摩天輪螺栓松動、脫落問題淺析及預(yù)防措施研究

郭俊杰 張揚(yáng)揚(yáng) 崔明亮 呂夢南 張 健

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.沈陽創(chuàng)意游樂管理有限公司 沈陽 110000）

摩天輪屬于觀覽車類大型游樂設(shè)施的一種。由于其運(yùn)行平穩(wěn)、老少皆宜,深受廣大游客喜愛。其與過山車、轉(zhuǎn)馬一起,成為各個游樂園的標(biāo)配。許多摩天輪甚至成為一個城市的名片,如“倫敦之眼”“天津之眼”“南昌之星”,社會關(guān)注度非常高。

螺栓連接是非常重要的一種連接手段,螺栓松動和斷裂是觀覽車類大型游樂設(shè)施主要損傷模式的一種[1]。摩天輪根據(jù)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)形式的不同,可分為剛性摩天輪、柔性摩天輪和剛?cè)峄旌闲阅μ燧啠?］（見圖1）,其中剛性摩天輪的螺栓使用量最大,常規(guī)A級剛性摩天輪的輪緣之間、輪緣與吊臂架之間、吊臂架與座艙之間、立柱法蘭對接、立柱與基礎(chǔ)連接等均采用螺栓連接形式,螺栓的使用量可達(dá)上萬顆,所以,螺栓本身的制造、安裝及維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量直接影響摩天輪的運(yùn)行安全。

圖1 有主軸摩天輪的3種型式

1 摩天輪螺栓典型案例

1.1 螺栓松動案例

2016年6月12日,檢驗人員對東陽市某公園的1臺85 m觀覽車檢驗時發(fā)現(xiàn)桁架法蘭盤處部分螺栓松動（見圖2）,僅用人力無須借助工具便可將螺栓擰出。2017年7月25日,檢驗人員對丹東市某公園的1臺88 m摩天輪檢驗時發(fā)現(xiàn)桁架法蘭盤處部分螺栓松動（見圖3）。

圖2 東陽市某公園觀覽車松動的螺栓

圖3 丹東市某公園摩天輪松動的螺栓

1.2 螺栓脫落案例

2014年9月27日,檢驗人員對黑河市1臺摩天輪進(jìn)行監(jiān)督檢驗時,發(fā)現(xiàn)固定玻璃鋼的螺帽有高空脫落現(xiàn)象；2016年3月3日,1名乘客在乘坐宿遷市某公園的摩天輪時,發(fā)現(xiàn)1顆螺栓脫落（見圖4）。

圖4 宿遷市某公園摩天輪脫落的螺栓

1.3 螺栓斷裂案例

2007年11月12日,檢驗人員對南昌市某公園的摩天輪進(jìn)行定期檢驗時發(fā)現(xiàn)該設(shè)備主軸法蘭與主桁架法蘭連接高強(qiáng)度螺栓根部發(fā)生斷裂（見圖5）。

圖5 南昌市某公園摩天輪根部斷裂的螺栓

對于設(shè)備高度達(dá)上百米的摩天輪而言,一旦螺栓發(fā)生松動、斷裂等情況,便會造成高空墜落,在節(jié)假日等設(shè)備運(yùn)營高峰期間,摩天輪設(shè)備下方往往是密集的游客和排隊人群,極易造成人員傷亡,造成巨大的社會影響。

2 螺栓松動、斷裂的原因分析

2.1 螺栓預(yù)緊力不足

對某一剛?cè)峄旌闲阅μ燧嗊M(jìn)行應(yīng)力測試,結(jié)果顯示,摩天輪結(jié)構(gòu)上的拉索及拉桿在摩天輪運(yùn)行1周的過程中,存在正、負(fù)值的交變應(yīng)力[3],在摩天輪實(shí)際運(yùn)行過程中,運(yùn)行到上端的拉索結(jié)構(gòu)始終保持松弛狀態(tài),運(yùn)行到下端的拉索結(jié)構(gòu)始終保持拉緊狀態(tài)（見圖6）。由此可推斷,拉索或拉桿法蘭的連接螺栓的受力情況：當(dāng)法蘭隨摩天輪旋轉(zhuǎn)到正下方（6點(diǎn)鐘方向）時,法蘭連接螺栓承受最大外載軸向載荷；當(dāng)桁架支臂法蘭隨摩天輪旋轉(zhuǎn)到正上方（12點(diǎn)鐘方向）時,法蘭連接螺栓承受最小外載軸向載荷；在法蘭連接螺栓預(yù)緊力不足,螺栓受橫向荷載的情況下,當(dāng)法蘭隨摩天輪旋轉(zhuǎn)到正側(cè)方（9點(diǎn)鐘方向和3點(diǎn)鐘方向）時,法蘭連接螺栓將承受最大橫向載荷。由此可見,在摩天輪運(yùn)行1周的過程中,同一部位的法蘭連接螺栓受力可經(jīng)歷一個從最大外載軸向載荷到最小外載軸向載荷以及大小相等、方向相反的橫向荷載的循環(huán)過程。

