論爬式樂(lè)舞設(shè)施的安全技術(shù)要點(diǎn)

樂(lè)趣設(shè)施的安全裝置主要由連接軸的環(huán)形圈和螺釘軸的套筒組成。具體由座艙框架、連接軸、環(huán)形圈、萬(wàn)向聯(lián)接器、螺栓軸、套筒、尼龍輪等組成,如圖1所示。本文旨在從安全技術(shù)的角度,就軸類零件的疲勞斷裂失效和二次保護(hù)的安全裝置的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究探討。1連接軸1.1連接和傳遞載荷軸和銷軸是游樂(lè)設(shè)施的主要零件之一,起到連接和傳遞載荷的作用。蹦極游樂(lè)設(shè)施座艙連接軸使用2套滾動(dòng)軸承支承,承載彎矩,并具有回轉(zhuǎn)和定位功能。1.2軸的選用原則軸的材料一般是經(jīng)過(guò)軋制或鍛造的碳素鋼或合金鋼,也可利用冷拔鋼材。通常的材料是優(yōu)質(zhì)中碳鋼,其中以45號(hào)鋼最為常用。不太重要及受載較小的軸可用Q235、Q275等普通碳素鋼;對(duì)于受力較大,軸的尺寸受到限制,以及某些有特殊要求的軸可用合金結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)采用合金鋼時(shí),應(yīng)優(yōu)先選用符合我國(guó)資源情況的硅錳鋼,硼鋼等。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸(例如空心軸、花鍵軸等)為保持尺寸穩(wěn)定性和減少熱處理變形可選用鉻鋼;對(duì)于大截面非常重要的軸可選用鉻鎳鋼;對(duì)于高溫或腐蝕(銹蝕)條件下工作的軸可選用耐熱鋼或不銹鋼。1.3軸和銷軸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定1.3.1材料驗(yàn)算系數(shù)安全系數(shù)校核計(jì)算能判斷各危險(xiǎn)截面的安全裕度。我國(guó)游樂(lè)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)采用的是材料的斷裂強(qiáng)度計(jì)算,其安全系數(shù)等于材料斷裂應(yīng)力除以材料計(jì)算應(yīng)力,重要軸和銷軸的安全系數(shù)應(yīng)大于或等于6。而歐美一些國(guó)家采用疲勞強(qiáng)度計(jì)算。1.3.2強(qiáng)度和剛度要求軸類零件材料應(yīng)滿足游樂(lè)設(shè)施的使用工況要求,應(yīng)有較高的強(qiáng)度和剛度。我國(guó)游樂(lè)設(shè)施安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,重要軸(銷軸)類零件宜采用力學(xué)性能不低于45號(hào)鋼的材料制作。1.3.3加熱設(shè)備經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度應(yīng)符合GB/T699《優(yōu)質(zhì)炭素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定,一般應(yīng)為HB200～280。1.3.4表面質(zhì)量軸類零件表面粗糙度影響疲勞極限和使用壽命。我國(guó)游樂(lè)設(shè)施安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,配合面的表面粗糙度Ra值應(yīng)不大于1.6μm。1.4連接軸的振動(dòng)連接軸受力情況復(fù)雜,多變,但可以簡(jiǎn)化為一個(gè)外伸梁的受彎桿件的力學(xué)模型。蹦極游樂(lè)設(shè)施座艙在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,連接軸受到軸向拉伸和彎矩作用,對(duì)連接軸形成交變應(yīng)力。在交變彎曲時(shí),任意一點(diǎn)的應(yīng)力是在方向相反的應(yīng)力之間變化。所以具有振動(dòng)的性質(zhì)。