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摘要 大型游乐设施的声发射无损检测和安全评价方法 摘要 进入二十一世纪，大型游乐设施进入迅速发展的时期，其发展特 点是“更高，更快，更刺激”。世界各地纷纷建造了百米高以上的摩 天轮。例如，伦敦市区著名的伦敦眼，南昌市的南昌之星和将在北京 建成的2 0 8 米高的朝天轮。 大型摩天轮给现行的设计能力和检测手段提出了新的要求。 本论文研究了一套技术路线和检测手段在摩天轮应用的可能性 和可行性。 在常规力学的基础上，应用软件a n s y s 对摩天轮的钢结构进行 计算校核，应用应力手段测试应力分布和应力集中。 在出现缺陷时，尤其是关键部件，主轴等出现裂纹时，应用声发 射对摩天轮进行在线监测，并为安全评定提供依据。 关键词：摩天轮，a n s y s ，应力测试，声发射，安全评定。 北京化工大学硕士学位论文 l a r g ea m u s e m w n t e q u i p m e n t sn d to na e a n ds a f e t ya s s e s s m e n to na n s y s a b s t r a c t t h el a r g ea m u s e m e n te q u i p m e n t sb e e nd e v e l o p i n gf a s ts i n c et h e 21s tc e n t u t h ec h a r a c t e r i s t i co fi ti s “h i 曲e r ，f a s t e r m o r ee x c i t e m a n y g i a n t 、v h e e l sh a v eb e e nb u i l tr o u n dt h e 、v o r d ，e g ，t h el o n d o n se y ei n l o n d o n ，n a nc h a n g ss t a ri nn a nc h a n ga n dt h e2 0 8m e t e r s h i 曲c h a o t i a n sw h e e l i nb e i ji n g i tn e e d sm o r ed e s i g na b i l i t ya n dt e s tm e t h o df o rt h eg i a mw h e e l t h ep r o s p e c ta n df e a s i b i l i t yo ft h en e w t e c h n o l o g yw a ya n dn e wt e s t m e t h o di ss t u d i e di nt h i sp a p e r b a s eo nm en o m a lm e c h a n i c s ，t h es t e e ls t m c t u r eo ft h eg i a n t w h e e l sc a l c u l a t e dw i t ht h ea n s y sa n dt e s t e dw i t ht h es t r e s st e s t w h e nt h ed i s f i g u r e m e n t se x i s t ，s p e c i a lt h ek e yp 疵o ft h eg i a n t w h e e l ，s u c ha st h ea x i sh a v et h ec r a c k ，i tn e e do n l i n ei n s p e c t i n gw i t ht h e a e ，t h e na s s e s s i n gf o rs a f i e 吼 k e yw o r d s ：t h eg i a n tw h e e l ，a n s y s ，s t r e s st e s t ，a e ，s a f e t y a s s e s s m e n t l i 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期：兰竺竺生f pi ! ! 