360°大擺錘懸臂折斷原因分析及預防措施

趙九峰，蘇曉峰，丁舟波，蔡 鵬，史皓天

（1.河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000；2.中原工學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

360°大擺錘游藝機屬觀覽車類游樂設備。游客坐在懸臂轉盤座椅上，經設備頂部2臺電機驅動使“擺錘”沿水平軸線作360°旋轉，同時座椅大轉盤在電機的驅動下旋轉。游客在上擺與下落過程中，盡情尋求驚險與刺激［1］。

今年以來，全世界各地360°大擺錘事故頻發，對游客的生命財產構成了嚴重的威脅［2］。2019年6月28日，烏茲別克斯坦吉扎克市伊堤洛爾公園，360°大擺錘在運行過程中突然攔腰折斷，一名19歲女孩在這場事故中死亡；7月14日，印度古吉拉特邦阿默達巴德市的游樂園內，360°大擺錘懸臂管突然折斷，事故導致2人死亡。

本文通過對360°大擺錘懸臂折斷原因進行分析，對事故防范措施進行了探討，旨在減少事故的發生和損失。

1 360°大擺錘載荷特性分析

360°大擺錘由支架、懸臂、驅動裝置、轉盤、配重等部分組成。360°大擺錘的結構簡圖如圖1所示。

360°大擺錘運行時，電機驅動懸臂帶動轉盤和座椅，每隔一定周期變換一次驅動力矩的方向，在周期性的驅動力矩作用下，大擺錘懸臂的向上位移不斷增大［3］，最后完成360°大回環旋轉。懸臂的臂體機構在運行過程中，主要受到彎曲應力和拉應力的復合作用。

360°大擺錘運行載荷示意圖如圖2所示。

由于有配重的作用，使得整個懸臂組件的重心接近于回轉中心，相對于傳統大擺錘（無配重，單側擺角90°），驅動功率大大降低，約為傳統大擺錘驅動功率的一半。懸臂回轉運行過程中僅受到彎矩和拉力的作用。由于大擺錘啟動過程中速度較低，可忽略運行過程中離心力的作用。

圖1 360°大擺錘結構簡圖

圖2 360°大擺錘運行載荷示意圖

懸臂受到的最大彎矩M為：

其中：m為大擺錘擺動部分的總質量（包括乘人）；g為標準重力加速度，9.8m／s2；R為擺臂的等效回轉半徑；θ為懸臂與豎直方向的夾角。

懸臂受到的拉力F2為：

其中：σb為懸臂材料的抗拉強度；K為沖擊系數。由GB 8408—2018《大型游樂設施安全規范》6.2.2節可知：許用安全系數［n］≥3.5。

2 實例驗算

本文以12座360°大擺錘為計算對象，懸臂的等效長度R＝5.0m，滿載工況下座艙側擺動部件的總質量m＝5×103kg，懸臂為無縫鋼管（Φ530×12），材料為20鋼（σb＝410MPa），驗算360°大擺錘懸臂的安全系數是否滿足設計要求。

懸臂受到的彎矩：M＝245 000cosθN·m；

懸臂受到的拉力：F2＝49 000sinθN；

懸臂圓管抗彎截面系數：W＝2 458 557mm4；

懸臂的彎曲應力：σ1＝99.7cosθMPa；

懸臂截面面積：A＝19 409mm2；

懸臂受到的拉應力：σ2＝2.5sinθMPa；

懸臂受到的總應力：σ＝（99.7cosθ＋2.5sinθ）MPa。

由以上分析可知，懸臂受到的拉應力對總應力的影響很小，因此忽略拉應力的影響，則懸臂受到的總應力：σ＝99.7cosθMPa。當θ＝90°時，總應力達到最大σmax＝99.7MPa，與事故發生時的狀態（擺錘轉盤上升階段，大約在水平位置附近，懸臂折斷）保持一致。

由《大型游樂設施安全規范》第6.1.2.15節：游樂設施在運行過程中有可能出現沖擊，從而產生沖擊載荷，則運動部件受到的載荷（永久載荷和活載荷以及承受的慣性載荷）應乘以不小于K＝1.2的沖擊系數。

小于許用安全系數3.5，表明懸臂的安全系數不滿足設計要求。

3 懸臂折斷影響因素剖析

事故的直接原因是懸臂折斷，折斷部位位于懸臂根部，本文僅從懸臂主體結構折斷入手，探討引起懸臂折斷的原因。

3.1 安全系數

零件或構件的安全系數是所用材料的失效應力（破斷強度）與設計應力的比值，進行安全系數校核計算能判斷懸臂危險截面的安全裕度，一般運動部件的安全系數應大于或等于3.5。安全系數是游樂設備設計過程中的一個非常重要的參數，規定的安全系數能確保設備和乘人的安全。規定安全系數必須適當，太大會使設備結構變大，重量增加，浪費材料；太小會變得不安全［5］。

