大型游乐设施金属结构疲劳破坏的早期预判

黄美强

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）

1 引言

在多年的大型游乐设施检验中，常能发现有些频繁使用的设备几年甚至仅一年左右就出现疲劳裂纹，即早期疲劳或低周疲劳。在国内外游乐设施事故中，裂纹导致的事故不在少数。疲劳作为机械结构主要的失效形式，其过程是部件金属结构随使用时间不断累积，损伤不断增加，最终导致可靠性逐渐减弱，因此设备构件结构疲劳的主要特征为时变性[1]。由于检验机构无法对设备的制造过程实施监督检验，而制造过程往往可能将一些设备隐患流转到使用环节，因此及早发现安全隐患或隐患导致的初期缺陷，对设备金属结构的疲劳尽可能做出早期预判，尤其针对比较陈旧的在用游乐设施，起到有效防范设备事故是极为重要。材料疲劳存在于设备的多个部位，如何早期发现并判断其受损程度显得尤为重要。

2 疲劳裂纹出现的部位和破坏的形式

文中所述的疲劳破坏主要为裂纹，属于疲劳裂纹范畴，主要基于两点：一是设备受破坏金属结构材料经化学成分分析和机械性能试验均符合要求，不存在超标的成分以及导致脆性的超标元素；二是裂纹的外观和受力特征均符合疲劳破坏机理。

在实际中，以摩天环车为例，疲劳裂纹最早产生的部位大多位于配重与大臂的连接部位等（见图1）。对于结构件中类似轨道对接焊缝，及轨道与支架作为游乐设施的重要结构件存在对接、角接、搭接等多种形式焊缝，以及不同材质之间或变截面应力集中处的焊缝均存在焊接应力和残余应力，这些部位极易造成疲劳裂纹。此时不仅要求对外部焊缝进行早期严格检查，防止出现气孔、夹渣、咬边等缺陷外，还须利用无损检测方法对内部的未焊透、裂纹、未熔化、气孔等进行检测。这些尽管是微小的裂纹但也可能成为疲劳破坏的根源，如图2。滑行车轨道裂纹，存在于车辆运行速度较快且转弯半径较小的部位，图3车轮架耳板，其根部产生的长度约为12mm裂纹，原因为其端部漏焊而产生应力集中，成为产生裂纹缺陷的根源，即在冲击载荷的长期作用下微缺陷处发生扩展所致。

图1 摩天环车配重

图2 滑行车轨道

图3 车轮架耳板

3 疲劳裂纹产生的机理

3.1 与受力情况有极大关系

材料的受力情况是设备疲劳预判最重要的影响因素之一，由图4可知，当金属材料承受的交变载荷超过额定数值时，载荷超过额定值的多少与应力循环次数成反比，超过额定值越少，应力循环次数就越多，反之则越少[2]。

图4 疲劳破坏的应力曲线

3.2 与交变载荷的类型有较大关系

通常，对金属材料而言，典型的交变载荷主要有两种，一种是结构材料随着时间的变化，其载荷应力变化范围在最大值和零之间，最大应力值恒定，称之为脉动循环变应力；另一种是其载荷应力在正值和负值之间（如材料受拉和受压）发生变化，且其数值相等但方向相反，该情况称为对称循环变应力。在这两种循环变应力情况下，随时间变化，材料的疲劳曲线是不同的[3]，可以看出，在同样的载荷应力值，载荷条件一致的状态下，脉动循环变应力使材料达到疲劳破坏所需的循环次数比对称循环变应力多得多，即承受脉动循环变应力的构件更不容易发生疲劳破坏。

3.3 与零部件外部特征关系较大

设备构件的截面非圆滑过度处、刚性突变处等存在应力部件集中的部件，以及表面有缺口、粗糙的部件，均容易发生疲劳破坏。

游乐设施各主要构件受力状况差别很大，在摩天环车设备结构中，大臂的根部、中部和端部都不同，端部受的载荷大，截面刚性变化大，又承受最恶劣的对称循环载荷，产生疲劳的各种不利因素叠加在一起，导致这些部位容易产生裂纹。