圖6 摩天輪運(yùn)行過程中拉索的松緊情況

檢驗中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)摩天輪安裝單位在安裝螺栓前未嚴(yán)格按照設(shè)計要求對法蘭連接高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力,或者不施加預(yù)緊力而采用彈簧墊圈作為法蘭連接高強(qiáng)螺栓的防松手段。采用有限元分析軟件對比分析某規(guī)格高強(qiáng)螺栓在施加不同方向荷載、施加不同大小預(yù)緊力時螺栓所受應(yīng)力情況。螺栓所受荷載方向及有限元分析結(jié)果示例如圖7所示。

圖7 螺栓僅受軸向載荷，預(yù)緊力為計算預(yù)緊力20%時的有限元分析圖

施加不同方向荷載、施加不同大小預(yù)緊力的4種工況下螺栓有限元分析結(jié)果見表1。

表1 不同工況下的有限元分析結(jié)果

由表1可知,沿著螺栓軸向方向施加荷載,預(yù)緊力大小對計算結(jié)果影響較小；垂直螺栓方向施加荷載,預(yù)緊力大小對計算結(jié)果影響較大。螺栓受拉力及剪力,并且施加預(yù)緊力小于計算預(yù)緊力數(shù)值時,個別螺栓會產(chǎn)生較大的應(yīng)力,這樣就會使單個螺栓斷裂,造成脫落事故。并且,摩天輪年復(fù)一年的長時間運(yùn)行后,螺栓始終存在交變軸向載荷及橫向荷載（預(yù)緊力不足的情況下）,使螺母容易松動,甚至?xí)斐陕菟ㄆ跀嗔?最終導(dǎo)致螺栓和螺母的脫落[4]。

2.2 螺栓制造質(zhì)量較差

有研究[5]表明,螺栓斷裂樣本中77.5%是由使用前因素導(dǎo)致,而68.7%的螺栓斷裂與制造相關(guān)。熱處理工藝不當(dāng)、機(jī)加工質(zhì)量控制不嚴(yán)、加工過渡圓角過小、配合與裝配質(zhì)量較差、螺栓成型工藝有誤均會造成螺栓斷裂。如圖5（b）所示,由于制造廠家選用的螺栓根部未加工圓角,使得設(shè)備在運(yùn)行過程中,螺栓根部存在應(yīng)力集中,設(shè)備在運(yùn)行一段時間后,螺栓根部產(chǎn)生疲勞裂紋,直至最終斷裂、脫落。

2.3 螺栓安裝法蘭面不平整

部分游樂設(shè)施制造廠家在廠內(nèi)對法蘭盤焊接后,未對由于焊接導(dǎo)致變形的法蘭進(jìn)行機(jī)加工處理,導(dǎo)致現(xiàn)場安裝時,螺栓連接的法蘭面存在較大間隙（見圖8）,使得螺栓無法對法蘭進(jìn)行有效連接,此種情況下,螺栓承受的應(yīng)力將會大大增加,一旦最大應(yīng)力大于疲勞極限應(yīng)力,螺栓疲勞壽命將會顯著減小,并且法蘭結(jié)合面間隙的變化,使螺栓還會承受額外的沖擊載荷,將進(jìn)一步加速螺栓的破壞[6]。

圖8 安裝間隙不符合要求的法蘭盤

2.4 螺栓防松措施選用不當(dāng)

