摩天轮螺栓松动、脱落问题浅析及预防措施研究

郭俊杰 张扬扬 崔明亮 吕梦南 张 健

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.沈阳创意游乐管理有限公司 沈阳 110000）

摩天轮属于观览车类大型游乐设施的一种。由于其运行平稳、老少皆宜,深受广大游客喜爱。其与过山车、转马一起,成为各个游乐园的标配。许多摩天轮甚至成为一个城市的名片,如“伦敦之眼”“天津之眼”“南昌之星”,社会关注度非常高。

螺栓连接是非常重要的一种连接手段,螺栓松动和断裂是观览车类大型游乐设施主要损伤模式的一种[1]。摩天轮根据转盘结构形式的不同,可分为刚性摩天轮、柔性摩天轮和刚柔混合性摩天轮［2］（见图1）,其中刚性摩天轮的螺栓使用量最大,常规A级刚性摩天轮的轮缘之间、轮缘与吊臂架之间、吊臂架与座舱之间、立柱法兰对接、立柱与基础连接等均采用螺栓连接形式,螺栓的使用量可达上万颗,所以,螺栓本身的制造、安装及维护保养质量直接影响摩天轮的运行安全。

图1 有主轴摩天轮的3种型式

1 摩天轮螺栓典型案例

1.1 螺栓松动案例

2016年6月12日,检验人员对东阳市某公园的1台85 m观览车检验时发现桁架法兰盘处部分螺栓松动（见图2）,仅用人力无须借助工具便可将螺栓拧出。2017年7月25日,检验人员对丹东市某公园的1台88 m摩天轮检验时发现桁架法兰盘处部分螺栓松动（见图3）。

图2 东阳市某公园观览车松动的螺栓

图3 丹东市某公园摩天轮松动的螺栓

1.2 螺栓脱落案例

2014年9月27日,检验人员对黑河市1台摩天轮进行监督检验时,发现固定玻璃钢的螺帽有高空脱落现象；2016年3月3日,1名乘客在乘坐宿迁市某公园的摩天轮时,发现1颗螺栓脱落（见图4）。

图4 宿迁市某公园摩天轮脱落的螺栓

1.3 螺栓断裂案例

2007年11月12日,检验人员对南昌市某公园的摩天轮进行定期检验时发现该设备主轴法兰与主桁架法兰连接高强度螺栓根部发生断裂（见图5）。

图5 南昌市某公园摩天轮根部断裂的螺栓

对于设备高度达上百米的摩天轮而言,一旦螺栓发生松动、断裂等情况,便会造成高空坠落,在节假日等设备运营高峰期间,摩天轮设备下方往往是密集的游客和排队人群,极易造成人员伤亡,造成巨大的社会影响。

2 螺栓松动、断裂的原因分析

2.1 螺栓预紧力不足

对某一刚柔混合性摩天轮进行应力测试,结果显示,摩天轮结构上的拉索及拉杆在摩天轮运行1周的过程中,存在正、负值的交变应力[3],在摩天轮实际运行过程中,运行到上端的拉索结构始终保持松弛状态,运行到下端的拉索结构始终保持拉紧状态（见图6）。由此可推断,拉索或拉杆法兰的连接螺栓的受力情况：当法兰随摩天轮旋转到正下方（6点钟方向）时,法兰连接螺栓承受最大外载轴向载荷；当桁架支臂法兰随摩天轮旋转到正上方（12点钟方向）时,法兰连接螺栓承受最小外载轴向载荷；在法兰连接螺栓预紧力不足,螺栓受横向荷载的情况下,当法兰随摩天轮旋转到正侧方（9点钟方向和3点钟方向）时,法兰连接螺栓将承受最大横向载荷。由此可见,在摩天轮运行1周的过程中,同一部位的法兰连接螺栓受力可经历一个从最大外载轴向载荷到最小外载轴向载荷以及大小相等、方向相反的横向荷载的循环过程。

图6 摩天轮运行过程中拉索的松紧情况

检验中经常发现摩天轮安装单位在安装螺栓前未严格按照设计要求对法兰连接高强螺栓施加预紧力,或者不施加预紧力而采用弹簧垫圈作为法兰连接高强螺栓的防松手段。采用有限元分析软件对比分析某规格高强螺栓在施加不同方向荷载、施加不同大小预紧力时螺栓所受应力情况。螺栓所受荷载方向及有限元分析结果示例如图7所示。

图7 螺栓仅受轴向载荷，预紧力为计算预紧力20%时的有限元分析图

施加不同方向荷载、施加不同大小预紧力的4种工况下螺栓有限元分析结果见表1。

表1 不同工况下的有限元分析结果

由表1可知,沿着螺栓轴向方向施加荷载,预紧力大小对计算结果影响较小；垂直螺栓方向施加荷载,预紧力大小对计算结果影响较大。螺栓受拉力及剪力,并且施加预紧力小于计算预紧力数值时,个别螺栓会产生较大的应力,这样就会使单个螺栓断裂,造成脱落事故。并且,摩天轮年复一年的长时间运行后,螺栓始终存在交变轴向载荷及横向荷载（预紧力不足的情况下）,使螺母容易松动,甚至会造成螺栓疲劳断裂,最终导致螺栓和螺母的脱落[4]。

