搖頭飛椅撓性吊掛件的安全可靠性比對分析

文/張宇光 姚 俊 蔡 昶

搖頭飛椅是飛行塔類游樂設施的典型產品，就像一把大傘，傘蓋下邊吊有很多漂亮、精致的吊椅。設備運行時，“大傘”一邊旋轉一邊升降，而且伴隨著傾斜，帶動座椅在空中如波浪般起伏、旋轉，乘客猶如在空中飛翔，非常刺激。

搖頭飛椅頂部傘蓋一般采用圓形餅狀桁架結構，在桁架上一般焊有吊耳，座艙通過座椅懸掛裝置吊掛在吊耳上。設備在運行過程中，一旦座椅懸掛裝置發生故障，座艙就會失穩，甚至可能會將乘客從座艙中甩出，造成嚴重的事故。因此，座椅懸掛裝置是否完好是搖頭飛椅能否安全運行的關鍵，而撓性吊掛件正是座椅懸掛裝置的重要組成部分，直接關系到乘客的生命安全，是游樂設施生產單位和運營使用單位在設計、制造和維護保養過程中需要重點關注的部位。

一、座椅懸掛裝置和撓性吊掛件

1. 座椅懸掛裝置

座椅懸掛裝置主要由吊掛軸、吊桿、橫桿和撓性吊掛件等組成。座椅通常由撓性吊掛件吊掛連接，撓性吊掛件的另一端則與搖頭飛椅頂部傘蓋桁架上的吊耳通過吊掛軸、平衡桿、吊掛桿等零部件連接（見圖1），并設有冗余保護。

圖1 座椅懸掛裝置示意圖

2. 撓性吊掛件

撓性吊掛件是搖頭飛椅座椅懸掛裝置的重要組成部分，其是否完好是確保座椅懸掛裝置完好、保障設備安全運行的關鍵。撓性吊掛件的安全可靠性主要與其材料、規格、型號、連接方式、防護措施和維護保養等因素有關。目前，撓性吊掛件的常用圓環鏈或鋼絲繩，連接方式一般采用4 條圓環鏈或鋼絲繩，通過搖頭飛椅座椅鋼結構上相應位置的4根吊掛銷軸（或螺栓）實現吊掛連接，并另設有4 條圓環鏈或鋼絲繩作為撓性吊掛件的冗余保護。

二、撓性吊掛件安全可靠性比對和相關建議

1. 圓環鏈與鋼絲繩簡介

圓環鏈的制造過程通常是先檢測原材料質量，在質量合格的情況下，將原材料切料制成規定長度的圓棒料，然后把圓棒料彎曲成環的形狀并焊接成鏈環。將焊好的鏈條拉伸至一定長度，經過熱處理，以提高其試驗負荷延伸率、破斷負荷和破斷延伸率等性能值，然后進行強化拉伸，并做防銹措施[1]。圓環鏈的幾何尺寸主要有鏈環直邊直徑（d）、節距（p）、內寬（a）、外寬 （b）等。

在圓環鏈疲勞拉伸試驗中，鏈環一般先是從焊接位置斷裂，在拉力作用下鏈環產生塑性變形，繼續被拉伸，直到鏈環另外一側也斷裂[2]。

鋼絲繩是將力學性能和幾何尺寸符合要求的鋼絲按照一定的規則捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩由鋼絲、繩芯和潤滑脂組成。根據捻繞次數，鋼絲繩可分為單捻鋼絲繩和雙捻鋼絲繩。單捻鋼絲繩由若干斷面相同或不同的鋼絲一次捻制而成。單捻鋼絲繩可作為雙捻鋼絲繩的元件，又稱“股”。雙捻鋼絲繩撓性好，具有制造簡單、成本較低的特點，是搖頭飛椅撓性吊掛件的常用材料。根據股中相鄰兩層鋼絲的接觸狀態，鋼絲繩可分為點接觸鋼絲繩、線接觸鋼絲繩、面接觸鋼絲繩。

