大型过山车车体剩余使用寿命评估研究

2023-10-12李春力宋伟科崔高宇李尼亚

中国特种设备安全 2023年9期

张琨李春力宋伟科崔高宇李尼亚

（国家市场监管重点实验室（特种设备安全与节能），中国特种设备检测研究院北京 100029）

过山车作为滑行车类大型游乐设施，车体承载游客在空间复杂变化的轨道上疾驰，深受游客喜欢。过山车的结构主体由车体、轨道、立柱组成，车体在运行中受到交变载荷，疲劳是影响其安全性能和使用寿命的主要因素，立柱和轨道主要受静载荷，为了安全，过山车车体的设计使用期限往往小于立柱和轨道的设计使用期限。当过山车车体达到设计使用期限时，仍有修理或改造价值的情况下，本着节约发展的原则，通过检验或安全评估后可以继续使用[1]。对达到设计使用期限的过山车车体进行检验或安全评估，重中之重是对其进行剩余使用寿命评估。

大型过山车车体结构复杂，主要受力部件数量众多，主要包括轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器等重要结构件和轮轴、轮架轴、转向立轴、压杠转轴、车辆连接器轴等重要销轴。车体在轨道运行时，主要受力部件多承受交变载荷，疲劳是影响其剩余使用寿命的主要因素。梁朝虎等人[2-3]建立了大型游乐设施关键零部件的疲劳寿命模型，提出了疲劳寿命评估方法。宋伟科等人[4]采用容许应力幅法对过山车车辆连接器螺栓进行了疲劳寿命分析。渠晓刚等人[5]建立了起重机疲劳寿命预测的数值仿真模型，结合结构疲劳危险点的疲劳应力-时间历程对其疲劳剩余寿命进行评估。除疲劳因素外，相对运动造成的磨损和露天环境下导致的锈蚀都会影响过山车车体主要受力部件的强度，进而影响其剩余使用寿命。钟传磊等人[6]通过汽车门锁棘轮棘爪的磨损试验和接触力仿真，构造了其使用寿命与磨损寿命可靠度的关联曲线。赵鸣等人[7]分析了轴类零件各磨损阶段的特点，提出了轴类零件轴颈磨损寿命的模糊可靠性计算方法。潘典书等人[8]建立了锈蚀钢结构件抗弯承载力预测模型，分析了我国不同城市大气环境下在役钢结构件锈蚀后抗弯承载性能的退化规律，为锈蚀钢结构件寿命预测提供了基础。以上相关研究都为大型过山车车体剩余使用寿命评估提供了理论指导。

本文以大型过山车为研究对象，从疲劳、磨损和锈蚀这3 个影响因素出发，对过山车车体重要结构件和重要销轴进行疲劳剩余使用寿命分析、磨损和锈蚀剩余使用寿命分析，进而评估车体的剩余使用寿命。

1 设备概述

四环过山车主要由车体、轨道（双立环、双螺旋环等）、立柱、提升装置、制动装置等组成。车体由提升装置提升至轨道顶端后自动脱钩，然后进入惯性滑行状态，车体依靠惯性沿俯冲轨道向下急速滑进2个相接的立环轨道、起伏段轨道、2 个相接的螺旋环轨道后进入平面环轨道，最终在制动装置减速制动下停止在站台。设备照片见图1，主要技术参数见表1。

表1 四环过山车主要技术参数

图1 四环过山车

该设备于2014年12月监督检验合格后开始运营，整机设计使用期限为15 年，车体（重要结构件、重要销轴）设计使用期限为8 年，于2022 年12 月到期，根据设备运行记录以及与设备使用单位工作人员沟通，确定四环过山车车体已运行约14 万次。设备生产单位和使用单位对车体进行定性评估，确定车体在修理后仍可以继续使用，无须更换新的车体。为了确定车体延期使用的科学期限，对车体进行充分的检查、测试和测量，进而以检测数据为基础对车体重要结构件和重要销轴进行剩余使用寿命评估。