如果連接軸存在的某些缺陷和裂紋,將對(duì)連接軸的強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),在全部結(jié)構(gòu)零件的破壞中,疲勞斷裂占80%～90%。1.5疲勞破壞及檢驗(yàn)在蹦極游樂(lè)設(shè)施連接軸斷裂之前,由于它無(wú)明顯的塑性變形。裂紋形成后,又不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。疲勞破壞表現(xiàn)為“突然”發(fā)生斷裂,導(dǎo)致座艙連接軸的失效,極易造成事故。所以,對(duì)于連接軸的制造除了應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝質(zhì)量要求等因素外,應(yīng)重視對(duì)連接軸類零件表面?zhèn)E、劃痕、材質(zhì)缺陷等疲勞源的探傷檢驗(yàn)。尤其是對(duì)在用的游樂(lè)設(shè)施蹦極座艙連接軸的檢驗(yàn)是十分必要的。2連接軸環(huán)形圈的保險(xiǎn)安全裝置2.1周向運(yùn)動(dòng)圓的孔口與螺栓的連接將環(huán)形圈(見(jiàn)圖1)配裝在連接軸法蘭的軸向外側(cè),并套裝在連接軸耳孔筋板周向運(yùn)動(dòng)圓的徑向外側(cè)。在環(huán)形圈圓周的軸向使用若干條螺栓均布螺紋連接定位;螺栓另一端的螺桿與座艙框架外殼焊接。這樣,形成一個(gè)待用的固定“鉸鏈”支座,即連接軸環(huán)形圈保險(xiǎn)安全裝置。2.2連接軸安裝約束環(huán)形圈連接螺栓桿與可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接軸法蘭徑向應(yīng)留有約0～3mm的間隙。此間隙不宜過(guò)大,以不干涉連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自如為宜。環(huán)形圈外面與法蘭邊緣軸向間隙約5～10mm。環(huán)形圈內(nèi)孔徑應(yīng)大于連接軸兩耳孔筋板對(duì)角線的長(zhǎng)度,而小于連接軸法蘭外徑約20mm。若連接軸斷裂失效后,以防止其軸的法蘭盤(pán)從環(huán)形圈內(nèi)孔逸出。2.3固定“滲透液”的限制當(dāng)連接軸斷裂或如軸端螺母松脫出現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能和定位功能失效情況,將會(huì)導(dǎo)致彈力繩的萬(wàn)向聯(lián)接器與座艙分離。此時(shí),連接軸法蘭或軸端部分結(jié)構(gòu)就會(huì)被限制在環(huán)形圈固定“鉸鏈”支座內(nèi)部的狹小空間。在彈力繩的拉伸作用下,該件的軸向運(yùn)動(dòng)受到固定“鉸鏈”支座的約束。同時(shí),由于座艙總成偏載形成的重心會(huì)對(duì)座艙兩側(cè)連接軸的軸線產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩。在座艙“跳躍”的過(guò)程中,固定“鉸鏈”支座還具有一定的回轉(zhuǎn)功能,以緩解座艙對(duì)彈力繩和牽拉鋼絲繩承載時(shí)的扭轉(zhuǎn)力矩。連接軸環(huán)形圈保險(xiǎn)安全裝置的設(shè)置對(duì)座艙應(yīng)按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的牽引運(yùn)動(dòng)加以控制。3螺釘軸3.1固定心軸零件蹦極游樂(lè)設(shè)施座艙萬(wàn)向聯(lián)接器的螺栓軸屬于固定心軸零件。它使用螺栓連接的方式,使座艙連接軸與彈力繩萬(wàn)向聯(lián)接器形成鉸鏈型約束,它只承受彎矩不傳遞扭矩。3.2橫向載荷下螺釘?shù)氖问浇宇^的破壞一般會(huì)發(fā)生以下幾種形式:3.2.1螺釘變形螺栓的螺紋發(fā)生塑性變形;螺栓或螺母的螺紋的滑扣。3.2.2見(jiàn)圖2a螺栓受載時(shí),通常都發(fā)生在應(yīng)力較嚴(yán)重之處,即螺母支承面的螺紋;螺紋收尾和螺栓頭部座面。