一個(gè)液壓缸在游樂設(shè)施上應(yīng)用案例淺析

郭俊杰 呂夢(mèng)南 崔明亮 張揚(yáng)揚(yáng) 張 健

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.沈陽創(chuàng)意游樂管理有限公司 沈陽 110000）

1 研究背景

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件,它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),可免去減速裝置,并且沒有傳動(dòng)間隙,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸在大型游樂設(shè)施中的應(yīng)用非常廣泛,如用于大型游樂設(shè)施上下客平臺(tái)升降的液壓缸,用于大型游樂設(shè)施柵欄門開合的液壓缸等。部分液壓缸甚至在大型游樂設(shè)施中作為重要受力部件或者單一失效部件,見圖1和圖2,此類設(shè)備的液壓缸在運(yùn)行中舉起整個(gè)座艙,其中某個(gè)環(huán)節(jié)一旦失效,可能會(huì)引起座艙的失控下墜,造成重大人員傷亡事故,因此,液壓缸的設(shè)計(jì)選型至關(guān)重要,直接關(guān)系游樂設(shè)備整體的安全性能。

圖1 極速風(fēng)車

圖2 搖頭飛椅

目前,游樂設(shè)施中采用的液壓缸通常由設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)階段通過選型計(jì)算后,直接從市場(chǎng)上采購并安裝使用,一般不會(huì)對(duì)采購的成品件進(jìn)行復(fù)驗(yàn)或者校核,筆者認(rèn)為,這樣采購的液壓缸雖然符合常規(guī)機(jī)械部件選型要求,但不一定符合游樂設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,這些液壓缸一旦應(yīng)用在游樂設(shè)施的重要部位,可能存在較大的安全隱患。

2 一個(gè)液壓缸的設(shè)計(jì)鑒定案例

圖3為廣東某游樂設(shè)施制造廠設(shè)計(jì)的一臺(tái)火箭彈射設(shè)備,屬于飛行塔類觀覽塔系列,主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)備高度為23 m,運(yùn)行高度為19.5 m,回轉(zhuǎn)直徑為3.7 m,運(yùn)行速度為4.2 m/s,承載人數(shù)16人。設(shè)備運(yùn)行方式：以液壓缸為動(dòng)力源,通過滑輪變速,帶動(dòng)座艙結(jié)構(gòu)沿著立柱框架結(jié)構(gòu)做上下運(yùn)動(dòng)；同時(shí)座艙結(jié)構(gòu)和立柱框架結(jié)構(gòu)都安裝在設(shè)備底部的一個(gè)回轉(zhuǎn)支承上,依靠減速機(jī)帶動(dòng)座艙結(jié)構(gòu)和立柱框架結(jié)構(gòu)一同做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)資料顯示,制造單位設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)火箭彈射設(shè)備載荷要求進(jìn)行了液壓缸的選型計(jì)算,直接從市場(chǎng)上采購后使用,未對(duì)液壓缸提出其他技術(shù)要求。該液壓缸在使用過程中一旦出現(xiàn)支撐銷軸與缸筒的連接焊縫開裂、支撐銷軸斷裂、活塞桿斷裂等問題,可能會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過程中座艙從19.5 m的高空墜落,造成重大人員傷亡。對(duì)設(shè)備分析可知,該液壓缸為該設(shè)備的單一失效部件。制造廠家未按照游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)對(duì)其進(jìn)行校核,存在巨大的安全隱患。

圖3 火箭彈射

3 液壓缸在大型游樂設(shè)施中應(yīng)用分析

3.1 液壓缸主體結(jié)構(gòu)及受力分析

以上述案例中的液壓缸為例,該設(shè)備采用的液壓缸主要結(jié)構(gòu)包括缸筒、缸蓋、活塞桿、缸體端部的接頭和耳軸等,如圖4所示。

圖4 油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該液壓油缸結(jié)構(gòu)中可能存在焊縫的部位有焊接成型的缸筒（如圖5所示）、焊接成型的空心活塞桿（如圖6所示）以及耳軸與缸筒連接部位（如圖7所示）等?？赡艽嬖谥匾N軸的部件或部位有耳軸（如圖4所示）。

圖5 焊接成型的缸筒

圖6 空心活塞桿

圖7 耳軸與缸筒焊縫

對(duì)該設(shè)備進(jìn)行分析可知,該液壓油缸部件是設(shè)備上下運(yùn)動(dòng)過程中主要的傳動(dòng)部件,設(shè)備在上下運(yùn)動(dòng)過程中,力依次經(jīng)過液壓缸的接頭→活塞桿→由缸筒與電磁閥封閉的受控液壓油腔→缸筒→耳軸,這5個(gè)液壓缸的主要部件中任意一個(gè)部件出現(xiàn)問題,如耳軸受剪疲勞斷裂、耳軸與缸筒焊縫由于安全系數(shù)不足或制造加工缺陷導(dǎo)致開裂、活塞桿連接焊縫開裂、接頭與活塞桿連接螺紋失效等,都可能導(dǎo)致設(shè)備上下運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)失效,造成座艙結(jié)構(gòu)從高處墜落,引發(fā)人員傷亡事故。

3.2 問題探討

上述游樂設(shè)備制造廠家在液壓缸的選型時(shí),按照標(biāo)準(zhǔn)液壓缸設(shè)計(jì)選型方法,給液壓缸制造廠家提供提資資料,提資資料中包含液壓缸安裝示意圖、液壓缸長(zhǎng)度及所需推力,之后液壓缸制造廠家根據(jù)上述信息,給游樂設(shè)備制造廠家推薦合適規(guī)格型號(hào)的液壓缸產(chǎn)品,游樂設(shè)備制造廠家直接裝配使用。