呈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工人学有关保留和使f = j 学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 机学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制于段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 毒莨 馅毓 乡耻。 彬和 l r 期：兰望垒垒三旦翌璺 f 期：塑! 墅塑翌璺 第一章前言 第一章前言 1 1 大型游乐设备的现状与发展趋势 国内外游乐设备的产生与发剧1 1 大约在1 5 5 0 年室内娱乐的雏形在欧洲出现，供人娱乐的项目有喷泉、花园、 保龄球、游戏、音乐、舞蹈和原始的娱乐乘骑。而在1 6 5 0 年建立在俄罗斯首都 圣彼得堡的“雪橇”，则是现代滑行车的原型。国外的现代游乐业的发展距今已 有1 0 0 多年的历史，真正快速发展阶段是在5 0 年代后。进入2 0 世纪7 0 年代， 随着科技的不断发展，计算机控制、微电子技术等先进科技在游乐设施的设计、 制造中得到了广泛的应用，游乐设施的新品种层出不穷，其科学性、惊险性、娱 乐性也在越来越突出。 2 0 世纪8 0 年代以前，我国的现代游乐设施几乎是一片空白。往前可追溯到 1 9 5 1 年由北京机械厂设计、安装在北京中山公园的电动小乘椅。直到1 9 8 0 年， 日本东洋娱乐株式会社赠送给中国第一台“登月火箭”游艺机，安装在北京中山 公园。 目前国内外游乐设施正朝着一下几个方面快速发展：1 、更高、更快、更刺 激。滑行车式大型游乐园的必备设施，被国际游艺机、游乐园行业称为“游艺机 之王”。滑行车的运行速度越来越快，目前滑行车最快速度早已超过1 5 0 k m h ， 单台最多的环数可达到三环。作为游乐园标志的高空观览车，今年来其高度不断 的被刷新。已于2 0 0 0 年2 月开放的为迎接新世纪到来的“伦敦眼”观览车，其 高1 3 5 米，共有3 2 个装有空调设备的透明胶囊型吊厢，载客定员8 0 0 入，转动 一周用时3 0 m i n ，每小时最大载客量可达1 6 0 0 人，设备总投资高达3 5 0 0 万英镑。 2 、高新技越来越多应用于游乐设施中。3 、组合式游乐设施层出不穷。4 、主题 乐园和社区游乐设施互为补充。4 、环保型、移动式游乐设施得到发展。 本论文将已近年来国内外比较著名的大型摩天轮为主要研究对象，尤其是将 在北京朝阳公园建成的2 0 8 米摩天轮。 观览车是由一个名叫乔治的美国工程师发明的，最早出现在芝加哥的一个游 乐园里，作为大型游艺机群中的一个新成员，很快受到游客的青睐。1 9 9 9 年年 底英国落成了一座名叫“伦敦眼”的摩天轮，以1 3 5 米的身高保持了世界之最的 纪录。但这一纪录还在不断地被刷新。新加坡一个海滨的摩天轮高度已达到1 7 0 米，可以俯看印尼和马来西亚。我国的台北、香港和内地许多城市也都在争相建 造1 0 0 米以上的摩天轮。 北京化工大学硕士学位论文 摩天轮根据自身的主体结构特点可以分为三类。1 桁架结构。钢管组成，法 兰连接，例如，“南昌之星”。2 拉索结构。其受力部位由拉索承受，例如新加坡 在0 8 年2 月建成的摩天轮。3 以上两者结合的结构。有钢管和拉索结合，这样 的好处式钢管的刚性强，而韧性差，造成在安装过程的误差，以及变形，应力集 中问题；同时，拉索在承担一定载重的同时，也承担一定的风载，雪载，温度误 差引起的变形。下面举三种摩天轮规格的技术参数，作为实例供参考，见表1 1 。 