一個標準工業腳輪在大型游樂設施中應用的檢驗案例淺析

郭俊杰 崔明亮 呂夢南 劉興科

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

（2.河北中冶冶金設備制造有限公司 邢臺 054100)

1 研究背景

隨著游樂設施在國內大規模建成并投入使用，游樂設施的安全問題日益凸顯，已成為特種設備安全問題的重要組成部分[1]。標準件由于通用性強，標準化程度高，被廣泛應用在游樂設施上，常見的標準件有緊固件、連結件、傳動件、密封件、液壓元件、氣動元件、軸承、彈簧等[2]。部分標準件是游樂設施中的重要零部件，甚至是單一失效件，如圖1所示的高空飛翔傳動裝置采用的聯軸器，圖2所示的大擺錘采用的回轉支承等，這些標準件一旦失效，可能直接造成大量的人員傷亡。

圖1 高空飛翔

圖2 大擺錘

目前，游樂設施中采用的標準件通常由設備生產廠家在設計階段通過選型計算后，直接從市場上采購并安裝使用，一般不會對采購的成品件進行復驗或者校核。筆者認為，這樣采購的標準件雖然符合國家標準或行業標準，但不一定符合游樂設施的安全標準，這些標準件一旦使用在游樂設施的某些重要部位，復雜工況條件下可能會存在較大的安全隱患。

2 一個標準工業腳輪檢驗案例分析

圖3為某制造廠設計制造的一臺架空游覽車，主要設備參數：軌道距離地面高度為12.5 m，運行速度為1.8 m/s，每車承載人數4人。設備主要由軌道、軌道立柱、車體、電氣系統及其他車輛輔助設施組成。該架空游覽車的運行方式：車輛由安裝在軌道內側的滑觸線供電，并由車體上驅動橋驅動車輛在軌道上行駛。為了便于后期維護，行走輪選用了一種直徑為300 mm的標準工業腳輪（見圖4）。

圖3 架空游覽車

圖4 行走輪（標準腳輪）

現場對該工業腳輪進行拆解，發現該工業腳輪的輪軸和法蘭板焊縫質量較差（見圖5），存在焊縫長度不足、弧坑裂紋、氣孔、飛濺等焊接缺陷。

圖5 工業腳輪輪軸與輪架連接焊縫

查閱該臺架空游覽車的設計資料發現，制造單位設計時依據架空游覽車載荷要求進行了腳輪的選型計算，直接從市場上采購后使用。GB/T 14687—2011《工業腳輪和車輪》標準對腳輪的技術要求主要包括腳輪外觀、裝配、腳輪硬度、超載能力、制動能力、行走性能、耐腐蝕性能等[3]，出廠檢驗項目主要包括腳輪外觀、轉動靈活性、車輪硬度和車輪圓跳動等[3]。按照GB/T 14687—2011標準要求，出廠時不需要對車輪和輪架的焊縫及腳輪軸進行無損檢測，制造單位采購該腳輪后未對輪架的焊接質量及腳輪軸進行復驗，也未校核該部件的設計圖紙。

筆者認為，該款工業腳輪作為游樂設施的重要零部件，不符合GB 8408—2018《大型游樂設施安全規范》標準[4]的要求，存在較大安全隱患。

3 工業腳輪選型建議

針對上述檢驗案例發現的問題，筆者建議，標準工業腳輪在該游樂設施的應用過程中，應按照以下步驟進行設計。

3.1 風險分析

在該架空游覽車設計之初，應對所采用的標準工業腳輪進行風險分析，主要目的是根據該腳輪失效后果的嚴重程度來鑒別該腳輪是重要標準件還是一般標準件。對于失效后不會造成人員傷亡的標準件可定義為一般標準件，對于失效后會造成人員傷亡的標準件可定義為重要標準件。分析可知，該腳輪為架空游覽車的行走輪，在架空游覽車沿特定軌道前行過程中對車體有支撐作用，該腳輪一旦失效，會造成車體傾斜，人員可能滑出車體而造成高空墜落；另外，該工業腳輪一旦失效，腳輪本身可能從高空墜落，造成架空游覽車下方的乘客傷亡，故可將該腳輪鑒別為重要標準件。作為重要標準件，筆者建議該腳輪應依據標準GB/T 14687—2011及GB 8408—2018進行定制生產，對于無法進行定制生產的，建議按照如下步驟進行設計。