4 疲劳裂纹产生主要原因

通常，结构金属材料的疲劳寿命包含了两个阶段：疲劳裂纹的形成阶段和疲劳裂纹的扩展阶段。疲劳破坏由多重因素导致，应力状况，结构金属材料抗疲劳破坏能力等均为重要的影响因素，一般表现为：结构应力水平高则寿命短，结构应力水平低时寿命长，在相同条件下高韧性、高强度材料疲劳寿命更长，疲劳破坏的发展过程是渐变的，一般需要设备运行一段时间才会出现材料破坏现象，而且在破坏之前通常不会表现出明显的征兆[1]，由于其突发性，无法事前发现，使其危险性极高，因此设计人员必须通过正确合理的抗疲劳设计和计算，预留安全系数，计算出设计使用寿命。通过实践，根据疲劳现象总结规律，并逐步把这些规律运用到工程实际中，通过借鉴国内外及前人的实践经验和成果，进一步改进设计，使结构趋于合理，尽可能避开一些易产生疲劳的材料、结构形状、受力状况等不利因素。

由于承载的特性和构造的需要，游乐设施部件从设计开始就无法避免受力状况不利的形状，这些部位大多存在应力集中的情况，如摩天环车大臂的端部等，但并不等于这些部位一定会产生疲劳裂纹，大多数相同结构的摩天环车在同一时间段内未发生疲劳裂纹的事实充分说明了这一点。由于大多游乐设施，如摩天环车在运行过程中，其大臂的端部焊缝承受的剪切力不仅最大，而且是最恶劣的对称循环载荷。因此，一般情况下，产生疲劳裂纹主要是由于以下四个因素：

（1）游乐设施制造时焊接、材料或工艺过程中没有严格控制，留下了一些缺陷流入到设备的使用环节，如材料的分层、焊接产生的气孔、弧坑等制造缺陷；

（2）游乐设施部件因成本、工作效率和可操作性等难以避开截面突变、刚性突变处等应力集中严重的情况，如转马的曲轴、大摆锤座舱支撑杆等；

（3）游乐设施部件应力集中处承受对称循环载荷，如摩天环车回转大臂与配重的连接部位、大摆锤中心主轴等；

（4）游乐设施部件存在外力的持续强力冲击，如滑行车类转弯处的轨道弯月飞车轨道中间段和车轮架耳板等。

5 疲劳裂纹的早期发现及处理要点

游乐设施中疲劳裂纹出现的位置一般是设备的关键部位，一旦发生事故常常没有先兆，当裂纹扩展到一定程度时，即使设备空载运行也会发生事故，曾经多家公园和游乐场的摩天环车在空载试运行即发生配重坠落事故。因此，早期发现疲劳裂纹尤为重要。设备使用环节对产生疲劳裂纹的三个主要原因无法避免，只有尽早发现疲劳裂纹的根源才能及时消除疲劳裂纹带来的安全隐患，在此介绍裂纹早期发现处理的要点：

（1）在游乐设施检验工作过程中，应熟悉各部件的设计计算及受力状况，经常目测检查设备主要受力结构处焊缝，突变截面、过小的圆角半径或表面加工质量缺陷等应力集中处，特别是承受对称循环载荷结构处是否有疲劳裂纹或其他缺陷根源。

（2）使用无损检测专业仪器（TOFD或超声波探伤仪和磁粉探伤仪等）对设备如（1）中描述的可能产生疲劳裂纹应力集中处进行定期检查，为了能准确、可靠、全面地发现设备缺陷的危险源，可在使用探伤仪之前采用磁记忆分析仪等高效率检测仪器，可疑之处再用传统探伤仪确认，以便更快捷地发现危险源，提高工作效率。

（3）通过有限元分析软件来分析（见图5），通过分析云图能清晰地分辨各部位的受力状况，从而对早期发现设备的疲劳缺陷提供有效的技术指导。

图5 大摆锤立柱的有限元云图

6 结语

疲劳失效作为机械部件结构的主要破坏形式，在游乐设施设备中也是一样，其破坏机理复杂，影响因素较多，由于裂纹等一些制造过程产生的缺陷在形成和扩展过程中有很强的隐蔽性，而疲劳断裂又具有瞬时性[1]，因此对游乐设施结构的可靠性和安全性造成很大的威胁，文中主要从实际经验和结构形状及受力状况等多方面分析，旨在对结构破坏进行一定的预判，尽可能早期发现设备存在的隐患，为游乐设施的检验工作提供行之有效的指导，有效地降低事故发生的概率。