李加申 朱 丹

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

過山車中未預(yù)緊螺紋連接軸的安全隱患及預(yù)防措施

李加申 朱 丹

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

由于過山車自身的運(yùn)行特點(diǎn)，部分可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)螺紋連接軸，在其連接面無法施加足夠預(yù)緊力或無預(yù)緊時(shí)螺母僅作為擋板使用。因此此類部位的螺紋第一圈螺紋處容易在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂。本文通過類似結(jié)構(gòu)的失效案例，分析此類螺紋連接軸的失效模式，并提出針對(duì)此類結(jié)構(gòu)連接軸的設(shè)計(jì)加工要求及檢驗(yàn)檢測(cè)時(shí)的注意事項(xiàng)。

預(yù)緊力不足 磨損 疲勞斷裂 錐形車軸 游樂設(shè)施

1 研究背景

一般來說應(yīng)用于過山車當(dāng)中的螺紋連接軸，除了考慮螺紋材料及尺寸外，預(yù)緊力的大小也是影響螺紋疲勞強(qiáng)度的重要因素。如圖1所示，經(jīng)相關(guān)研究機(jī)關(guān)證明當(dāng)預(yù)緊力在螺栓抗拉強(qiáng)度的40%以下時(shí)螺栓會(huì)容易發(fā)生疲勞斷裂。

圖1 M12螺栓（10.9級(jí)）隨預(yù)緊力變化疲勞試驗(yàn)的結(jié)果［1］

過山車當(dāng)中的輪軸、提升止逆軸等采取靜連接的螺紋連接軸，由于其連接面不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以設(shè)計(jì)上可以保證螺紋充分預(yù)緊。但如圖2所示的過山車車輛連接器軸、立軸、半軸以及部分采用獨(dú)立式輪架的輪架軸，當(dāng)其連接面采用螺紋連接軸結(jié)構(gòu)時(shí)，由于連接面為動(dòng)連接結(jié)構(gòu)，所以該處螺母不能進(jìn)行充分預(yù)緊。

圖2 無法充分預(yù)緊螺紋連接軸

若設(shè)計(jì)考慮不周及后期使用管理不當(dāng)，則可能發(fā)生螺紋連接軸第一圈螺紋處在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生疲勞斷裂。

2 類似結(jié)構(gòu)的失效模式分析

2.1 大阪過山車事故脫落的輪架結(jié)構(gòu)與斷裂位置

2007年日本大阪世博園發(fā)生了一起由于車輛疲勞斷裂導(dǎo)致多人受傷的事故，事故車輛脫落的輪架結(jié)構(gòu)與斷裂位置如圖3所示。為保證車輛在通過起伏轉(zhuǎn)折的軌道時(shí)，輪架可以以輪架軸為軸心做類似于單擺的運(yùn)動(dòng)，車輪架內(nèi)的兩側(cè)分別設(shè)置了兩個(gè)滾動(dòng)軸承。如果將此處螺母徹底擰死的話，車輪架中的兩個(gè)軸承當(dāng)中的一個(gè)必然會(huì)承受很大的軸向壓力，這會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)滾珠受壓，如果壓力超過軸承使用規(guī)定設(shè)計(jì)值的話，會(huì)影響軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)從而導(dǎo)致車輛卡死。因此必須保證螺母與車輛有效連接但同時(shí)又不能擰的過緊，所以設(shè)計(jì)者在此使用開口銷進(jìn)行防松。

圖3 輪架結(jié)構(gòu)及斷裂處位置［2］

本次事故的公開資料顯示，斷裂車軸的斷裂截面位置及斷面破口形狀如圖4所示，斷裂面整體平斷裂發(fā)生在固定螺母的固定面第一螺紋處。

圖4 半軸斷裂處與斷裂面［2］

根據(jù)事后的分析表明：造成此次事故的原因是設(shè)計(jì)要求不明確導(dǎo)致安裝時(shí)螺母預(yù)緊力不足，以及軸孔磨損使原來應(yīng)由軸孔承受的力傳導(dǎo)至螺母固定處，在交變應(yīng)力的作用下，該處螺紋產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展后達(dá)到臨界值后突然斷裂。事故后對(duì)同設(shè)備的另一臺(tái)過山車也進(jìn)行了拆卸檢查，也發(fā)現(xiàn)同樣的目視可見的裂紋缺陷，也就是說另一臺(tái)設(shè)備也處于隨時(shí)可能發(fā)生事故的狀態(tài)。

