式如图1所示。该焊缝直接承受座舱及钢丝绳冲击载荷力，且为剪切力，受力状态较差。由设备的运动特点可知，该焊缝承受疲劳载荷，容易产生疲劳破坏。

图1　吊舱吊座连接板焊接型式

3 吊挂装置结构受力分析

根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》中7.1.3直角焊缝的强度计算［3］，对此处焊缝强度进行校核。此处焊缝为单面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向），采用如下计算公式：式中：

τf——按焊缝有效截面（ewhl）计算，垂直于焊缝长度方向的应力；

N——轴心拉力或轴心压力；吊点最大拉力N=38000N；

he——角焊缝的计算厚度，对于直角角焊缝等于0.7hf， hf为焊脚尺寸；此处 hf=10mm，

lw——角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hf；由图纸可知lw=500-2×10=480mm；

根据GB 848—2008《游乐设施安全规范》中4.5.2应力计算中要求［4］，重要的轴、销轴及重要焊缝安全系数应≥5，通过计算该种焊缝设计方案不符合规范要求。

4 吊挂装置的优化后受力分析

针对吊舱吊座连接焊缝存在的问题，设计方进行了优化设计，主要从两个方面进行了更改。首先，将吊座耳板直接和座椅框架相连接的结构更改为通过连接板和连接座螺栓连接方式，连接板通过定位销及焊接方式实现和座椅框架连接，连接座通过定位块和螺栓实现和连接板连接。其次，对于连接吊耳和连接座采用全熔透结构焊接，保证焊接强度和焊接质量。具体优化后的结构如图2所示。

图2　吊舱吊座优化后的连接方式

该优化方案不论从日常检修的便捷性还是设备本身的安全可靠性都得到了很大提高。首先，由原先的单一角焊缝连接方式转化为连接板通过定位槽和焊接多种方式实现和座椅骨架的连接，此时座椅骨架和定位槽之间承受一定的载荷，多向焊缝也避免了座舱在运动过程中的承受单一方向的剪切力。其次，连接板和连接座通过高强螺栓连接，便于检修和维护。另外，对于连接座吊挂耳板采用了坡口全熔透焊接结构，焊接强度更容易保证，同时更便于无损检测。对于新的设计方案，通过有限元分析和手工计算，校核其强度和安全系数。在吊座吊耳处施加单向38000N拉力，吊座应力云图如图3所示。

图3　吊座应力云图

通过应力计算云图看出，吊孔应力值最大，为36.8MPa，背后的卡槽会由于挤压，同样产生较大应力值，螺栓孔应力很小。吊座结构强度安全系数为：

安全系数满足规范要求。

同时对该处全熔透焊缝进行强度校核计算，根据上节对焊缝强度计算公式，该种方案的全熔透焊缝eh，=265MPa，焊缝强度及焊缝安全系数为：

焊缝强度安全系数满足规范要求。

钢结构疲劳计算按钢结构设计规范GB 50017中6.1.1的规定，直接承受动力载荷的钢结构当应力变化的循环次数n等于或大于5×104时需要进行疲劳计算。该设备每小时运行12次，平均每天运行10h，一天运行120次，一年运行43800次。该设备的设计使用寿命为15年，15年间的运行次数为657000次，即6.57×105。该部件每运行一次，应力变化6次，其中加速度a=3g变化2次，加速度a=1g变化4次，那么其应力变化的次数，在15年期间加速度a=3g变化1.3×106次，加速度a=1g变化2.6×106次，总变化次数为3.9×106。该部件应力循环为变幅，焊缝最大处承受拉应力［5］，根据以下公式进行结构疲劳计算：

根据EN 13814—2004［6］规定，当总应力循环次数小于等于5×106，β=3；由设备的受力状态可知，∆σ1=18.6MPa，∆σ2=9.3MPa，

［∆σ］——常幅疲劳的容许应力幅，按下式计算：

因此，此处焊缝的疲劳安全系数，满足规范要求，设计为无限寿命。

5 结论

本文以双塔跳楼机座舱吊挂装置为例，对升降类飞行塔大型游乐设施吊挂装置中普遍存在的焊接结构设计问题进行了深入分析，通过优化后的计算分析可知，优化后的结构安全可靠性更高，安全系数满足规范要求。通过本优化方案的分析，对于此类升降类飞行塔游乐设施在设计时应注意以下几点：

1）设计阶段应尽量避免承受拉应力或剪应力等动载荷的简单角焊缝，可以通过采用定位销或定位块结构分解焊缝承担的应力，减小焊缝应力；

2）对于受力方向比较单一的焊缝，可以通过采用多向焊缝（与受力方向不同）避免焊缝直接承受拉应力或剪应力。

3）可以考虑采用螺栓连接的方式进行结构件连接，便于检修和保证连接质量。

参考文献

［1］林伟明. 典型游乐设施复杂工况下风险评估及故障预防研究［D］. 北京：北京化工大学，2013.

［2］王银兰，宋伟科. 大型游乐设施设计风险评估方法［J］. 中国特种设备安全，2013，29（4）：58-62.

［3］ GB 50017—2003 钢结构设计规范［S］.

［4］ GB 8408—2008 游乐设施安全规范［S］.

［5］梁朝虎， 秦平彦， 林伟明，等. 基于虚拟仿真的过山车轮架疲劳寿命分析［J］. 中国安全科学学报，2008，18（7）： 34-38.

［6］ EN 13814：2004 Fairground and amusement park machinery and structures safety［S］.

Analysis of Seat Hanging Device for Fly Tower Amusement Ride

Yang Haijiang Song Weike
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

AbstractBased on the analysis of seat hanging device of fy tower amusement ride， there are some signifcant security risks in the connection between the seat hanging plate and seat frame of twin towers according to the risk analysis and single failure point identifcation. The safety factor cannot satisfy the requirement of GB 8408 regulation only by this simple angle weld seam. In this case, the connection structure is updated, from simple angle weld seam to the connecting plate, using the multi-weld seam, the location pin (block), the full penetration weld. It is proved that the update connection structure is more reasonable and safety by strength and fatigue calculations, that provide some referance for the design of fy tower amusement ride.

KeywordsFly towers amusement ride Seat hanging device Angle weld seam Connection block Full penetration weld

中图分类号：X941

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）04-0073-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.013

作者简介：杨海江（1980～），男，本科，主任助理，高级工程师，从事游乐设施安全检验工作。

收稿日期：（2015-09-21）