螺栓的剪斷取決于螺栓的剪切強(qiáng)度。3.2.3圖。2b和c相變形連接板螺栓孔被拉長(zhǎng)變形。嚴(yán)重時(shí),連接板螺栓孔被撕開(kāi)而破壞。螺栓孔的破壞取決于連接板的承壓強(qiáng)度。3.2.4拉連接板的干凈部分見(jiàn)圖2d在螺栓孔兩側(cè)尺寸突然改變的凈截面被拉斷。板的拉斷取決于帶孔連接板的抗拉強(qiáng)度。由此可見(jiàn),聯(lián)接除了以剪切形成破壞外,也可能因擠壓而破壞。3.3磨削螺紋的疲勞特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,因制造工藝不同,螺栓的疲勞強(qiáng)度也存在差異。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹,切削螺紋和滾壓螺紋相比較,在工況相同的情況下,其應(yīng)力幅度降低30%,但切削螺紋的疲勞強(qiáng)度僅是滾壓螺紋的60%左右。從螺栓的斷裂來(lái)看,切削螺紋均從螺母附近螺紋小徑牙根處斷裂;從斷裂面狀態(tài)來(lái)看,滾壓螺紋的疲勞斷裂面均從圓周的一部分開(kāi)始,而切削螺紋的疲勞斷裂面均從全周開(kāi)始進(jìn)行的?？梢?jiàn)嚴(yán)格控制螺紋的工藝性,可以降低應(yīng)力集中系數(shù),從而改善螺栓的疲勞強(qiáng)度。4螺母油套筒的保險(xiǎn)裝置4.1期性的交變載荷在彈力繩拉力的作用下,蹦極游樂(lè)設(shè)施的座艙會(huì)產(chǎn)生周期性的交變載荷,隨之與彈力繩連接的螺栓軸隨時(shí)間變化承載周期性的交變應(yīng)力。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增多,螺栓軸達(dá)到一定的使用壽命時(shí),它會(huì)因疲勞而斷裂失效。4.2圓形部件的安裝螺栓軸套筒是由具有足夠的剛度和穩(wěn)定性、有一定硬度的耐磨材料制成的薄壁圓筒形部件,簡(jiǎn)稱套筒。它被安裝在連接軸耳環(huán)孔和萬(wàn)向聯(lián)接器螺栓孔內(nèi),套筒與螺栓軸構(gòu)成一副光滑鉸鏈型約束。根據(jù)“失效后安全”的設(shè)計(jì)理論,套筒結(jié)構(gòu)型式雖簡(jiǎn)單,但在保障螺栓軸的使用安全性方面,卻起到十分重要的作用。4.3螺栓軸拉伸力螺栓軸裝配時(shí),應(yīng)擰緊螺母。雖預(yù)緊力不必很大,但它可以提高聯(lián)接剛度及緊密性。螺母鎖緊后,螺栓軸在套筒A(見(jiàn)圖1)內(nèi)處于軸向拉伸狀態(tài)即不轉(zhuǎn)動(dòng)也無(wú)摩擦。它對(duì)套筒A具有軸向定位作用;對(duì)萬(wàn)向聯(lián)接器具有鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)功能的作用。4.4間隙配合的裝配1)在彈力繩萬(wàn)向連接器與連接軸耳環(huán)鉸接的轉(zhuǎn)動(dòng)部位,裝配套筒A。套筒A外圓與連接軸耳環(huán)孔采用基軸制的過(guò)渡配合;內(nèi)孔與螺栓軸選用較緊的間隙配合。套筒長(zhǎng)度與連接軸耳環(huán)板外緣寬度尺寸相同。2)在萬(wàn)向聯(lián)接器與套筒A之間可轉(zhuǎn)動(dòng)部位,另裝配一套筒B(見(jiàn)圖1)。內(nèi)孔與套筒A外圓選用較小的間隙配合(如:H8/f7),以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的配合公差為宜。其套筒B外圓與聯(lián)接器孔采用基軸制的過(guò)渡配合,套筒長(zhǎng)度與聯(lián)接器外緣寬度尺寸相同,將套筒B在聯(lián)接器孔壓緊后可施焊焊牢。4.5螺栓面為橫向滑動(dòng)面時(shí)的組合由于套筒A與回轉(zhuǎn)連接軸耳軸板采用基軸制的配合,并且套筒A的軸向長(zhǎng)度與連接軸兩耳孔板外緣的寬度尺寸相同。則套筒A的包容面可以完全覆蓋與套筒B接觸到的螺栓軸的任何位置的聯(lián)接螺紋,包括螺紋余留長(zhǎng)度L。