2.2 發(fā)生疲勞斷裂的原因

一般來說過山車的車架軸所受到的作用力，主要是左右方向加速度引起的水平方向的拉應(yīng)力，與由車輛自重及向心力疊加所產(chǎn)生的垂直方向的壓力，其中垂直方向的壓力更大是影響強(qiáng)度的主要因素。從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行分析如果車軸僅是受垂直方向的壓力而導(dǎo)致斷裂的話，車軸本應(yīng)該從與車架連接端面開始斷裂才對(duì)。因?yàn)閺牧W(xué)角度分析如果把車軸做杠桿來看的話，車軸中央部分應(yīng)該是相當(dāng)于杠桿彎曲的支點(diǎn)，此處所受彎曲應(yīng)力最大。

根據(jù)圖5所示，如果在螺母充分預(yù)緊的情況下半軸與車架可視為一體，此時(shí)斷面A為受力最大處，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)是符合要求的。

圖5 輪架結(jié)構(gòu)示意圖

但是如果在固定螺栓未充分預(yù)緊的情況下，輪架軸的受力情況就會(huì)發(fā)生很大的變化。尤其在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)左右方向的向心力所引起的軸向反復(fù)交變應(yīng)力，對(duì)螺母的第一螺紋谷處的影響非常的大，這是由于此處是螺栓連接結(jié)構(gòu)當(dāng)中最容易承受載荷及發(fā)生應(yīng)力集中的位置。據(jù)相關(guān)研究結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)表明，如果螺母未充分預(yù)緊時(shí)第一螺紋谷底所承受的應(yīng)力會(huì)達(dá)到正常應(yīng)力集中系數(shù)的3～5倍。

此外輪架軸所采用的錐形軸結(jié)構(gòu)（如圖6所示），也是加劇產(chǎn)生螺母松動(dòng)的原因。這種結(jié)構(gòu)的軸采用高壓將軸分別壓入車橋及車輪架的軸孔，軸與軸孔之間的配合很緊密，好處是錐形軸的中央最粗部分可承受最大載荷。但據(jù)該設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)人員的證詞，在使用了5～6年左右后軸與軸孔的配合處開始發(fā)生磨損。雖然采用了螺紋膠對(duì)該處磨損進(jìn)行了處理，但可能這時(shí)候原本應(yīng)該由軸孔承受的載荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到螺母處了。此處產(chǎn)生磨損的主要原因是軸與車橋架的軸孔屬于剛性連接，未設(shè)置可以釋放沖擊力的阻尼機(jī)構(gòu)所以導(dǎo)致了軸孔內(nèi)發(fā)生了磨損。并且由于該處軸孔也屬于錐形結(jié)構(gòu)，所以日常檢驗(yàn)當(dāng)中不易準(zhǔn)確測(cè)量磨損量，從而未引起使用方的注意。

圖6 錐形軸產(chǎn)生間隙的位置示意圖

發(fā)生螺母松動(dòng)及錐軸產(chǎn)生間隙前后的受力情況如圖7所示。充分預(yù)緊的情況下螺母只承受與連接面間的預(yù)緊力，但在螺母未充分預(yù)緊及由于間隙的原因?qū)е螺喖芩艿乃脚c垂直方向疊加的交變應(yīng)力傳遞到螺母固定處后，受力情況則變?yōu)槿鐖D7（b）所示的樣子。

此時(shí)，軸的受力狀況發(fā)生了改變。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，螺栓在承受交變載荷時(shí)，即使載荷的大小處于彈性范圍之內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。此外由于該過山車軌道總長930余米且運(yùn)行軌道上也存在多處急轉(zhuǎn)突降處，加上軌道間距也不可能完全一致（從車輪的磨損痕跡可以看出），所以車輛運(yùn)行過程中理論上會(huì)存在若干超標(biāo)的瞬時(shí)應(yīng)力值。

此時(shí)，軸的受力狀況發(fā)生了改變。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，螺栓在承受交變載荷時(shí)，即使載荷的大小處于彈性范圍之內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。此外由于該過山車軌道總長930余米且運(yùn)行軌道上也存在多處急轉(zhuǎn)突降處，加上軌道間距也不可能完全一致（從車輪的磨損痕跡可以看出），所以車輛運(yùn)行過程中理論上會(huì)存在若干超標(biāo)的瞬時(shí)應(yīng)力值。

2.3 未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋的人為原因

圖7 螺母固定面承受應(yīng)力分析

由于金屬疲勞裂紋的發(fā)展是一個(gè)緩慢的過程，如果在日常的點(diǎn)檢維修過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問題，那么慘劇本來是可以避免的。但是當(dāng)時(shí)日本關(guān)于游樂設(shè)施的檢驗(yàn)要求是基于JIS A 1701標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，車輪軸每年進(jìn)行100%的無損檢驗(yàn)不被強(qiáng)制要求。使用單位自1992年以來15年間從未進(jìn)行過車輪軸的更換，且未按照J(rèn)IS A 1701的要求進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，僅采取目視、敲擊等檢查方法，所以沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。事故后日本相關(guān)機(jī)構(gòu)重新修訂了檢驗(yàn)要求，以政令的型式規(guī)定了過山車的軸類部件必須每年進(jìn)行100%的無損檢驗(yàn)。