名称南昌方星 伦敦眼朝天轮 地点 江西南昌英国伦敦 北京 总高度 1 6 0 米1 4 0 米2 0 8 米 运转时间3 0 分转2 5 分转2 0 分转 额定乘员4 8 0 人8 0 0 人1 9 2 0 人 结构类别桁架结构拉索结构结合的结构 结构特点1 钢管组成1 钢索轮辐1 轮辋是由桁架结构组成 2 法兰连接2 框架支承悬臂悬挂转盘2 轮辐全部采用了钢缆辐条 表1 1 摩天轮的分类 t a b i e 1 一lc a c e g o r i e so fg i a n tw h e e i 北京朝阳公园正在筹建世界最高的摩天轮，高度为2 0 8 米。“摩天轮”( g i a n t w h e e l ) 又名“观览车”，也可以译为“巨人般的轮子 。习惯上把轮径在百米 以上的巨型观览车叫做“摩天轮 ，它那顶天立地的身躯确实称得上游艺机中的 巨人，在游乐园中是最令人瞩目的标志性项目。特别巨大的摩天轮甚至可以成为 一个城市的标识，而北京朝阳公园的这座摩天轮可以算是“超级摩天轮”了。它 将成为北京市旅游娱乐产业的标志性提升，对于奥运影响意义深远，对于拉动京 城旅游、完善朝阳区景观规划和完善朝阳公园功能都是一个重要的亮点。 摩天轮是水平轴、垂直回转类、有多个乘坐轿舱的大型游艺机。主要结构是 一个巨大的支架和一个巨大的轮盘。支架撑起一根水平的主轴，轮盘绕主轴缓缓 旋转，在巨型轮盘的周边，均匀地悬挂着许多的吊厢，游客乘坐在吊厢之中。 摩天轮的基本造型大体相同，包括支架、轮辋、轮毂、轮辐和吊厢，驱动系 统等。 国外摩天轮的设计与制造工艺技术，在以下三个方面有了重大的突破。( 1 ) 大转轮的钢索轮辐结构技术。巨型摩天轮摒弃钢支撑结构的轮辐，采用钢索固定 结构。保证轮盘的均衡性，否则大轮盘的不圆度和不平面度都会造成运动的不稳 定性。但是钢索轮辐在较大的风压下，常常会容易发生轮辋的球面变形，有一定 频率的节点振动。( 2 ) 内置自稳定系统的全景观光密封舱技术。以往的摩天轮使 用的都是挂在轮盘边缘的吊厢( 或吊舱) ，靠自重随时保持其水平位置。这种乘 2 第一章前言 坐装置的缺点是增加了乘员的晃动感；风力影响下，不稳定性更加明显；无法大 幅度地增加额定乘员的数量：吊厢到顶端时，却悬挂在轮缘的内侧，影响观光者 的视野。吊厢式座舱结构比较简单，限制了摩天轮技术的发展。观光密封舱内置 自稳定系统，始终固定在轮辋外侧。自稳定系统使舱体时刻保持水平位置，并提 高了摩天轮的稳定性和容量。这种密封舱的问世，成为摩天轮设计制造突破性进 展的一个重要标志。( 3 ) 现场拼接、调整、吊装和固定等成套安装系统工程技术。 摩天轮的安装，是分部件制作，例如大转轮的桁架轮辋，就可以拆成若干个 弧段分别制作，然后分部件、分段运输到现场，进行最后的拼装。拼装过程只能 在转轮平放的状态下进行，要在4 5 个足球场那么大的范围内，建一个l 临时的基 础平台，完成组装、调整。最后采用翻转的起吊方式，把摩天轮竖立到确定的位 置上。完成包括基础在内的现场安装系统工程，需要解决许多技术上的难点。现 在摩天轮的现场拼接、调整、吊装、固定等整套技术己趋于成熟。 将要建在北京朝阳公园的摩天轮是当今世界第一高度的超级摩天轮。主要结 构由飞轮、轴与支架、轿舱、游客登载平台、驱动系统和控制系统等六大部分组 成。 飞轮是摩天轮的主要部件。对于这样一个承受巨大静载荷和动载荷的运动盘 体，无论在结构刚性，工艺精度和动态稳定性等方面，都必须达到很高的技术要 求。 飞轮的轮辋是由桁架结构组成，外圈直径1 8 5 米，轮宽9 米，由两个用o 4 0 5 米直径圆形钢管弯成的平行的圆环组成，内圈直径1 7 0 米，位居两个外环的中间 位置，也是用圆形管弯成。三个圆环形成了经向截面中的三角位置。轮辋尺寸巨 大，制造分成多个弧段进行预制加工，最后在安装现场完成拼接。 飞轮的轮辐全部采用了钢缆辐条，使整个飞轮的重量减轻很多。钢缆的直径 为1 2 0 毫米，将轮辋连接到轮毂上去。整个飞轮共有9 6 根钢索，通过钢索在安 装调整时施加的预应力，保持飞轮的刚性和稳定性。 轮毂是飞轮的中心，通过轴承把全部飞轮的重载施加在主轴上，大飞轮的轮 毂长度为2 9 米，外径4 米。轴承安放在轮毂的内孔两端，采用特制的重型特宽 轴承，轴承装置有润滑系统的自动状态控制，随时得到监控，并有防水、防尘装 置。 