大型游樂設施金屬結(jié)構(gòu)疲勞破壞的早期預判

黃美強

（福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350008）

1 引言

在多年的大型游樂設施檢驗中，常能發(fā)現(xiàn)有些頻繁使用的設備幾年甚至僅一年左右就出現(xiàn)疲勞裂紋，即早期疲勞或低周疲勞。在國內(nèi)外游樂設施事故中，裂紋導致的事故不在少數(shù)。疲勞作為機械結(jié)構(gòu)主要的失效形式，其過程是部件金屬結(jié)構(gòu)隨使用時間不斷累積，損傷不斷增加，最終導致可靠性逐漸減弱，因此設備構(gòu)件結(jié)構(gòu)疲勞的主要特征為時變性[1]。由于檢驗機構(gòu)無法對設備的制造過程實施監(jiān)督檢驗，而制造過程往往可能將一些設備隱患流轉(zhuǎn)到使用環(huán)節(jié)，因此及早發(fā)現(xiàn)安全隱患或隱患導致的初期缺陷，對設備金屬結(jié)構(gòu)的疲勞盡可能做出早期預判，尤其針對比較陳舊的在用游樂設施，起到有效防范設備事故是極為重要。材料疲勞存在于設備的多個部位，如何早期發(fā)現(xiàn)并判斷其受損程度顯得尤為重要。

2 疲勞裂紋出現(xiàn)的部位和破壞的形式

文中所述的疲勞破壞主要為裂紋，屬于疲勞裂紋范疇，主要基于兩點：一是設備受破壞金屬結(jié)構(gòu)材料經(jīng)化學成分分析和機械性能試驗均符合要求，不存在超標的成分以及導致脆性的超標元素；二是裂紋的外觀和受力特征均符合疲勞破壞機理。

在實際中，以摩天環(huán)車為例，疲勞裂紋最早產(chǎn)生的部位大多位于配重與大臂的連接部位等（見圖1）。對于結(jié)構(gòu)件中類似軌道對接焊縫，及軌道與支架作為游樂設施的重要結(jié)構(gòu)件存在對接、角接、搭接等多種形式焊縫，以及不同材質(zhì)之間或變截面應力集中處的焊縫均存在焊接應力和殘余應力，這些部位極易造成疲勞裂紋。此時不僅要求對外部焊縫進行早期嚴格檢查，防止出現(xiàn)氣孔、夾渣、咬邊等缺陷外，還須利用無損檢測方法對內(nèi)部的未焊透、裂紋、未熔化、氣孔等進行檢測。這些盡管是微小的裂紋但也可能成為疲勞破壞的根源，如圖2。滑行車軌道裂紋，存在于車輛運行速度較快且轉(zhuǎn)彎半徑較小的部位，圖3車輪架耳板，其根部產(chǎn)生的長度約為12mm裂紋，原因為其端部漏焊而產(chǎn)生應力集中，成為產(chǎn)生裂紋缺陷的根源，即在沖擊載荷的長期作用下微缺陷處發(fā)生擴展所致。

圖1 摩天環(huán)車配重

圖2 滑行車軌道

圖3 車輪架耳板

3 疲勞裂紋產(chǎn)生的機理

3.1 與受力情況有極大關系

材料的受力情況是設備疲勞預判最重要的影響因素之一，由圖4可知，當金屬材料承受的交變載荷超過額定數(shù)值時，載荷超過額定值的多少與應力循環(huán)次數(shù)成反比，超過額定值越少，應力循環(huán)次數(shù)就越多，反之則越少[2]。

圖4 疲勞破壞的應力曲線

3.2 與交變載荷的類型有較大關系

通常，對金屬材料而言，典型的交變載荷主要有兩種，一種是結(jié)構(gòu)材料隨著時間的變化，其載荷應力變化范圍在最大值和零之間，最大應力值恒定，稱之為脈動循環(huán)變應力；另一種是其載荷應力在正值和負值之間（如材料受拉和受壓）發(fā)生變化，且其數(shù)值相等但方向相反，該情況稱為對稱循環(huán)變應力。在這兩種循環(huán)變應力情況下，隨時間變化，材料的疲勞曲線是不同的[3]，可以看出，在同樣的載荷應力值，載荷條件一致的狀態(tài)下，脈動循環(huán)變應力使材料達到疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)比對稱循環(huán)變應力多得多，即承受脈動循環(huán)變應力的構(gòu)件更不容易發(fā)生疲勞破壞。

3.3 與零部件外部特征關系較大

設備構(gòu)件的截面非圓滑過度處、剛性突變處等存在應力部件集中的部件，以及表面有缺口、粗糙的部件，均容易發(fā)生疲勞破壞。

游樂設施各主要構(gòu)件受力狀況差別很大，在摩天環(huán)車設備結(jié)構(gòu)中，大臂的根部、中部和端部都不同，端部受的載荷大，截面剛性變化大，又承受最惡劣的對稱循環(huán)載荷，產(chǎn)生疲勞的各種不利因素疊加在一起，導致這些部位容易產(chǎn)生裂紋。