2. 基本承載能力

圓環鏈和鋼絲繩的破斷拉力主要與其規格、型號有關，即使是相同規格的圓環鏈和鋼絲繩，破斷拉力也會因型號不同而有所差異。圓環鏈和鋼絲繩制造單位會根據相應標準，如《重要用途鋼絲繩》（GB 8918-2006）制造圓環鏈和鋼絲繩，實測圓環鏈和鋼絲繩的破斷拉力，并將破斷拉力作為產品的性能指標列入產品質量證明書中。筆者在一些圓環鏈和鋼絲繩的產品質量證明書里發現，公稱直徑為4 mm～6 mm的鋼絲繩和鏈環直邊直徑為6 mm的圓環鏈，它們的破斷拉力一般都在11 000 N以上。

當搖頭飛椅在靜止狀態下時，每根撓性吊掛件受到的拉力F=（m1+m2）g/4cosα（m1為座椅質量，一般不會超過50 kg，m1取50 kg；m2為乘客質量），無偏載時估算結果為311 N。

按照《大型游樂設施安全規范》（GB 8408-2018）第6.1.2.2條的規定（乘坐成人1～2人時，乘客質量按≥750 N/人計算；乘坐成人2人以上時，乘客質量按≥700 N/人計算）。其中，m2取75 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為撓性吊掛件與垂線的夾角，接近0°，為保險起見，α取10°（一般情況下α＜10°）。

若生產廠家使用的撓性吊掛件破斷拉力為 11 000 N，在設備靜止狀態下，每根撓性吊掛件的破斷拉力至少為其所受拉力的35（11 000/311）倍。本文再以某36座搖頭飛椅為工程背景，利用數學計算軟件MATLAB對運行參數進行求解，在設備運行過程中，座椅受到的最大載荷F= 1 604 N[3]。若生產廠家使用的撓性吊掛件破斷拉力為11 000 N，在設備運行過程中，每根撓性吊掛件的破斷拉力至少為座椅所受最大載荷的6.8（11 000/1 604）倍。

此外，游樂設施生產單位還可以根據撓性吊掛件受力的設計計算結果，選擇更大規格或更高強度型號的圓環鏈或鋼絲繩，這樣撓性吊掛件會有更大的破斷拉力和更高的安全系數。因此，從基本承載能力分析，圓環鏈和鋼絲繩都能滿足設備安全運行的要求。

3. 抗擠壓、碰撞的能力

搖頭飛椅在運行過程中，座椅在座椅懸掛裝置的帶動下邊旋轉邊升降，運動狀態集旋轉、升降和變傾角等多種形式于一體，非常復雜。此外，由于受到乘客拉動撓性吊掛件等行為的影響，在設備運行過程中，撓性吊掛件之間、撓性吊掛件與座椅鋼結構框架之間必然會發生擠壓、碰撞等現象。由于圓環鏈具有耐磨、耐疲勞和抗擠壓等特點，設備在運行過程中的擠壓和碰撞一般不會對圓環鏈造成嚴重損傷，可能會造成圓環鏈的局部磨損。維護保養人員需要定期檢查（必要時測量）圓環鏈的磨損程度，若磨損量超過設備使用維護說明書中的相關要求則應及時更換。鋼絲繩具有強度高、彈性大和韌性好等特點，但在側面抗擠壓、碰撞的能力上不如圓環鏈。設備在運行過程中的擠壓、碰撞容易使鋼絲繩側面出現磨損和斷絲等損傷情況。在鋼絲繩反復受到擠壓、碰撞的過程中，磨損、斷絲等缺陷會日趨嚴重，給設備的安全運行帶來隱患。筆者在對搖頭飛椅的定期檢查中，已多次發現作為主吊掛作用的圓環鏈并沒有損壞，而作為吊掛冗余保護的鋼絲繩存在較為嚴重的磨損、斷絲等情況，需要立即更換。為了提高鋼絲繩側面抗擠壓、碰撞的能力，筆者建議游樂設施生產單位可采取相應措施保護鋼絲繩的側面，比如可以采用涂塑鋼絲繩。