主轴由两侧a 形支架固定，离地高为1 1 5 米。支架和主轴共同组成了飞轮 承载的主体。4 根支柱采用了外径为3 2 米，壁厚为5 0 毫米的大型钢管。支架 的一侧还有一根作为辅助的支柱，采用外径为3 米，壁厚4 0 毫米的大型钢管。 这5 根支柱组成了飞轮支架的主体。此外，在地面还有一组交叉支架和支柱一起 架起了弯曲平台，担负着登机人流的重载。 北京化工大学硕士学位论文 朝阳公园摩天轮的轿舱采用固定式的内置自稳定系统的密封舱，是三维椭圆 形的结构，共有4 8 个，均匀分布在飞轮轮辋5 8 0 多米的周边上。轿舱和轮辋的连 接靠一对间隔5 米的安装环，安装环直接刚性连接到轮辋的支臂上。 密封舱式的轿舱为游客提供3 6 0 度全景视界，轿舱的稳定系统确保游客乘 坐在舱内保持稳定。 密封舱还有三个自控系统：一是包括空调、照明、通信和内置自稳定的自动 控制系统；二是包括对运行设备、零件的监督和对运行舱室自诊断的自动控制系 统：三是包括自动报警、自动探测和事件触发时自动动作的自动控制系统。 朝阳公园摩天轮上轿舱的线速度较快，所以，在游客上下轿舱的平台上设有步 行电梯，以保证电梯和轿舱同步。运转中的轿舱始终在作圆运动。因此，摩天轮 的登载平台大都是曲面形的。但一般都把平台从地面做起，和摩天轮支架本身不 在一体上。然而，北京大飞轮是和支架联接在一起的曲面板形平台。密封舱在进 入登载平台时，舱门自动打开，乘客在轿舱经过平台时完成上下，并关闭轿舱门。 所以平台是人机交互的重要地点。平台顶部有玻璃顶棚，登载平台有电梯直通到 大飞轮底下的地面大厅，游客可以从大厅直接登上平台，既安全又方便。 刚性连接在轮盘两侧a 形框架支柱上的限制塔是保证大飞轮运转的重要部 件，执行着飞轮的驱动、导向和制动功能。有4 块很大的u 形槽钢板组成，尺 寸约为1 5 6 4 米。两两相对应地置于轮辋最外圈的两侧。限制塔u 形钢板的 槽形内设置了数量对应的两排大轮胎。驱动功率通过轮胎和飞轮轮辋的摩擦传动 带动飞轮缓缓转动。通过导向轮，限制飞轮旋转时的偏摆和晃动。同时，当飞轮 制动时，传递制动力矩，使飞轮减速或停止。因此，限制塔承受着巨大的动载荷、 静载荷、风载和制动载荷等重载影响。 驱动系统由电源通过大功率电动机带动液压泵，经过双向液压管的进给，把 动力传递给驱动机构，机构靠作为驱动轮的轮胎，用摩擦传动推动大飞轮缓缓转 动，每个驱动轮胎后面都有一对双向液压传递动力。北京摩天轮驱动的特点是多 个轮胎多点推动，驱动力量大而稳定。在游客上下时，飞轮不停地连续转动，只 有在紧急情况下，或运行日终止时，或为了适应运行需要才停止；安全客运能力 强，满载乘客达1 9 2 0 人循环，恒速转动，平稳乘坐，为了应急疏散，驱动设备 中有备用发动机作为辅助动力，能以o 1 5 米秒的速度驱动。辅助电源能维持至 少4 小时的驱动运行。 制动方式有两种：一种是正常的运行停止制动，是在驱动力脱开后，运动慢 慢地自然减速停转，在到达停止位置时实施制动，弹簧压紧惰轮，把制动力传给 飞轮的轮辋两侧，使轮盘停止；第二种是驱动力停止后立即实施紧急制动，迫使 轮盘较快的停止。在全偏心负载状态的恶劣情况下，飞轮运行速度达到0 5 4 米 4 第一章前言 秒时，实施紧急制动的制动距离应在1 2 5 米以内停止。满负荷条件下的急停， 停止距离更应小于1 2 。5 米。飞轮不能减速过快，不能超过了密封舱内游客的安 全要求。北京摩天轮还设有动力失效情况下，启用手动模式的控制系统，自动地、 可靠地锁定或打开飞轮，这是一个确保乘客安全的保险模式。 综合上述分析，朝阳公园的超级摩天轮具有以下明显的技术特点【2 l ： 1 “游艺机之王 朝阳公园的超级摩天轮无论在高度、重量和同时载客能力方面都是目前摩天 轮中雄踞首位的。2 0 8 米的高度，4 7 0 0 吨的重量，1 9 2 0 人的同时载客能力，这 在目前所有的游艺机家族中，也是没有一个可以和它相比的。这座运动中的“摩 天大楼”完全可以被誉为“游艺机之王 。 2 科学的计算程序和完美的数学模型 超级摩天轮有很大的静载荷和动载荷，在露地运行还要考虑强劲的风压带来 的冲击载荷。