由此可以明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠缺、使用疏忽及監(jiān)管方法不明確等方面的一系列因素的疊加才是導(dǎo)致日本大阪過山車事故發(fā)生的根源。

3 預(yù)防措施

為避免此類事故的發(fā)生，我們可在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)加以控制。

3.1 設(shè)計(jì)階段

在螺紋連接軸的設(shè)計(jì)上盡量不使用在失效后可能引起重大事故的單一失效點(diǎn)。如目前國內(nèi)外大多過山車的半軸主要采取穿軸固定并設(shè)置阻尼裝置緩沖的方法，這樣可以有效避免類似大阪過山車事故的發(fā)生。在采用此類連接方式的部位計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮螺紋預(yù)緊力，保證螺紋連接處的強(qiáng)度符合要求，并在設(shè)計(jì)階段采取減小應(yīng)力集中的措施。此外需要提高加工精度、完善加工工藝與嚴(yán)格的出廠檢驗(yàn)制度。并在使用說明書中對(duì)安裝工藝及自檢方法進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注。

3.2 使用階段

由于此類連接軸的失效模式一般為疲勞斷裂，所以從產(chǎn)生裂紋到失效有一定的時(shí)限，若使用階段可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題也可以有效避免問題發(fā)生。自檢過程中如果需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新拆裝時(shí)，拆裝過程也應(yīng)該嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，避免拆裝過程的安裝誤差帶來安全隱患。

3.3 檢驗(yàn)階段

對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)的相關(guān)人員也需要了解設(shè)計(jì)單位已經(jīng)采取的相關(guān)安全對(duì)策是否正確。進(jìn)行法定年度檢驗(yàn)時(shí)需要對(duì)此類部位進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)，進(jìn)行磨損量測(cè)量以及螺紋根部的磁粉探傷。表面磁粉探傷被證明是發(fā)現(xiàn)此類疲勞裂紋的有效方法。

4總結(jié)

我國目前設(shè)計(jì)使用的過山車當(dāng)中，雖然沒有與大阪事故車輛采用相同輪架結(jié)構(gòu)的過山車，但是類似結(jié)構(gòu)的帶螺紋連接軸在過山車的連接器及大型游樂設(shè)備中的應(yīng)用則比較多見。2011年贛州寶葫蘆農(nóng)莊的一輛三環(huán)過山車，也發(fā)生過類似的連接器軸固定螺母第一螺紋處由于金屬疲勞導(dǎo)致斷裂的事故，事故直接原因是軸套受到擠壓產(chǎn)生變形后，交變應(yīng)力傳導(dǎo)至鎖母固定螺紋處引起疲勞斷裂。希望本文能對(duì)游樂設(shè)施相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、維護(hù)、檢驗(yàn)起到一定的參考作用。

［1］ 游樂設(shè)施技術(shù)基準(zhǔn)委員會(huì).游樂設(shè)施技術(shù)基準(zhǔn)的解說［M］.日本東京：日本建筑設(shè)備升降機(jī)中心，2010：146圖1.5.45.

［2］ 田吉昭，村洋太郎.村造工學(xué)研究所，失敗知識(shí)數(shù)據(jù)庫事例，IDCZ0200802［DB/OL］.［2013-12-18］.http：//www.sozogaku. com/fkd/cf/CZ0200802.html.

［3］ 王銀蘭，等.大型游樂設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法［J］. 中國特種設(shè)備安全，2014，30（4）：58-62.

［4］ 熊際武，等.一起大型游樂設(shè)施的事故分析［J］. 中國特種設(shè)備安全，2010，26（2）：59.

Risk and Precaution of Un-preloaded Threaded Connecting Shaft Used in Roller Coaster

Li Jiashen Zhu Dan
（China Special Equipment Inspection Institute Beijing 100029）

Because the operation characteristics of the coaster may cause the motion threaded connecting shaft， the nut only used as a damper without the preload or unable to exert enough preload. So the fi rst lap for such parts of thread will easily break under the action of alternating stress. This article based on the failure cases of similar structures， analysis of the failure mode for this kind of thread connecting， summarizes the matters needing attention for this kind of structure connecting shaft in the design and inspection.

Hreaded-shaft Shortfall preload Abrasion Fatigue fracture Loop coaster

X941

B

1673-257X（2015）03-55-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.03.014

李加申（1980～），男，碩士，工程師，從事大型游樂設(shè)施安全工作。

2014-12-12）