過山車中未預緊螺紋連接軸的安全隱患及預防措施

李加申 朱 丹

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

過山車中未預緊螺紋連接軸的安全隱患及預防措施

李加申 朱 丹

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

由于過山車自身的運行特點，部分可能產生相對運動螺紋連接軸，在其連接面無法施加足夠預緊力或無預緊時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力的作用下發生斷裂。本文通過類似結構的失效案例，分析此類螺紋連接軸的失效模式，并提出針對此類結構連接軸的設計加工要求及檢驗檢測時的注意事項。

預緊力不足 磨損 疲勞斷裂 錐形車軸 游樂設施

1 研究背景

一般來說應用于過山車當中的螺紋連接軸，除了考慮螺紋材料及尺寸外，預緊力的大小也是影響螺紋疲勞強度的重要因素。如圖1所示，經相關研究機關證明當預緊力在螺栓抗拉強度的40%以下時螺栓會容易發生疲勞斷裂。

圖1 M12螺栓（10.9級）隨預緊力變化疲勞試驗的結果［1］

過山車當中的輪軸、提升止逆軸等采取靜連接的螺紋連接軸，由于其連接面不發生相對運動所以設計上可以保證螺紋充分預緊。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立式輪架的輪架軸，當其連接面采用螺紋連接軸結構時，由于連接面為動連接結構，所以該處螺母不能進行充分預緊。

圖2 無法充分預緊螺紋連接軸

若設計考慮不周及后期使用管理不當，則可能發生螺紋連接軸第一圈螺紋處在交變應力的作用下發生疲勞斷裂。

2 類似結構的失效模式分析

2.1 大阪過山車事故脫落的輪架結構與斷裂位置

2007年日本大阪世博園發生了一起由于車輛疲勞斷裂導致多人受傷的事故，事故車輛脫落的輪架結構與斷裂位置如圖3所示。為保證車輛在通過起伏轉折的軌道時，輪架可以以輪架軸為軸心做類似于單擺的運動，車輪架內的兩側分別設置了兩個滾動軸承。如果將此處螺母徹底擰死的話，車輪架中的兩個軸承當中的一個必然會承受很大的軸向壓力，這會導致軸承內滾珠受壓，如果壓力超過軸承使用規定設計值的話，會影響軸承的轉動從而導致車輛卡死。因此必須保證螺母與車輛有效連接但同時又不能擰的過緊，所以設計者在此使用開口銷進行防松。

圖3 輪架結構及斷裂處位置［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］

根據事后的分析表明：造成此次事故的原因是設計要求不明確導致安裝時螺母預緊力不足，以及軸孔磨損使原來應由軸孔承受的力傳導至螺母固定處，在交變應力的作用下，該處螺紋產生疲勞裂紋，裂紋逐步擴展后達到臨界值后突然斷裂。事故后對同設備的另一臺過山車也進行了拆卸檢查，也發現同樣的目視可見的裂紋缺陷，也就是說另一臺設備也處于隨時可能發生事故的狀態。

2.2 發生疲勞斷裂的原因

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力，與由車輛自重及向心力疊加所產生的垂直方向的壓力，其中垂直方向的壓力更大是影響強度的主要因素。從設計角度進行分析如果車軸僅是受垂直方向的壓力而導致斷裂的話，車軸本應該從與車架連接端面開始斷裂才對。因為從力學角度分析如果把車軸做杠桿來看的話，車軸中央部分應該是相當于杠桿彎曲的支點，此處所受彎曲應力最大。

根據圖5所示，如果在螺母充分預緊的情況下半軸與車架可視為一體，此時斷面A為受力最大處，其設計安全系數是符合要求的。

圖5 輪架結構示意圖

但是如果在固定螺栓未充分預緊的情況下，輪架軸的受力情況就會發生很大的變化。尤其在車輛轉彎時左右方向的向心力所引起的軸向反復交變應力，對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構當中最容易承受載荷及發生應力集中的位置。據相關研究結構的試驗表明，如果螺母未充分預緊時第一螺紋谷底所承受的應力會達到正常應力集中系數的3～5倍。

此外輪架軸所采用的錐形軸結構（如圖6所示），也是加劇產生螺母松動的原因。這種結構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。但據該設備的維護保養人員的證詞，在使用了5～6年左右后軸與軸孔的配合處開始發生磨損。雖然采用了螺紋膠對該處磨損進行了處理，但可能這時候原本應該由軸孔承受的載荷已經轉移到螺母處了。此處產生磨損的主要原因是軸與車橋架的軸孔屬于剛性連接，未設置可以釋放沖擊力的阻尼機構所以導致了軸孔內發生了磨損。并且由于該處軸孔也屬于錐形結構，所以日常檢驗當中不易準確測量磨損量，從而未引起使用方的注意。