2.2 螺栓制造质量较差

有研究[5]表明,螺栓断裂样本中77.5%是由使用前因素导致,而68.7%的螺栓断裂与制造相关。热处理工艺不当、机加工质量控制不严、加工过渡圆角过小、配合与装配质量较差、螺栓成型工艺有误均会造成螺栓断裂。如图5（b）所示,由于制造厂家选用的螺栓根部未加工圆角,使得设备在运行过程中,螺栓根部存在应力集中,设备在运行一段时间后,螺栓根部产生疲劳裂纹,直至最终断裂、脱落。

2.3 螺栓安装法兰面不平整

部分游乐设施制造厂家在厂内对法兰盘焊接后,未对由于焊接导致变形的法兰进行机加工处理,导致现场安装时,螺栓连接的法兰面存在较大间隙（见图8）,使得螺栓无法对法兰进行有效连接,此种情况下,螺栓承受的应力将会大大增加,一旦最大应力大于疲劳极限应力,螺栓疲劳寿命将会显著减小,并且法兰结合面间隙的变化,使螺栓还会承受额外的冲击载荷,将进一步加速螺栓的破坏[6]。

图8 安装间隙不符合要求的法兰盘

2.4 螺栓防松措施选用不当

部分制造厂家对采用弹簧垫圈防松的高强螺栓施加相应的预紧力,导致弹簧垫圈失去防松效果（见图9）。

图9 失去防松效果的弹簧垫圈

2.5 日常维护保养不当

客观因素方面,由于摩天轮结构高耸,检修时不易攀爬,且螺栓数量庞大,尤其是桁架式摩天轮,螺栓数量往往达到上万颗,导致检修人员较难做到全面、完整的日常检查,也未能及时发现螺栓的松动、锈蚀（见图10）。主观因素方面,部分摩天轮的使用单位自身技术力量薄弱,对于危险性较小、运行速度较慢的摩天轮日常检修也缺乏足够的重视,导致摩天轮长时间缺乏必要的维护保养,容易产生螺栓断裂或者脱落的问题。

图10 严重锈蚀的螺栓

3 建议措施

3.1 优化结构及防松设计，严格控制螺栓制造及安装质量

摩天轮的立柱、悬臂和横梁的法兰连接部位可设计止口,来抵消一部分螺栓承受的剪切力,降低螺栓断裂的风险[7]。

螺栓防脱落措施可以采用图11所示的防松方式,用不锈钢丝将螺栓根部、螺栓头部、垫圈分别串联,这样可以防止螺母松动造成螺栓、螺母脱落,也可以防止螺栓从中间断裂造成螺栓、螺母脱落,同时可以防止垫圈脱落。

图11 串联钢丝防松、防脱落

摩天轮制造厂家应采购正规制造厂家的合格螺栓,严格执行入厂检验流程,控制螺栓质量。摩天轮法兰连接面在焊接成型后,应对有变形的法兰面重新进行机加工,确保法兰面的平整。在对螺栓、法兰的运输和保存过程中,应轻装、轻卸,防止损伤螺纹和法兰。此外还应采取一定的防潮、防锈和防沾染脏物等相应措施,保护摩擦面,对摩擦面已被污染的法兰等,应进行相应的处理。现场安装时,严格按照设计要求采取有效的防松措施及施加预紧力,并采取多次紧固的方式来防止预紧力松弛。除此之外,还可以在螺栓和螺母之间涂覆合适的螺纹紧固胶来防止螺母松脱[8]。

3.2 加强螺栓的日常检查

摩天轮使用单位严格按照使用维护说明书的要求,定期对摩天轮各部分的连接螺栓进行日常检查,对锈蚀严重或者需要定期更换的螺栓进行更换。对于有些位置特殊、无法进行近距离检查的部位,建议采用无人机（见图12）、高清望远镜等设备进行辅助检查。

图12 无人机对螺栓的日常检查

3.3 设备垂直投影下方设置防护装置

为了防止螺栓失效后造成高空坠物伤人事故,可以按照法规及标准要求[9-10],在允许人员通行的摩天轮设备垂直投影下方设置防护棚（见图13）,防护棚的强度以螺栓无法砸穿为宜；未设置防护棚的区域应采取隔离措施,防止游客在设备运行时进入摩天轮运行区域。

图13 高空坠物防护棚

4 结束语

本文选取摩天轮螺栓作为研究和分析对象,结合实际检验案例阐述其在制造、安装及运营过程中存在的安全隐患,并提出相关的建议措施,为摩天轮产品安全性能优化、设备日常维护检查、检验人员现场检验及相关标准的制修订提供参考。