摩天輪螺栓松動、脫落問題淺析及預防措施研究

郭俊杰 張揚揚 崔明亮 呂夢南 張 健

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.沈陽創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施的一種。由于其運行平穩、老少皆宜,深受廣大游客喜愛。其與過山車、轉馬一起,成為各個游樂園的標配。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施主要損傷模式的一種[1]。摩天輪根據轉盤結構形式的不同,可分為剛性摩天輪、柔性摩天輪和剛柔混合性摩天輪［2］（見圖1）,其中剛性摩天輪的螺栓使用量最大,常規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、立柱與基礎連接等均采用螺栓連接形式,螺栓的使用量可達上萬顆,所以,螺栓本身的制造、安裝及維護保養質量直接影響摩天輪的運行安全。

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觀覽車檢驗時發現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摩天輪檢驗時發現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臺摩天輪進行監督檢驗時,發現固定玻璃鋼的螺帽有高空脫落現象；2016年3月3日,1名乘客在乘坐宿遷市某公園的摩天輪時,發現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行定期檢驗時發現該設備主軸法蘭與主桁架法蘭連接高強度螺栓根部發生斷裂（見圖5）。

圖5 南昌市某公園摩天輪根部斷裂的螺栓

對于設備高度達上百米的摩天輪而言,一旦螺栓發生松動、斷裂等情況,便會造成高空墜落,在節假日等設備運營高峰期間,摩天輪設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 螺栓預緊力不足

對某一剛柔混合性摩天輪進行應力測試,結果顯示,摩天輪結構上的拉索及拉桿在摩天輪運行1周的過程中,存在正、負值的交變應力[3],在摩天輪實際運行過程中,運行到上端的拉索結構始終保持松弛狀態,運行到下端的拉索結構始終保持拉緊狀態（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：當法蘭隨摩天輪旋轉到正下方（6點鐘方向）時,法蘭連接螺栓承受最大外載軸向載荷；當桁架支臂法蘭隨摩天輪旋轉到正上方（12點鐘方向）時,法蘭連接螺栓承受最小外載軸向載荷；在法蘭連接螺栓預緊力不足,螺栓受橫向荷載的情況下,當法蘭隨摩天輪旋轉到正側方（9點鐘方向和3點鐘方向）時,法蘭連接螺栓將承受最大橫向載荷。由此可見,在摩天輪運行1周的過程中,同一部位的法蘭連接螺栓受力可經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過程。

圖6 摩天輪運行過程中拉索的松緊情況

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

圖7 螺栓僅受軸向載荷，預緊力為計算預緊力20%時的有限元分析圖

施加不同方向荷載、施加不同大小預緊力的4種工況下螺栓有限元分析結果見表1。

表1 不同工況下的有限元分析結果

由表1可知,沿著螺栓軸向方向施加荷載,預緊力大小對計算結果影響較小；垂直螺栓方向施加荷載,預緊力大小對計算結果影響較大。螺栓受拉力及剪力,并且施加預緊力小于計算預緊力數值時,個別螺栓會產生較大的應力,這樣就會使單個螺栓斷裂,造成脫落事故。并且,摩天輪年復一年的長時間運行后,螺栓始終存在交變軸向載荷及橫向荷載（預緊力不足的情況下）,使螺母容易松動,甚至會造成螺栓疲勞斷裂,最終導致螺栓和螺母的脫落[4]。

2.2 螺栓制造質量較差

有研究[5]表明,螺栓斷裂樣本中77.5%是由使用前因素導致,而68.7%的螺栓斷裂與制造相關。熱處理工藝不當、機加工質量控制不嚴、加工過渡圓角過小、配合與裝配質量較差、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,使得設備在運行過程中,螺栓根部存在應力集中,設備在運行一段時間后,螺栓根部產生疲勞裂紋,直至最終斷裂、脫落。

2.3 螺栓安裝法蘭面不平整

部分游樂設施制造廠家在廠內對法蘭盤焊接后,未對由于焊接導致變形的法蘭進行機加工處理,導致現場安裝時,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行有效連接,此種情況下,螺栓承受的應力將會大大增加,一旦最大應力大于疲勞極限應力,螺栓疲勞壽命將會顯著減小,并且法蘭結合面間隙的變化,使螺栓還會承受額外的沖擊載荷,將進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

部分制造廠家對采用彈簧墊圈防松的高強螺栓施加相應的預緊力,導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 日常維護保養不當

客觀因素方面,由于摩天輪結構高聳,檢修時不易攀爬,且螺栓數量龐大,尤其是桁架式摩天輪,螺栓數量往往達到上萬顆,導致檢修人員較難做到全面、完整的日常檢查,也未能及時發現螺栓的松動、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力量薄弱,對于危險性較小、運行速度較慢的摩天輪日常檢修也缺乏足夠的重視,導致摩天輪長時間缺乏必要的維護保養,容易產生螺栓斷裂或者脫落的問題。

圖10 嚴重銹蝕的螺栓

3 建議措施

3.1 優化結構及防松設計，嚴格控制螺栓制造及安裝質量

摩天輪的立柱、懸臂和橫梁的法蘭連接部位可設計止口,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,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 串聯鋼絲防松、防脫落

摩天輪制造廠家應采購正規制造廠家的合格螺栓,嚴格執行入廠檢驗流程,控制螺栓質量。摩天輪法蘭連接面在焊接成型后,應對有變形的法蘭面重新進行機加工,確保法蘭面的平整。在對螺栓、法蘭的運輸和保存過程中,應輕裝、輕卸,防止損傷螺紋和法蘭。此外還應采取一定的防潮、防銹和防沾染臟物等相應措施,保護摩擦面,對摩擦面已被污染的法蘭等,應進行相應的處理。現場安裝時,嚴格按照設計要求采取有效的防松措施及施加預緊力,并采取多次緊固的方式來防止預緊力松弛。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 加強螺栓的日常檢查

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

圖12 無人機對螺栓的日常檢查

3.3 設備垂直投影下方設置防護裝置

為了防止螺栓失效后造成高空墜物傷人事故,可以按照法規及標準要求[9-10],在允許人員通行的摩天輪設備垂直投影下方設置防護棚（見圖13）,防護棚的強度以螺栓無法砸穿為宜；未設置防護棚的區域應采取隔離措施,防止游客在設備運行時進入摩天輪運行區域。

圖13 高空墜物防護棚

4 結束語

本文選取摩天輪螺栓作為研究和分析對象,結合實際檢驗案例闡述其在制造、安裝及運營過程中存在的安全隱患,并提出相關的建議措施,為摩天輪產品安全性能優化、設備日常維護檢查、檢驗人員現場檢驗及相關標準的制修訂提供參考。