2 评估数据获取和分析

2.1 应力测试

应力测试是掌握在役机械设备受力状态的主要手段，也是进行疲劳寿命评估的主要依据。为了掌握四环过山车在运行中车体的受力状况并获取动应力-时间载荷谱，对四环过山车车体进行应力测试，根据车体结构特点和运行特征，确定头车和尾车的轮架、转向架、车架、车辆连接器、座椅骨架作为测试位置，选取每个位置的最大测试应力幅，测试结果见表2，详细的动应力-时间历程图如图2 所示。

表2 四环过山车车体应力测试结果

图2 四环过山车车体动应力测试时间历程图

图2 四环过山车车体动应力测试时间历程图（续）

2.2 尺寸测量

钢结构件和销轴的尺寸能够真实反映其磨损和锈蚀情况，如果销轴出现磨损，则轴径测量值会比设计值减小；如果钢结构件出现锈蚀，在打磨至金属光泽后对其进行厚度测量，测量值会比设计值减小。为了掌握四环过山车车体的磨损和锈蚀情况，获取重要结构件和重要销轴的尺寸值，对重要结构件和重要销轴打磨至金属光泽后进行尺寸测量，重要结构件尺寸测量结果见表3，重要销轴尺寸测量结果见表4。

表3 四环过山车车体重要结构件尺寸测量结果

表4 四环过山车车体重要销轴尺寸测量结果

3 剩余使用寿命评估

3.1 重要结构件

●3.1.1 疲劳寿命分析

疲劳是结构在交变载荷下损伤逐渐累积的过程，过山车每次运行都有固定的模式，包括运行时间、运行路线、运动方式等，变化的是乘客数量和重量，而且这些变化相对于车体本身的重量较小，因此，虽然在一次运行中过山车车体主要受力部件上的载荷随时间不断变化，但在整个生命周期内，过山车车体主要受力部件上的载荷可以近似为常幅的、周期性的疲劳载荷[2]。针对四环过山车车体轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器的应力测试情况，对其进行疲劳剩余寿命计算。

经查阅设计资料，轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器的焊接型式均为对接或角接全熔透，由GB 50017—2017《钢结构设计标准》[9]可知，轮架等重要结构件的构件与连接类别为Z6，疲劳截止限为36 MPa。由2.1 节可知，轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器的最大测试应力幅分别为29.94 MPa、68.67 MPa、31.21 MPa、10.53 MPa、21.23 MPa。最大应力幅出现在转向架位置，应力幅为68.67 MPa，其余均小于36 MPa。因此，除转向架外，轮架、车架、座椅骨架、车辆连接器的应力幅均小于疲劳截止限，可按无限疲劳寿命使用。

四环过山车车体已运行约14 万次，每次运行转向架经历8 次交变应力循环，循环次数约为1.12×106次，按照GB 50017—2017[9]中关于正应力幅的疲劳强度S-N曲线可知，正应力幅为68.67 MPa 的应力循环次数在2×106至5×106之间，按式（1）计算转向架的允许疲劳循环次数：

式中：

[Δσ]——常幅疲劳的容许正应力幅，MPa；

n——应力循环次数；

Cz、βz——构件和连接的相关参数，构件与连接类别为Z6，按标准分别取1.46×1012和3。

由式（1）可得，转向架的允许疲劳循环次数为4.51×106次，剩余疲劳循环次数为3.39×106次，超过原使用次数，对应车体的疲劳剩余寿命为5.64×105次。

●3.1.2 磨损和锈蚀寿命分析

由2.1节可知，四环过山车车体轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器的主要截面尺寸测量值与设计值一致，未发现明显磨损和锈蚀，因此，四环过山车车体的磨损和锈蚀剩余寿命可按无限寿命使用。

●3.1.3 重要结构件剩余使用寿命评估

通过3.1.1 和3.1.2 两节的分析，除转向架不是无限寿命外，轮架、车架、座椅骨架、车辆连接器等车体重要结构件均为无限寿命。对于转向架，剩余使用循环次数为3.39×106次，对应车体的剩余使用寿命为5.64×105次。因此，轮架、转向架、车架、座椅骨架、车辆连接器等车体重要结构件可根据设备使用维护保养的条件，提出继续使用的期限和要求。