在设计计算书中，无论是支架、轮辋、钢索、辐条、轮轴、轮毂及 地基，在不同节点都一一作了详细的力学分析，有一套科学完整的计算程序，并 且构建了数学模型。在容易产生受力变形和发生晃动的轮辋各节点，还详细地作 了频率计算分析。这一切，对于超级摩天轮如此巨大的运动物体是必需的，只有 严格计算才能保证万无一失。 3 十分注意体现人性化的设计 在超级摩天轮的设计中，充分体现了“以人为本”，为游客着想的人性化设 计原则，对于每一个细节都要保证游客安全、便捷、舒适、享受。如安全登机平 台自动开启舱门，消除减速区的晃动，传动系统设置备用动力，人员保护应急预 案和应急疏散系统，3 6 0 度全景观光，2 5 英里视距，轿舱的空调冷暖通风，密封 舱照明、播音和闭路电视系统，可靠的内置自稳定系统，安全监视系统和火灾报 警系统等等，把游客登机后可能发生的一切情况和各种需要都予以考虑到了，应 该说超级摩天轮的人性化设计使乘载摩天轮变成了一次最温馨的空中观光旅行。 4 严格的工艺规程和质量标准 摩天轮的加工制造，规定了所有零部件的严格的工艺规程，所用的材料、工 具、加工工艺，检验方法等都按规程的要求分步实施，严格工艺纪律，遵守操作 规程是摩天轮质量得以保证的关键。工艺规程中明确制订了符合国家钢结构规范 要求的公差标准、有关钢结构的材料质量标准、焊接质量标准、防护处理的质量 标准、轴承的技术规范以及装配、检测的技术标准。正是这一系列完整的“规范”、 “规程”和“标准”，形成了摩天轮加工制造中质量保证体系的基础。 5 充分的安全保障措施 安全是摩天轮设计和制造中最主要的考虑因素。超级摩天轮的设计中提出了 一系列安全保障措施，充分显示了安全设计的可靠性和严密性。如在传动系统设 计中考虑了充分的备用能力，结构设计中考虑了足够的安全系数，在事故预防中 北京化工大学硕士学位论文 准备了仔细的应急预案。此外，大飞轮公司还准备了一套“故障”模式及效果分 析，其中演示了发生部件故障时，平台上的人员及舱内人员得到确切安全保护， 而且保证结构不会倒塌。密封舱有一套故障防治系统，安全监视系统、报警系统 及火警报警模式，人员快速撤离的安全疏散模式，可以自动识别摩天轮的顺时针、 逆时针转动的最短路径，使密封舱尽快返回访问平台的高度等等。科学的事故预 防措施和应急处置措施，能够有效地保证摩天轮运行的安全性。 6 庞大的拼装现场和复杂的装配程序 超级摩天轮要在现场进行拼接、调整、起吊、安装等施工程序，现场占地约 4 0 ，o o o 平方米，仅轮盘的安装就需要3 0 ，0 0 0 平方米的圆形面积，事前还必须先做 好临时基础，要有多台起重吊装设备和液压顶升设备，完成翻转竖立，一次就位， 不可能在竖起后再进行任何的移动。摩天轮巨大的身躯坐落在预先准好的基础 上，这里的地面建筑有地下两层，地上三层，三层的顶面和登载平台相接。地面 建筑用于配套的娱乐、服务、机房和管理。从准备临时基础、轮辋拼接，轮辐调 整、支架、轮盘结构的整体起吊到完成全部安装的装配工艺步骤是正确有序的， 科学地组织好这样庞杂的系统工程，可以作为超级摩天轮装配工艺的范例。 1 2 目前存在的问题 我国对游乐设备的法规体系 国家质量监督检验检疫总局对大型游乐设备的管理体系是十分严格的。目前 的体系分为四个层次，即法规规章技术规范标准。特种设备安全检察条例 是有国务院总理签发，属于行政法规。其下是由原国家质量技术监督局局长签发， 以局长令的形式发布的行政规章。再下是安全技术规范，安全技术规范是规定游 乐设施的安全性能和相应的设计、制造、安装、修理、改造、使用管理和检验方 法，以及许可、考核条件、程序的一系列行政管理文件。安全技术规范是游乐设 施法规体系的重要组成部分，其作用是把法律、法规和行政规章原则具体化，提 出游乐设施基本要求。安全技术规范引用有关国家标准，具体指导实际工作。游 乐设施的各类各项标准正逐步制定和修改，目前已初步建立较完整的体系。 目前的检测分为型式试验、出厂检验、验收检验、定期检验等。型式试验包 括整机型式试验、主要部件型式试验和安全部件型式试验。