當(dāng)選用萬(wàn)向聯(lián)接器套筒B與套筒A的滑動(dòng)配合關(guān)系并移動(dòng)工作時(shí),其剪切面必將發(fā)生在套筒A的光滑的外包容面上。這樣,就可以避免受橫向工作載荷的螺栓連接的剪切面出現(xiàn)在螺紋等應(yīng)力集中因子的危險(xiǎn)截面上。這樣設(shè)置的套筒結(jié)構(gòu),對(duì)于保障螺栓軸的使用安全具有重要的意義。4.6旋轉(zhuǎn)連接軸與螺栓軸的內(nèi)接接方式a將套筒A裝入連接軸法蘭耳環(huán)孔內(nèi);套筒B裝入萬(wàn)向聯(lián)接器內(nèi)。由螺栓軸連接后,萬(wàn)向連接器外緣與回轉(zhuǎn)連接軸法蘭耳環(huán)孔板內(nèi)側(cè)之間,留有約5mm的間隙。它屬于一種游動(dòng)式的連接方式。在座艙彈射后,萬(wàn)向聯(lián)接器隨著使用工況(如彈力繩的拉力;座艙高度及翻滾,擺動(dòng)跳躍等運(yùn)動(dòng)狀態(tài))的變化。在回轉(zhuǎn)連接軸耳環(huán)孔內(nèi)壓緊的套筒A的外包容面,與滑動(dòng)的聯(lián)接器的套筒B形成所謂的“剪切面”。在螺栓軸的軸向較小的范圍內(nèi),“剪切面”的截面都在隨機(jī)發(fā)生著位置變動(dòng),這種游動(dòng)式的連接方式難以提供形成剪切時(shí)“一對(duì)相反的力”需要的“作用線相距很近”的穩(wěn)定條件。從而,極大地避免螺栓軸可能以剪切變形的破壞情形。此種結(jié)構(gòu)對(duì)于螺栓軸的安全使用的要求,套筒A的設(shè)計(jì)功能起到重要作用。4.7套筒的減少和安全保護(hù)4.7.1彈簧繩側(cè)向聯(lián)接器的拉拔力套筒A是1個(gè)承受剪切力的部件。它與螺栓軸選用較緊的間隙配合的關(guān)系。一般情況下,彈力繩萬(wàn)向聯(lián)接器的拉力是通過(guò)套筒B,并由套筒A和螺栓軸兩部件共同承載。當(dāng)套筒A與螺栓軸間隙較大時(shí),套筒A在剪切面上承受交變載荷,無(wú)疑會(huì)形成套筒A的早期損壞。從某種意義上來(lái)說(shuō),螺栓軸的安全性很大程度上取決于套筒A的使用壽命。4.7.2預(yù)防螺栓軸斷裂的有效措施根據(jù)使用工況的要求,對(duì)套筒A與螺栓軸的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì),可通過(guò)提高螺栓軸的表面完好程度,減少因不穩(wěn)定變應(yīng)力對(duì)螺栓軸螺紋收尾,摩擦傷痕等應(yīng)力集中形成的裂紋的幾率。它對(duì)于預(yù)防螺栓軸可能形成的斷裂起到二次保護(hù)作用。從而達(dá)到套筒A對(duì)螺栓軸的保護(hù)功能的設(shè)計(jì)目的。4.7.3套管a的減少在實(shí)際的問(wèn)題中,因套筒B外徑大于套筒A,投影面積大于套筒A,更大于螺栓軸。擠壓面積的增大,相對(duì)來(lái)說(shuō)是減少套筒A的擠壓應(yīng)力。這樣有利于提高部件的承載能力。通過(guò)對(duì)套筒零件的剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度的計(jì)算很容易驗(yàn)證這一點(diǎn)。4.8提高套筒強(qiáng)度的措施4.8.1提高彎曲強(qiáng)度的方法與萬(wàn)向聯(lián)接器連接的套筒B受到其拉力,通過(guò)套筒A使彈力繩的集中載荷改變?yōu)橐粋€(gè)沿套筒B軸線分布的均布載荷。這樣可以降低套筒A的最大彎矩?cái)?shù)值。相對(duì)來(lái)說(shuō),提高了套筒A的彎曲強(qiáng)度。從材料力學(xué)得知,將集中載荷改變?yōu)榉植驾d荷,可以取得提高彎曲剛度的效果。例如螺栓軸的跨度中點(diǎn)作用集中載荷為P時(shí),最大撓度為ymax=PL3/48EJ。如將集中載荷P代以均布載荷,且q1=P,則最大撓度ymax=5PL3/384EJ,僅為集中載荷P作用時(shí)的62.5%。