由上面計算可知，算例中360°大擺錘的懸臂安全系數不滿足設計要求，但與設計要求的3.5很接近。如果人數增加或者懸臂等效半徑增長，會導致安全系數降低，設備就越偏向危險。因此為了保證360°大擺錘的安全，防止大擺錘懸臂結構的折斷，懸臂安全系數一定要滿足設計要求。

3.2 懸臂材料

懸臂處于橫向彎曲時（即運行到水平位置），最大彎曲正應力發生在懸臂梁根部，等于彎矩與此處對應懸臂截面的抗彎截面系數的比值。如公式（3）所示，最大彎曲應力與彎矩成正比，與抗彎截面系數成反比。因此為了提高懸臂的安全系數，降低最大應力，就要減小彎矩和提高懸臂截面的抗彎截面系數。

懸臂的彎矩為擺動部分的總質量與等效半徑的乘積，由于設備的參數是設備設計的前提，因此只能降低大擺錘擺動部分的質量。

采用高強鋼，例如Q345，相較于Q235，其抗拉強度提高了30%，在滿足安全系數的前提下，減輕了構件重量，實現了游樂設備的輕量化設計。因此，高強鋼在大型的游樂設施中得到廣泛應用［6］。

3.3 抗彎截面系數

抗彎截面系數就是截面對其形心軸慣性矩與截面上最遠點至形心軸距離的比值［7］。360°大擺錘常用的兩種截面是圓環截面和箱型截面，如圖3所示。

圖3 360°大擺錘懸臂截面類型

圓環截面的抗彎截面系數為：

其中：B為截面的寬度；H 為截面的高度；t為箱型截面板的厚度。

由于受無縫鋼管的外直徑和厚度的限制，用無縫鋼管作為360°大擺錘的懸臂，僅使用于相對小型的360°大擺錘（如算例所示的12座大擺錘）。

根據懸臂梁彎矩的變化特性，利用箱型截面，可以制作近似等強度截面梁（變截面梁），懸臂根部的截面尺寸大，懸臂外端部的截面尺寸小，既能提高懸臂的抗彎性能，又能節省材料［8］。第3節的算例中，懸臂采用箱型結構，截面寬度B＝600mm，高度H＝900mm，板厚t＝12mm，則懸臂抗彎截面系數：W＝7 331 904 mm4，截面的抗彎截面系數提高了3倍，而截面的面積僅僅提高了1.8倍（箱型截面面積3.6×104mm2，圓環截面面積2.0×104mm2）。

將箱型截面制作成變截面梁，相對于無縫鋼管懸臂質量變化不大，但抗彎性能得到了顯著提高。

3.4 低周疲勞

由新聞報道可知，發生事故的360°大擺錘人數較多（31名乘客），懸臂較長且為鋼管結構；另外烏茲別克的大擺錘發生事故前僅僅運行了3個月，可以判斷為低周疲勞破壞。

懸臂折斷的過程為：在乘客自重和懸臂組件自重的作用下，懸臂根部產生較大的彎曲應力，由于材料強度級別低，容易導致疲勞裂紋的萌生，隨著設備不斷地啟動運行，懸臂根部在交變彎曲應力作用下，不斷經受低周疲勞，微裂紋不斷形成并長大、連接成宏觀裂紋。當裂紋擴展到一定尺寸時，懸臂剩余的截面抗彎性能不足以承受乘客和懸臂組件產生的彎矩時，將導致懸臂主體結構的突然折斷［9］。

4 小結

由以上分析可知，懸臂折斷為典型的脆性斷裂，在懸臂應力集中部位，應力安全系數偏低是導致懸臂斷裂的主要原因。

（1）懸臂采用無縫鋼管，可以顯著減少加工工作量，但是只能制作相對小型的360°大擺錘。對于大型的360°大擺錘（如16座以上）不宜采用鋼管結構。

（2）大型的360°大擺錘懸臂宜采用變截面箱型梁結構，可提高懸臂的抗彎截面系數。

（3）大型的360°大擺錘懸臂材質宜采用高強鋼，能降低擺動組件的重量，實現游樂設備的大型化。

（4）重視應力集中部位（如懸臂根部）表面傷痕、材質缺陷等疲勞源的探傷檢驗，定期對懸臂進行安全檢查并進行局部無損探傷（如磁粉探傷）。