3.2 選型計算及強度校核

首先按照架空游覽車受力情況進行標準工業腳輪的選型計算，之后利用有限元分析軟件按照GB 8408—2018標準的要求對該腳輪的主要結構、重要焊縫及重要銷軸進行強度校核，其安全系數應符合GB 8408—2018標準的相關要求。

●3.2.1 選型計算

上述案例中，制造廠家對該工業腳輪進行了選型計算，計算過程如下：重型萬向輪，型號為10寸型橡膠輪，承載能力為3 t，單軌車車重為856 kg，滿載乘客重量為280 kg，合計重量為1 136 kg，分配到單個腳輪的重量為568 kg，沖擊系數為1.1，則單軌腳輪選型安全系數為：3 000/568/1.1=4.8。計算結果滿足使用要求。

●3.2.2 強度校核

利用有限元分析軟件，對該腳輪進行應力計算。根據該腳輪的相關實測數據建立幾何模型，如圖6所示。

圖6 腳輪幾何模型

分析該工業腳輪的實際使用工況可知，GB/T 14687—2011標準中6.9和6.10的靜壓試驗要求中的工況[3]滿足該工業腳輪的使用工況，所以，按照該標準中的工況要求進行加載，工況說明和荷載力見表1，荷載方向如圖7所示。

表1 工況說明及荷載力大小

圖7 四種工況荷載方向

有限元分析結果及根據GB 8408—2018標準計算的安全系數結果見表2，因上述零件的應力最大點均在焊縫處，焊縫已實體建模，故焊縫應力值取表2的數值進行計算，焊縫應力及安全系數結果見表3。

表2 腳輪結構件安全系數校核結果

表3 腳輪焊縫校核結果

由表2和表3可以看出，法蘭盤和支架的結構件及焊縫的安全系數不完全滿足GB 8408—2018標準的相關要求，故上述腳輪應重新進行選型計算和強度校核，直至計算結果符合GB 8408—2018標準的要求。

3.3 技術要求及質量檢驗

在該腳輪選型技術要求中，應對材質、重要銷軸和重要焊縫的無損檢測、銷軸熱處理及銷軸加工圓角等方面提出明確要求，嚴格進行廠內入廠檢驗，并對其進行拆卸抽查，確認其符合GB 8408—2018標準要求。

3.4 日常維保

該架空游覽車的使用維護說明書中應根據工業腳輪生產廠家提供的使用維護說明書以及GB 8408—2018標準要求，明確提出該腳輪的日常維護保養要求，如對于重要銷軸應有潤滑、磨損等相關檢查要求，對于重要銷軸和重要焊縫應有定期拆卸進行無損檢測等檢查要求。使用單位應嚴格按照使用維護說明書的要求對該工業腳輪進行日常維保。

4 建議與意見

從上述案例可以看出，標準件不一定是安全件，雖然是根據相關標準設計、制造，但是并不能保證其制造加工質量及安全系數完全滿足GB 8408—2018標準的要求。基于大型游樂設施相關標準和法規對重要標準件要求不明確的現狀，建議開展大型游樂設施行業重要標準件應用的研究。筆者建議，對不同種類的重要標準件，根據其功能、結構等條件，對其提出不同的要求，如對卷筒、工業腳輪等重要標準件，應根據游樂設施行業的特殊性，明確提出要求其符合游樂設施標準的相關規定；對軸承、聯軸器等重要標準件，應在游樂設施標準或法規中明確要求其做到失效安全或者冗余設計；對回轉支承等重要標準件，應單獨制定相關標準如JT/T 846—2012《港口起重機回轉支承》等來規范相應標準件的應用，提高大型游樂設施整體安全性能。