4. 座椅吊掛處受力

撓性吊掛件在座椅吊掛處受力狀況不佳，該處是撓性吊掛件容易損壞失效的地方，需要重點關注。

對于在座椅吊掛處的圓環鏈，筆者發現許多游樂設施生產單位將其直接套在座椅吊掛銷軸（或螺栓）上（見圖2）。由于圓環鏈的內寬a較小，搖頭飛椅在運行過程中，圓環鏈內側會與座椅吊掛銷軸（或螺栓）之間產生較大磨損，該處就成為圓環鏈的薄弱點。本文建議游樂設施生產單位是否能夠通過增設卸扣等連接器材連接圓環鏈與座椅吊掛銷軸（或螺栓）的方式，以減少圓環鏈與座椅吊掛銷軸（或螺栓）之間的磨損。

圖2 圓環鏈在座椅吊掛處

對于在座椅吊掛處的鋼絲繩，由于該處鋼絲繩彎曲的曲率半徑較小，會產生額外的彎曲應力，鋼絲繩容易出現磨損、局部彎折、籠形畸變等情況。游樂設施生產單位一般采用將鋼絲繩索具套環套在座椅吊掛銷軸（或螺栓）上的方式（見圖3），以防鋼絲繩過度彎曲和磨損。游樂設施生產單位應選擇質量較好的鋼絲繩，如優先選擇線接觸鋼絲繩，這種鋼絲繩外層鋼絲位于內層鋼絲的溝槽中，內外鋼絲的接觸形成一個螺旋形。相比點接觸鋼絲繩，線接觸鋼絲繩之間接觸應力小、磨損小，鋼絲繩壽命長。鋼絲繩在座椅吊掛處不可避免地存在額外的彎曲應力，因而鋼絲繩在該處磨損、疲勞損傷加快，使用壽命縮短，這仍是運營使用單位在維護保養過程中需要重點檢查的部位。

圖3 鋼絲繩在座椅吊掛處

5. 防銹能力

圓環鏈和鋼絲繩都能采取相應措施提高其防銹能力。在材質上，圓環鏈和鋼絲繩都能選用不銹鋼材質提高其防銹能力，使其具有較好的防銹效果。在制造工藝上，圓環鏈和鋼絲繩都能采用鍍鋅等方式起到防銹作用。

由于在設備使用過程中，鋼絲繩的繩股之間會發生摩擦、擠壓，容易破壞鋼絲繩表面的鍍鋅層，使鍍鋅鋼絲繩防銹能力下降，而鍍鋅圓環鏈在設備使用過程中，其表面的鍍鋅層不容易被破壞。因此，在一般情況下，鍍鋅圓環鏈比鍍鋅鋼絲繩具有更好的防銹效果。

此外，根據圓環鏈和鋼絲繩不同的結構特點，其防銹能力也有各自需要注意的薄弱環節。對于鋼絲繩，由于其繩芯能存油，具有自潤滑能力并能提高鋼絲繩內部的防銹能力。在鋼絲繩曲率半徑較小的彎曲處（如圖3所示座椅吊掛處），鋼絲繩受彎曲擠壓，使該處繩芯存油量減少，故防銹能力減弱。而在設備使用過程中，座椅吊掛處又往往容易積水，故該處是鋼絲繩容易出現銹蝕的部位，運營使用單位在維護保養過程中需對該部位進行重點檢查。對于圓環鏈，若鏈環焊接位置處理不佳，容易發生銹蝕；若采用連續閃光對焊的方式焊接，焊后進行深冷處理，其焊縫組織性能會比采用常規熱處理有明顯提高，且不容易發生銹蝕。

三、結 語

游樂設施生產單位在設計搖頭飛椅撓性吊掛件時，應根據圓環鏈和鋼絲繩的不同特性，結合設備的運行方式，選擇相適應的規格、型號，在搖頭飛椅座椅之間采用更為合理的連接方式，并采取相應的保護措施，提高撓性吊掛件使用中的安全可靠性，保障設備安全運行。對于使用過程中在座椅吊掛處等撓性吊掛件容易出現缺陷的地方，運營使用單位應嚴格按照使用維護說明書的要求，重點做好檢查、維護保養等工作。

總體而言，圓環鏈和鋼絲繩作為撓性吊掛件時都能滿足搖頭飛椅安全運行的要求，不過筆者認為，因為圓環鏈具有更好的耐磨、抗擠壓能力和在座椅吊掛處具有更好的受力條件（不會產生額外的彎曲應力），所以建議游樂設施生產單位優先選擇圓環鏈作為搖頭飛椅的撓性吊掛件。