部分制造廠家對采用彈簧墊圈防松的高強(qiáng)螺栓施加相應(yīng)的預(yù)緊力,導(dǎo)致彈簧墊圈失去防松效果（見圖9）。

圖9 失去防松效果的彈簧墊圈

2.5 日常維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)

客觀因素方面,由于摩天輪結(jié)構(gòu)高聳,檢修時不易攀爬,且螺栓數(shù)量龐大,尤其是桁架式摩天輪,螺栓數(shù)量往往達(dá)到上萬顆,導(dǎo)致檢修人員較難做到全面、完整的日常檢查,也未能及時發(fā)現(xiàn)螺栓的松動、銹蝕（見圖10）。主觀因素方面,部分摩天輪的使用單位自身技術(shù)力量薄弱,對于危險性較小、運(yùn)行速度較慢的摩天輪日常檢修也缺乏足夠的重視,導(dǎo)致摩天輪長時間缺乏必要的維護(hù)保養(yǎng),容易產(chǎn)生螺栓斷裂或者脫落的問題。

圖10 嚴(yán)重銹蝕的螺栓

3 建議措施

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)及防松設(shè)計，嚴(yán)格控制螺栓制造及安裝質(zhì)量

摩天輪的立柱、懸臂和橫梁的法蘭連接部位可設(shè)計止口,來抵消一部分螺栓承受的剪切力,降低螺栓斷裂的風(fēng)險[7]。

螺栓防脫落措施可以采用圖11所示的防松方式,用不銹鋼絲將螺栓根部、螺栓頭部、墊圈分別串聯(lián),這樣可以防止螺母松動造成螺栓、螺母脫落,也可以防止螺栓從中間斷裂造成螺栓、螺母脫落,同時可以防止墊圈脫落。

圖11 串聯(lián)鋼絲防松、防脫落

摩天輪制造廠家應(yīng)采購正規(guī)制造廠家的合格螺栓,嚴(yán)格執(zhí)行入廠檢驗流程,控制螺栓質(zhì)量。摩天輪法蘭連接面在焊接成型后,應(yīng)對有變形的法蘭面重新進(jìn)行機(jī)加工,確保法蘭面的平整。在對螺栓、法蘭的運(yùn)輸和保存過程中,應(yīng)輕裝、輕卸,防止損傷螺紋和法蘭。此外還應(yīng)采取一定的防潮、防銹和防沾染臟物等相應(yīng)措施,保護(hù)摩擦面,對摩擦面已被污染的法蘭等,應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。現(xiàn)場安裝時,嚴(yán)格按照設(shè)計要求采取有效的防松措施及施加預(yù)緊力,并采取多次緊固的方式來防止預(yù)緊力松弛。除此之外,還可以在螺栓和螺母之間涂覆合適的螺紋緊固膠來防止螺母松脫[8]。

3.2 加強(qiáng)螺栓的日常檢查

摩天輪使用單位嚴(yán)格按照使用維護(hù)說明書的要求,定期對摩天輪各部分的連接螺栓進(jìn)行日常檢查,對銹蝕嚴(yán)重或者需要定期更換的螺栓進(jìn)行更換。對于有些位置特殊、無法進(jìn)行近距離檢查的部位,建議采用無人機(jī)（見圖12）、高清望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備進(jìn)行輔助檢查。

圖12 無人機(jī)對螺栓的日常檢查

3.3 設(shè)備垂直投影下方設(shè)置防護(hù)裝置

為了防止螺栓失效后造成高空墜物傷人事故,可以按照法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求[9-10],在允許人員通行的摩天輪設(shè)備垂直投影下方設(shè)置防護(hù)棚（見圖13）,防護(hù)棚的強(qiáng)度以螺栓無法砸穿為宜；未設(shè)置防護(hù)棚的區(qū)域應(yīng)采取隔離措施,防止游客在設(shè)備運(yùn)行時進(jìn)入摩天輪運(yùn)行區(qū)域。

圖13 高空墜物防護(hù)棚

4 結(jié)束語

本文選取摩天輪螺栓作為研究和分析對象,結(jié)合實(shí)際檢驗案例闡述其在制造、安裝及運(yùn)營過程中存在的安全隱患,并提出相關(guān)的建議措施,為摩天輪產(chǎn)品安全性能優(yōu)化、設(shè)備日常維護(hù)檢查、檢驗人員現(xiàn)場檢驗及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供參考。