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由一起游乐设备事故引发的思考

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-09  浏览次数:98
核心提示:1概述据巴基斯坦《论坛快报》报道,2018年7月15日晚,巴基斯坦卡拉奇(Karachi)一家游乐场发生一起意外事故,正在运行的游乐设
概述

据巴基斯坦《论坛快报》报道,2018年7月15日晚,巴基斯坦卡拉奇(Karachi)一家游乐场发生一起意外事故,正在运行的游乐设施突然发生倒塌,造成一名8岁女孩死亡、至少11人受伤。在出事之后,游乐场当即表示,出事的游乐设施是从中国进口的。

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图1 事故瞬间

事发当天,出事的设备是一个如同大摆锤一样的娱乐设施。据目击者称,在大摆锤完成360度旋转后,突然一声巨响,从离地面大约12米的高空坠落,吓得众人四处逃跑。据悉,该游乐设施6月刚开业,尚处在试运营阶段。有现场目击者称,由于免费乘坐,事发时设施处于超载状态。目前,该游乐设施的坠落原因初步被认定为螺丝断裂。

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图2 事故现场

高强螺栓在游乐设施中的应用

由新闻可知,事故的直接原因是螺丝断裂,造成螺栓断裂的原因是超载。游乐设备中,关键部位的螺栓连接,必须用高强螺栓。做为一名游乐设备的爱好者来说,仅就本次事故,谈谈本人的一点看法。

2.1 什么是高强度螺栓

通俗的说,用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓,8.8级以上等级的螺栓都称为高强螺栓或高强度螺栓,普通高强螺栓的常用标准为:GB5782、GB5783. 钢结构用大六角高强螺栓的常用标准为:GB1228。

高强螺栓的本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。实际上在英标规范、美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等。高强度普通螺栓和大六角高强螺栓在施加预紧力和防松方式上,有着根本的区别。

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图3 高强螺栓

2.2 高强螺栓的分类

强螺栓除了其材料强度很高之外,还给螺栓施加很大预拉力,使连接构件间产生挤压力,从而使垂直于螺杆方向有很大摩擦力,而且预拉力、抗滑移系数和钢材种类都直接影响高强螺栓的承载力,高强螺栓不可重复使用,一般用于永久连接。高强螺栓最小规格M12,常用 M16~M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。

高强螺栓,按照设计和受力要求的不同,可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种,两者的本质区别是极限状态不同,虽然是同一种螺栓,但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。

高强螺栓是预应力螺栓,摩擦型用扭矩扳手施加规定预应力,承压型拧掉梅花头。在抗剪设计时,高强螺栓摩擦型连接是剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态,也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形(螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量),被连接板件按弹性整体受力。

高强螺栓承压型连接在抗剪设计时,允许外剪力超过最大摩擦力,这时被连接板件之间发生相对滑移变形,直到螺栓杆与孔壁接触,此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力,最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。

总之,摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓,只不过是设计是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动,螺栓不承受剪力,一旦滑移,设计就认为达到破坏状态,摩擦型连接是指在荷载基本组合作用下连接摩擦面发生相对滑移,在技术上比较成熟;承压型高强螺栓可以滑动,螺栓也承受剪力,荷载标准组合作用下连接件之间发生相对滑移,最终破坏相当于普通螺栓破坏(螺栓剪坏或钢板压坏),

由于承压型高强螺栓在国内不常用,市场上也难以购买,本文在此不再对承压型高强螺栓进行过多的探讨。以下内容所讲的高强螺栓主要是指摩擦型高强螺栓。

2.3 螺栓的防松

考虑到在强震反复作用下,连接摩擦面可能会失效,因此需采用合理的防松方式。

普通螺栓的防松方式:普通螺栓+平垫圈+弹簧垫圈+普通螺母,或:平垫圈+普通螺母+扣紧螺母。

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普通螺栓的防松

平垫仅仅是加大接触面积,保护连接件的表面防止螺栓螺母拧紧时划伤工件表面;弹簧垫可以防松,比如电机与机座连接的螺栓一般要加弹簧垫,因为电机震动如果没有弹簧垫,螺母会松动,因此游乐设施中电机的紧固螺栓装有弹簧垫片。但是弹簧垫圈的防松能力很低!所以用在不重要的场合。

使用扣紧螺母防松时,先用普通螺母把被连接件紧固,然后旋上扣紧锁母并用手拧紧,使之与普通螺母接触,再用扳手将扣紧螺母紧60°~90°即可。松开时则必须拧紧六角螺母。使之与扣紧螺母产生间隙,则可松开锁紧螺母。松退扣紧螺母时,必须先拧紧六角螺母,使其与扣紧螺母之间产生间隙,然后才能拧下扣紧螺母,以免划伤螺栓螺纹 该结构防松性能良好,但不宜用于频繁装卸的场合。

高强度普通螺栓的防松方式:高强度普通螺栓+平垫圈+双螺母。

《建设机械与设备 高强度紧固件技术条件》JG/T5057.40-1995的规定,“当使用8.8级或9.8级螺栓时,一般不允许采用弹簧垫圈防松。使用其他性能等级的螺栓,绝不允许采用弹簧垫圈防松。建议采取下述防松方法:采用双螺母防松,二个螺母应相同”。双螺母防松原理:两螺母在拧紧后,螺母之间产生的轴向力,使螺母牙与螺栓牙之间的摩擦力增大而防止螺母自动松脱。