圖6 錐形軸產生間隙的位置示意圖

發生螺母松動及錐軸產生間隙前后的受力情況如圖7所示。充分預緊的情況下螺母只承受與連接面間的預緊力，但在螺母未充分預緊及由于間隙的原因導致輪架所受的水平與垂直方向疊加的交變應力傳遞到螺母固定處后，受力情況則變為如圖7（b）所示的樣子。

此時，軸的受力狀況發生了改變。根據經驗，螺栓在承受交變載荷時，即使載荷的大小處于彈性范圍之內也會產生疲勞斷裂。此外由于該過山車軌道總長930余米且運行軌道上也存在多處急轉突降處，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），所以車輛運行過程中理論上會存在若干超標的瞬時應力值。

此時，軸的受力狀況發生了改變。根據經驗，螺栓在承受交變載荷時，即使載荷的大小處于彈性范圍之內也會產生疲勞斷裂。此外由于該過山車軌道總長930余米且運行軌道上也存在多處急轉突降處，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），所以車輛運行過程中理論上會存在若干超標的瞬時應力值。

2.3 未能及時發現裂紋的人為原因

圖7 螺母固定面承受應力分析

由于金屬疲勞裂紋的發展是一個緩慢的過程，如果在日常的點檢維修過程中及時發現該問題，那么慘劇本來是可以避免的。但是當時日本關于游樂設施的檢驗要求是基于JIS A 1701標準進行的，車輪軸每年進行100%的無損檢驗不被強制要求。使用單位自1992年以來15年間從未進行過車輪軸的更換，且未按照JIS A 1701的要求進行探傷檢驗，僅采取目視、敲擊等檢查方法，所以沒有及時發現問題。事故后日本相關機構重新修訂了檢驗要求，以政令的型式規定了過山車的軸類部件必須每年進行100%的無損檢驗。

由此可以明確結構設計欠缺、使用疏忽及監管方法不明確等方面的一系列因素的疊加才是導致日本大阪過山車事故發生的根源。

3 預防措施

為避免此類事故的發生，我們可在以下幾個環節加以控制。

3.1 設計階段

在螺紋連接軸的設計上盡量不使用在失效后可能引起重大事故的單一失效點。如目前國內外大多過山車的半軸主要采取穿軸固定并設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生。在采用此類連接方式的部位計算時應考慮螺紋預緊力，保證螺紋連接處的強度符合要求，并在設計階段采取減小應力集中的措施。此外需要提高加工精度、完善加工工藝與嚴格的出廠檢驗制度。并在使用說明書中對安裝工藝及自檢方法進行重點標注。

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，所以從產生裂紋到失效有一定的時限，若使用階段可以及時發現問題也可以有效避免問題發生。自檢過程中如果需要對設備進行重新拆裝時，拆裝過程也應該嚴格控制安裝質量，避免拆裝過程的安裝誤差帶來安全隱患。

3.3 檢驗階段

對設備進行檢驗的相關人員也需要了解設計單位已經采取的相關安全對策是否正確。進行法定年度檢驗時需要對此類部位進行重點檢測，進行磨損量測量以及螺紋根部的磁粉探傷。表面磁粉探傷被證明是發現此類疲勞裂紋的有效方法。

4總結

我國目前設計使用的過山車當中，雖然沒有與大阪事故車輛采用相同輪架結構的過山車，但是類似結構的帶螺紋連接軸在過山車的連接器及大型游樂設備中的應用則比較多見。2011年贛州寶葫蘆農莊的一輛三環過山車，也發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致斷裂的事故，事故直接原因是軸套受到擠壓產生變形后，交變應力傳導至鎖母固定螺紋處引起疲勞斷裂。希望本文能對游樂設施相關結構的設計、維護、檢驗起到一定的參考作用。

［1］ 游樂設施技術基準委員會.游樂設施技術基準的解說［M］.日本東京：日本建筑設備升降機中心，2010：146圖1.5.45.

［2］ 田吉昭，村洋太郎.村造工學研究所，失敗知識數據庫事例，IDCZ0200802［DB/OL］.［2013-12-18］.http：//www.sozogaku. com/fkd/cf/CZ0200802.html.

［3］ 王銀蘭，等.大型游樂設施風險評估方法［J］. 中國特種設備安全，2014，30（4）：58-62.

［4］ 熊際武，等.一起大型游樂設施的事故分析［J］. 中國特種設備安全，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，從事大型游樂設施安全工作。

2014-12-12）