4.8.2軸類件截面的比例,如表2實(shí)心軸與套筒的截面形狀不同,其抗彎截面模量Wz也就不同?？捎帽戎礧z/F來(lái)衡量實(shí)心軸和套筒截面形狀的合理性和經(jīng)濟(jì)性。比值Wz/F較大,則軸類件的截面的形狀就較為合理也較為經(jīng)濟(jì)。例如對(duì)實(shí)心軸圓截面的比值:空心套筒截面的比值:其中:F——實(shí)體截面面積;D——實(shí)心軸或空心套筒的外徑;d——空心套筒內(nèi)徑。從以上簡(jiǎn)單計(jì)算中看出:套筒的空心截面比實(shí)心軸圓截面合理。同時(shí),套筒的截面也符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能要求。所以,采用套筒結(jié)構(gòu)比較切于實(shí)際。4.8.3含量測(cè)定選擇零件材料首先應(yīng)考慮材料能否滿足零件的使用性能。選擇高質(zhì)量的鋼材,磷、硫含量應(yīng)在0.025%以下。套筒材料宜選用抗剪切,耐磨性和韌性均較好的材質(zhì)制作,以抵抗低周疲勞破壞,為了提高套筒的強(qiáng)度和耐磨性可對(duì)套筒進(jìn)行熱處理、化學(xué)處理以及表面強(qiáng)化處理工藝等措施,降低工件表面粗糙度,防止表面損傷和產(chǎn)生缺陷。5柔性軸承保險(xiǎn)的安全裝置5.1聯(lián)接器螺栓孔安裝在萬(wàn)向聯(lián)接器螺栓軸與彈力繩尼龍輪轉(zhuǎn)動(dòng)副的部位,加裝一套筒,稱套筒C(見(jiàn)圖1)。它被壓緊在聯(lián)接器螺栓孔內(nèi),其內(nèi)孔與螺栓軸采用較小的間隙配合。套筒C長(zhǎng)度與聯(lián)接器外緣寬度等同,外圓與彈力繩尼龍輪內(nèi)孔的間隙配合。5.2安全裝置原理繩輪螺栓軸套筒保險(xiǎn)裝置的保險(xiǎn)安全作用與上述第4節(jié)類同。5.3具有自調(diào)滑性根據(jù)使用工況,選擇尼龍材料制作彈力繩牽拉的尼龍輪,簡(jiǎn)稱繩輪(見(jiàn)圖1)。尼龍材料的疲勞強(qiáng)度和剛性較高,耐磨性和自調(diào)滑性好。繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可無(wú)需加油潤(rùn)滑,無(wú)污染,有利于提高彈力繩的使用壽命。尼龍材料尺寸穩(wěn)定,摩擦系數(shù)低,成型工藝好,尤其是經(jīng)過(guò)良好的加工工藝制作的繩輪,對(duì)彈力繩膠絲的摩擦損傷較小。它在彈力繩的較高拉伸載荷工況下,是配合套筒C支承及無(wú)油潤(rùn)滑工作條件下選擇制作繩輪的理想材料。6體驗(yàn)樂(lè)務(wù)用車發(fā)生的安全1)游樂(lè)設(shè)施的安全裝置在游樂(lè)設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要的地位。游樂(lè)設(shè)施依據(jù)設(shè)備的性能、運(yùn)動(dòng)方式、加速度以及結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)形式的安全裝置。按照“失效后安全”的設(shè)計(jì)理念,對(duì)于高空高速及危險(xiǎn)性較大的游樂(lè)設(shè)施必須設(shè)置兩套獨(dú)立系統(tǒng)的安全裝置。這樣對(duì)于保證游客的安全具有至關(guān)重要的作用。2)游樂(lè)設(shè)施乘客的安全多數(shù)是一種被動(dòng)的安全。在事故或碰撞無(wú)法避免時(shí),在游樂(lè)設(shè)施乘坐物的每一個(gè)人都應(yīng)有機(jī)會(huì)獲得盡可能完善的有效的保護(hù)。由于游樂(lè)設(shè)施安全裝置的功能作用對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)加以限制,就有可能減輕或避免撞擊事故造成的嚴(yán)重后果。對(duì)游樂(lè)設(shè)施安全裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)給