360°大摆锤悬臂折断原因分析及预防措施

赵九峰，苏晓峰，丁舟波，蔡 鹏，史皓天

（1.河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000；2.中原工学院，河南 郑州 450000）

0 引言

360°大摆锤游艺机属观览车类游乐设备。游客坐在悬臂转盘座椅上，经设备顶部2台电机驱动使“摆锤”沿水平轴线作360°旋转，同时座椅大转盘在电机的驱动下旋转。游客在上摆与下落过程中，尽情寻求惊险与刺激［1］。

今年以来，全世界各地360°大摆锤事故频发，对游客的生命财产构成了严重的威胁［2］。2019年6月28日，乌兹别克斯坦吉扎克市伊堤洛尔公园，360°大摆锤在运行过程中突然拦腰折断，一名19岁女孩在这场事故中死亡；7月14日，印度古吉拉特邦阿默达巴德市的游乐园内，360°大摆锤悬臂管突然折断，事故导致2人死亡。

本文通过对360°大摆锤悬臂折断原因进行分析，对事故防范措施进行了探讨，旨在减少事故的发生和损失。

1 360°大摆锤载荷特性分析

360°大摆锤由支架、悬臂、驱动装置、转盘、配重等部分组成。360°大摆锤的结构简图如图1所示。

360°大摆锤运行时，电机驱动悬臂带动转盘和座椅，每隔一定周期变换一次驱动力矩的方向，在周期性的驱动力矩作用下，大摆锤悬臂的向上位移不断增大［3］，最后完成360°大回环旋转。悬臂的臂体机构在运行过程中，主要受到弯曲应力和拉应力的复合作用。

360°大摆锤运行载荷示意图如图2所示。

由于有配重的作用，使得整个悬臂组件的重心接近于回转中心，相对于传统大摆锤（无配重，单侧摆角90°），驱动功率大大降低，约为传统大摆锤驱动功率的一半。悬臂回转运行过程中仅受到弯矩和拉力的作用。由于大摆锤启动过程中速度较低，可忽略运行过程中离心力的作用。

图1 360°大摆锤结构简图

图2 360°大摆锤运行载荷示意图

悬臂受到的最大弯矩M为：

其中：m为大摆锤摆动部分的总质量（包括乘人）；g为标准重力加速度，9.8m／s2；R为摆臂的等效回转半径；θ为悬臂与竖直方向的夹角。

悬臂受到的拉力F2为：

其中：σb为悬臂材料的抗拉强度；K为冲击系数。由GB 8408—2018《大型游乐设施安全规范》6.2.2节可知：许用安全系数［n］≥3.5。

2 实例验算

本文以12座360°大摆锤为计算对象，悬臂的等效长度R＝5.0m，满载工况下座舱侧摆动部件的总质量m＝5×103kg，悬臂为无缝钢管（Φ530×12），材料为20钢（σb＝410MPa），验算360°大摆锤悬臂的安全系数是否满足设计要求。

悬臂受到的弯矩：M＝245 000cosθN·m；

悬臂受到的拉力：F2＝49 000sinθN；

悬臂圆管抗弯截面系数：W＝2 458 557mm4；

悬臂的弯曲应力：σ1＝99.7cosθMPa；

悬臂截面面积：A＝19 409mm2；

悬臂受到的拉应力：σ2＝2.5sinθMPa；

悬臂受到的总应力：σ＝（99.7cosθ＋2.5sinθ）MPa。

由以上分析可知，悬臂受到的拉应力对总应力的影响很小，因此忽略拉应力的影响，则悬臂受到的总应力：σ＝99.7cosθMPa。当θ＝90°时，总应力达到最大σmax＝99.7MPa，与事故发生时的状态（摆锤转盘上升阶段，大约在水平位置附近，悬臂折断）保持一致。

由《大型游乐设施安全规范》第6.1.2.15节：游乐设施在运行过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷，则运动部件受到的载荷（永久载荷和活载荷以及承受的惯性载荷）应乘以不小于K＝1.2的冲击系数。

小于许用安全系数3.5，表明悬臂的安全系数不满足设计要求。

3 悬臂折断影响因素剖析

事故的直接原因是悬臂折断，折断部位位于悬臂根部，本文仅从悬臂主体结构折断入手，探讨引起悬臂折断的原因。

3.1 安全系数

零件或构件的安全系数是所用材料的失效应力（破断强度）与设计应力的比值，进行安全系数校核计算能判断悬臂危险截面的安全裕度，一般运动部件的安全系数应大于或等于3.5。安全系数是游乐设备设计过程中的一个非常重要的参数，规定的安全系数能确保设备和乘人的安全。规定安全系数必须适当，太大会使设备结构变大，重量增加，浪费材料；太小会变得不安全［5］。