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普通高强度螺栓的防松

正确的安装方法为:先用规定的拧紧力矩的80%拧紧下面的螺母,再用100%的拧紧力矩拧紧上面的螺母;下面的螺母螺纹牙只受对顶力,其高度可以减小,一般用薄螺母;而上面的螺母用1型标准螺母;有的为防止装错和保证下面的螺母有足够的强度,则采用两个等高的螺母(1型),该结构简单、防松效果好、成本低、质量大,多用于低速重载或载荷平稳的场合(《机械设计手册》〔联结与紧固〕)。

大六角高强螺栓的防松方式:大六角高强螺栓+2个平垫圈+螺母。

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大六角高强螺栓

大六角高强度螺栓的连接副是由一个螺栓、一个螺母、二个垫圈组成,螺栓、螺母一定要配套使用(购买时也是成套购买的)。安装时,安装方向由下到上,螺栓头和螺母每侧配备一个垫圈,垫圈有倒角一侧必须朝向螺栓头或螺母。承受拉压交变荷载,先对其施加预拉力,然后在被连接件之间的接触面上产生摩擦阻力来承受剪力或减少其预压力来受拉力。一般用于梁构件等重要的工业及民用建筑中,此种螺栓一般采用扭矩法施工,螺栓依靠螺纹之间压紧产生的摩擦力进行防松。

2.4 小结

通过本节的分析,对螺栓的防松方式进行总结,如表1所示:

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事故原因猜想

由前几节分析可知,游乐设备关键部位的螺栓连接应采用高强螺栓连接。同时摆锤悬臂部位受到的载荷形式为低速重载,因此此处连接建议采用,高强螺栓+双螺母的连接形式。

如果采用了可靠合适的连接方式,是不是就能保证不出事故呢?不是的,我们知道,高强螺栓的失效形式是剪切面出现了滑移。因此还需按照剪切面的滑移条件进行校核,即预紧力在接合面产生的摩擦力大于水平剪切力。

如果以上两个条件都满足,是不是就能保证安全呢?即采用了高强螺栓+双螺母的防松方式,同时剪切面的摩擦力大于剪切力。答案还是否定的。

高强螺栓的预紧力大小可参考GB8408-2018附表C1和C2施加,表中给出的值为最大允许值,也就是说上临界值,在游乐设备设计中,如果螺栓受到额外的拉力(例如大摆锤的悬臂法兰螺栓连接),切不可按照表中所写的预紧力施加,需要根据实际工况核算后施加。这一点很重要、很重要、很重要(重要的事情说三遍)。摆锤大臂上的高强螺栓,除了受到预紧力之外,还受到很大的工作拉力,因此不能按照GB8408-2018附表C1和C2施加,应该保证预紧力在接合面产生的摩擦力大于水平剪切力的前提条件下,预紧力尽量取小。

我们知道,高强螺栓的预紧力由本身的屈服强度决定,预紧力控制在其屈服极限的70%,如果按照GB8408-2018附表C1和C2中给定的预紧力,螺栓的承载力已经接近屈服极限,此时如果螺栓再承受额外的拉力,螺栓就会被拉断。关于这点,我几年前已经在我的百度文库中反复说明,可现实中,我接触到的很多游乐设备设计图纸(包括已经通过设计文件鉴定的图纸),均未能考虑高强螺栓的实际使用环境,按照游乐设施安全规范中的推荐值去施加,包括在型式试验中,个别检验人员要求按照规范去施加,甚至很认真的监督你用扭力扳手,按照GB8408中列出的预紧力去施加,这样做反而使得游乐设备产品在运行时处于更加危险之中。

事实上,大量的试验和使用经验证明:较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的。当然,俗话说得好,“物极必反”,过高的预紧力,如若控制不当或者偶然过载,也常会导致连接的失效。因此,应根据螺栓的使用工况,准确确定螺栓的预紧力。

建议与展望

除了螺栓按照规范施加预紧力,可能会使游乐设备处于危险之中。游乐设备设计和检验中,还有几点,需要注意:

  • 螺栓的防松方式,扣紧螺母不能用于高强螺栓的防松,扣紧螺母为65Mn钢,它的防松效果比弹簧垫圈好,受力更均衡,可用于替换弹簧垫圈,但仅能用于普通螺栓的防松,不可用于高强螺栓的防松。

  • 弹簧垫圈不能用在高强螺栓防松,其中回转支承用螺栓防松,需采用双螺母防松方法,两个回转支承螺母应该相同。

  • 安全带的更换是按照使用年限更换的,但使用年限的起点是什么时候,好多企业和检验人员想当然的认为是游乐设备的出厂日期。这是错误的,应按照安全带的出厂日期计算更换周期,不是按照整机设备的出厂日期,为了游乐设备的运营者能够及时更换,建议对游乐设备首检时,加入对安全带出厂日期的检验。

  • GB8408-2008《游乐设施安全规范》规定:钢丝绳最小断裂载荷与其承受最大静荷载的比例10,但这个规定仅对大部分游乐设备使用,不是所有游乐设施,对于钢丝绳承受较大冲击的游乐设备,如青蛙跳、跳楼机不适用。建议按照《游乐设施安全技术监察规程(试行)》第八条第五节:钢丝绳按总载荷计算不小于5去校核。

 
 
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