如果現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)液壓缸產(chǎn)品不能滿足客戶要求時(shí),游樂設(shè)備制造廠家會(huì)要求液壓缸制造廠對(duì)液壓缸進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸設(shè)計(jì)方法[1-3]中會(huì)要求對(duì)缸筒、活塞桿、連接焊縫及銷軸等主要部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。液壓缸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]、非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸設(shè)計(jì)方法和游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)[5]對(duì)液壓缸各個(gè)部件安全系數(shù)的相關(guān)要求見表1。

表1 安全系數(shù)要求

液壓缸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸設(shè)計(jì)方法和游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)液壓缸的其他技術(shù)要求見表2。

表2 其他技術(shù)要求

由表1和表2可以看出,液壓缸相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸設(shè)計(jì)方法中關(guān)于安全系數(shù)、沖擊系數(shù)、疲勞壽命、無損檢測(cè)、加工圓角等的技術(shù)要求不能完全滿足游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在游樂設(shè)施檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大量的由于銷軸未加工圓角而造成銷軸疲勞斷裂、未進(jìn)行無損檢測(cè)的重要焊縫由于內(nèi)部焊接質(zhì)量缺陷導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過程中焊縫開裂等案例,故僅僅按照此類液壓缸標(biāo)準(zhǔn)選型方法或者設(shè)計(jì)方法采購或設(shè)計(jì)制造液壓缸,不考慮游樂設(shè)施本身的對(duì)安全要求極其嚴(yán)格的特殊性,不對(duì)液壓缸按照游樂設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全校核,一旦這些液壓缸應(yīng)用在游樂設(shè)施的重要部位,長(zhǎng)時(shí)間使用后,由于液壓缸制造廠家的質(zhì)量參差不齊或者液壓缸本身的安全系數(shù)不足或者其部件制造加工質(zhì)量控制不當(dāng),極有可能造成液壓缸結(jié)構(gòu)中重要銷軸、重要焊縫或者主要結(jié)構(gòu)材料本身出現(xiàn)問題,導(dǎo)致液壓缸結(jié)構(gòu)損壞,造成游樂設(shè)施在運(yùn)行過程中發(fā)生坍塌等嚴(yán)重事故,造成大量的人員傷亡。

4 液壓缸在大型游樂設(shè)施中的應(yīng)用建議

針對(duì)上述問題,筆者建議液壓缸在游樂設(shè)施的應(yīng)用過程中,應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）風(fēng)險(xiǎn)分析。首先游樂設(shè)施制造企業(yè)應(yīng)對(duì)液壓缸本身進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,評(píng)估該液壓缸一旦失效,是否會(huì)造成人員傷亡。對(duì)于不會(huì)造成人員傷亡的,確定為一般液壓缸,對(duì)于會(huì)造成人員傷亡的,確定為重要液壓缸。

2）液壓缸設(shè)計(jì)選型。對(duì)于一般液壓缸,可以按照標(biāo)準(zhǔn)液壓缸選型方法進(jìn)行選型計(jì)算。對(duì)于重要液壓缸,除按照標(biāo)準(zhǔn)液壓缸選型方法進(jìn)行選型計(jì)算之外,還應(yīng)依據(jù)游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算校核,確保其液壓缸缸體、缸蓋、活塞桿、耳軸等主要結(jié)構(gòu)件以及主要結(jié)構(gòu)件之間的重要連接焊縫的安全系數(shù)及疲勞強(qiáng)度符合游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)[5]的相關(guān)規(guī)定。對(duì)于無法按照游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算校核的液壓缸,應(yīng)采用冗余設(shè)計(jì)或者失效安全設(shè)計(jì),確保單個(gè)液壓缸失效不會(huì)造成人員傷亡。

3）技術(shù)要求及質(zhì)量檢驗(yàn)。在液壓缸的技術(shù)要求中,應(yīng)根據(jù)游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材質(zhì)、重要銷軸和重要焊縫的無損檢測(cè)、銷軸熱處理及銷軸加工圓角等方面提出明確要求,嚴(yán)格進(jìn)行廠內(nèi)入廠檢驗(yàn),并對(duì)其進(jìn)行拆卸抽查,確保其質(zhì)量符合游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）日常維保。游樂設(shè)施的使用維護(hù)說明書中應(yīng)根據(jù)液壓缸生產(chǎn)廠家提供的使用維護(hù)說明書以及游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)要求,明確提出該液壓缸的日常維護(hù)保養(yǎng)要求,如對(duì)于重要銷軸應(yīng)有潤(rùn)滑、磨損等相關(guān)檢查要求,對(duì)于重要銷軸和重要焊縫應(yīng)有定期拆卸進(jìn)行無損檢測(cè)等檢查要求。使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照使用維護(hù)說明書的要求對(duì)該液壓缸進(jìn)行日常維保。

5 結(jié)束語

液壓缸是一種常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械部件,經(jīng)常應(yīng)用在不同的機(jī)械行業(yè),但是,筆者認(rèn)為,標(biāo)準(zhǔn)件不是安全件,應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用的不同場(chǎng)合,對(duì)其有不同的技術(shù)要求。對(duì)于應(yīng)用在游樂設(shè)施行業(yè)且直接涉及人身安全的液壓缸,除進(jìn)行常規(guī)選型計(jì)算之外,還應(yīng)按照游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行校核,確保游樂設(shè)備的本質(zhì)安全。另外,游樂設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于直接涉及人身安全的液壓缸應(yīng)該提出明確的技術(shù)要求或者專門設(shè)立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 37476—2019《船用擺動(dòng)轉(zhuǎn)角液壓缸》、GB/T 13342—2007《船用往復(fù)式液壓缸通用技術(shù)條件》等,來規(guī)范游樂設(shè)施行業(yè)中液壓缸的應(yīng)用。