由上面计算可知，算例中360°大摆锤的悬臂安全系数不满足设计要求，但与设计要求的3.5很接近。如果人数增加或者悬臂等效半径增长，会导致安全系数降低，设备就越偏向危险。因此为了保证360°大摆锤的安全，防止大摆锤悬臂结构的折断，悬臂安全系数一定要满足设计要求。

3.2 悬臂材料

悬臂处于横向弯曲时（即运行到水平位置），最大弯曲正应力发生在悬臂梁根部，等于弯矩与此处对应悬臂截面的抗弯截面系数的比值。如公式（3）所示，最大弯曲应力与弯矩成正比，与抗弯截面系数成反比。因此为了提高悬臂的安全系数，降低最大应力，就要减小弯矩和提高悬臂截面的抗弯截面系数。

悬臂的弯矩为摆动部分的总质量与等效半径的乘积，由于设备的参数是设备设计的前提，因此只能降低大摆锤摆动部分的质量。

采用高强钢，例如Q345，相较于Q235，其抗拉强度提高了30%，在满足安全系数的前提下，减轻了构件重量，实现了游乐设备的轻量化设计。因此，高强钢在大型的游乐设施中得到广泛应用［6］。

3.3 抗弯截面系数

抗弯截面系数就是截面对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心轴距离的比值［7］。360°大摆锤常用的两种截面是圆环截面和箱型截面，如图3所示。

图3 360°大摆锤悬臂截面类型

圆环截面的抗弯截面系数为：

其中：B为截面的宽度；H 为截面的高度；t为箱型截面板的厚度。

由于受无缝钢管的外直径和厚度的限制，用无缝钢管作为360°大摆锤的悬臂，仅使用于相对小型的360°大摆锤（如算例所示的12座大摆锤）。

根据悬臂梁弯矩的变化特性，利用箱型截面，可以制作近似等强度截面梁（变截面梁），悬臂根部的截面尺寸大，悬臂外端部的截面尺寸小，既能提高悬臂的抗弯性能，又能节省材料［8］。第3节的算例中，悬臂采用箱型结构，截面宽度B＝600mm，高度H＝900mm，板厚t＝12mm，则悬臂抗弯截面系数：W＝7 331 904 mm4，截面的抗弯截面系数提高了3倍，而截面的面积仅仅提高了1.8倍（箱型截面面积3.6×104mm2，圆环截面面积2.0×104mm2）。

将箱型截面制作成变截面梁，相对于无缝钢管悬臂质量变化不大，但抗弯性能得到了显著提高。

3.4 低周疲劳

由新闻报道可知，发生事故的360°大摆锤人数较多（31名乘客），悬臂较长且为钢管结构；另外乌兹别克的大摆锤发生事故前仅仅运行了3个月，可以判断为低周疲劳破坏。

悬臂折断的过程为：在乘客自重和悬臂组件自重的作用下，悬臂根部产生较大的弯曲应力，由于材料强度级别低，容易导致疲劳裂纹的萌生，随着设备不断地启动运行，悬臂根部在交变弯曲应力作用下，不断经受低周疲劳，微裂纹不断形成并长大、连接成宏观裂纹。当裂纹扩展到一定尺寸时，悬臂剩余的截面抗弯性能不足以承受乘客和悬臂组件产生的弯矩时，将导致悬臂主体结构的突然折断［9］。

4 小结

由以上分析可知，悬臂折断为典型的脆性断裂，在悬臂应力集中部位，应力安全系数偏低是导致悬臂断裂的主要原因。

（1）悬臂采用无缝钢管，可以显著减少加工工作量，但是只能制作相对小型的360°大摆锤。对于大型的360°大摆锤（如16座以上）不宜采用钢管结构。

（2）大型的360°大摆锤悬臂宜采用变截面箱型梁结构，可提高悬臂的抗弯截面系数。

（3）大型的360°大摆锤悬臂材质宜采用高强钢，能降低摆动组件的重量，实现游乐设备的大型化。

（4）重视应力集中部位（如悬臂根部）表面伤痕、材质缺陷等疲劳源的探伤检验，定期对悬臂进行安全检查并进行局部无损探伤（如磁粉探伤）。