4 疲勞裂紋產(chǎn)生主要原因

通常，結(jié)構(gòu)金屬材料的疲勞壽命包含了兩個階段：疲勞裂紋的形成階段和疲勞裂紋的擴展階段。疲勞破壞由多重因素導致，應力狀況，結(jié)構(gòu)金屬材料抗疲勞破壞能力等均為重要的影響因素，一般表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)應力水平高則壽命短，結(jié)構(gòu)應力水平低時壽命長，在相同條件下高韌性、高強度材料疲勞壽命更長，疲勞破壞的發(fā)展過程是漸變的，一般需要設備運行一段時間才會出現(xiàn)材料破壞現(xiàn)象，而且在破壞之前通常不會表現(xiàn)出明顯的征兆[1]，由于其突發(fā)性，無法事前發(fā)現(xiàn)，使其危險性極高，因此設計人員必須通過正確合理的抗疲勞設計和計算，預留安全系數(shù)，計算出設計使用壽命。通過實踐，根據(jù)疲勞現(xiàn)象總結(jié)規(guī)律，并逐步把這些規(guī)律運用到工程實際中，通過借鑒國內(nèi)外及前人的實踐經(jīng)驗和成果，進一步改進設計，使結(jié)構(gòu)趨于合理，盡可能避開一些易產(chǎn)生疲勞的材料、結(jié)構(gòu)形狀、受力狀況等不利因素。

由于承載的特性和構(gòu)造的需要，游樂設施部件從設計開始就無法避免受力狀況不利的形狀，這些部位大多存在應力集中的情況，如摩天環(huán)車大臂的端部等，但并不等于這些部位一定會產(chǎn)生疲勞裂紋，大多數(shù)相同結(jié)構(gòu)的摩天環(huán)車在同一時間段內(nèi)未發(fā)生疲勞裂紋的事實充分說明了這一點。由于大多游樂設施，如摩天環(huán)車在運行過程中，其大臂的端部焊縫承受的剪切力不僅最大，而且是最惡劣的對稱循環(huán)載荷。因此，一般情況下，產(chǎn)生疲勞裂紋主要是由于以下四個因素：

（1）游樂設施制造時焊接、材料或工藝過程中沒有嚴格控制，留下了一些缺陷流入到設備的使用環(huán)節(jié)，如材料的分層、焊接產(chǎn)生的氣孔、弧坑等制造缺陷；

（2）游樂設施部件因成本、工作效率和可操作性等難以避開截面突變、剛性突變處等應力集中嚴重的情況，如轉(zhuǎn)馬的曲軸、大擺錘座艙支撐桿等；

（3）游樂設施部件應力集中處承受對稱循環(huán)載荷，如摩天環(huán)車回轉(zhuǎn)大臂與配重的連接部位、大擺錘中心主軸等；

（4）游樂設施部件存在外力的持續(xù)強力沖擊，如滑行車類轉(zhuǎn)彎處的軌道彎月飛車軌道中間段和車輪架耳板等。

5 疲勞裂紋的早期發(fā)現(xiàn)及處理要點

游樂設施中疲勞裂紋出現(xiàn)的位置一般是設備的關鍵部位，一旦發(fā)生事故常常沒有先兆，當裂紋擴展到一定程度時，即使設備空載運行也會發(fā)生事故，曾經(jīng)多家公園和游樂場的摩天環(huán)車在空載試運行即發(fā)生配重墜落事故。因此，早期發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋尤為重要。設備使用環(huán)節(jié)對產(chǎn)生疲勞裂紋的三個主要原因無法避免，只有盡早發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的根源才能及時消除疲勞裂紋帶來的安全隱患，在此介紹裂紋早期發(fā)現(xiàn)處理的要點：

（1）在游樂設施檢驗工作過程中，應熟悉各部件的設計計算及受力狀況，經(jīng)常目測檢查設備主要受力結(jié)構(gòu)處焊縫，突變截面、過小的圓角半徑或表面加工質(zhì)量缺陷等應力集中處，特別是承受對稱循環(huán)載荷結(jié)構(gòu)處是否有疲勞裂紋或其他缺陷根源。

（2）使用無損檢測專業(yè)儀器（TOFD或超聲波探傷儀和磁粉探傷儀等）對設備如（1）中描述的可能產(chǎn)生疲勞裂紋應力集中處進行定期檢查，為了能準確、可靠、全面地發(fā)現(xiàn)設備缺陷的危險源，可在使用探傷儀之前采用磁記憶分析儀等高效率檢測儀器，可疑之處再用傳統(tǒng)探傷儀確認，以便更快捷地發(fā)現(xiàn)危險源，提高工作效率。

（3）通過有限元分析軟件來分析（見圖5），通過分析云圖能清晰地分辨各部位的受力狀況，從而對早期發(fā)現(xiàn)設備的疲勞缺陷提供有效的技術指導。

圖5 大擺錘立柱的有限元云圖

6 結(jié)語

疲勞失效作為機械部件結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，在游樂設施設備中也是一樣，其破壞機理復雜，影響因素較多，由于裂紋等一些制造過程產(chǎn)生的缺陷在形成和擴展過程中有很強的隱蔽性，而疲勞斷裂又具有瞬時性[1]，因此對游樂設施結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性造成很大的威脅，文中主要從實際經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)形狀及受力狀況等多方面分析，旨在對結(jié)構(gòu)破壞進行一定的預判，盡可能早期發(fā)現(xiàn)設備存在的隱患，為游樂設施的檢驗工作提供行之有效的指導，有效地降低事故發(fā)生的概率。