对游乐设施来说，主 要是整机型式试验。出厂检验是由制造厂按工厂产品标准进行。但必须满足国家 有关强制性标准如g b 8 4 0 8 2 0 0 0 、g b l 8 1 6 8 g b l 8 1 7 0 2 0 0 0 等的要求。在采用 外购零部件时，要有该零部件合格证明和相关的型式检验合格证明，同时应对零 6 第一章前言 部件在产品中的功能进行检验。监督检验是根据特种设备安全检察条例。对 大型游乐设施的制造安装过程中进行的检验，监督检验根据国家标准制定的检验 规程和检验项目进行。未经监督检验和监督检验不合格的游乐设施不准投入使 用。定期检验是在一定时间内，主要对游乐设施运行过程中的技术性能、安全装 置以及磨损、疲劳等方面进行检验，定期检验每年一次，超期未经检验或定期检 验不合格的，不准继续使用。 在检验中，无损探伤占很重要的部分，从型式试验到定期检验，都有无损检 测的。应用在对重要零部件的探伤和安全装置的检验。例如，过山车的车体的立 轴，侧轴，竖轴和摩天轮的吊挂轴，轮辐和支架等的探伤都是无损检测。在游乐 设施中的常用无损探伤中，包括射线探伤，超声探伤，磁粉探伤和渗透探伤。 游乐设施作为特种设备的一种，其安全运行和检测式一项关系到人民群众生 产和生活的大事。与国外发达国家相比，我国载游乐设施的检测、可靠性、事故 分析技术理论以及检测设备方面，还存在一定的差距。即使国内有许多大型游乐 场引进的国外的先进游乐设备，但是在维护、检修等方面国内的技术还不过关， 导致了现在有了好的设备但还是存在安全方面的重大隐患，在这方面，国外发达 国家非常重视新技术，如对钢结构的声发射的无损检测、对游乐设备从设计到寿 命终结过程的安全评价，取得了大量的研究成果和显著的经济社会效益，为人们 提供了许多值得借鉴的经验。 游乐设施安全评价难题及其解决办法【3 】 目前国内对于游乐设施的检修，绝大部分还停留在停车检修和定期更换零件 的阶段上。这种方法不但费时费力，而且在很大程度上要依赖与工作人员的经验， 常规的检测方法，水平相对落后，且精度不高，对于某些大型游乐设施的在线检 测无法进行，而这类设备的安全状况必须与运动状态综合分析才可能得到精确的 放映，因此，设备的安全运行不能得到保障。 进一步利用有限元对机械系统各个零部件的强度、刚度及各种缺陷的危害性 做出分析和安全评价。 1 3 大型游乐设备的声发射检测与安全评价的意义 大型游乐设施需要实现现场检测。国内现阶段，大型游乐设施的检测都是在 安装前对零件进行常规的无损检测。在安装完成后，重要部件不能拆卸或者拆卸 后会提高检测成本，这样在运行中就会出现重要部件的失效。 断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一，它比其它失效形式，如弹塑性 7 北京化工大学硕士学位论文 失稳、磨损、腐蚀等，更具有危险性。大型游乐设施中的轴，作为机械或工程结 构的主要承重部件若发生断裂，就可能发生灾难性的事故，造成人员生命和财富 的巨大损失。例如，在循环应力作用下材料会发生疲劳断裂。研究断裂的主要目 的是防止断裂，以保证构件在服役过程中的安全。在轴服役过程中，由于力学、 温度和介质等环境因素的作用，在构件中会形成裂纹。研究裂纹的应力和应变分 析，建立新的断裂判据，寻找断裂机制和提高材料断裂韧性的途径，用于构件的 安全性评估或断裂控制设计，具有重大的工程应用意义。通过对材料表征实验过 程的声发射监视，建立声发射、微观机制、力学特性之间的关系，通常可以达到 两个目的：分析和评价变形、断裂机制与力学行为；为构件的无损评价建立广泛 的声发射特性数据库。对于检测，传统观念采取的是在发现问题后进行修补( 维 修或修理) 的办法，要求在发现危及安全的缺陷后立即进行修复。而新的观念是 预测并管理，要求能对可能发生的缺陷、故障进行预报，从而能在某一合适时间 段内采取措施。这样才能在保证产品或结构安全的前提下，保障各种产品或结构 安全运行以取得最大的经济效益。因此实现对大型游乐设施的在线检测，既有利 于检测部门的工作，又保证了设备的正常运行，最重要的是保护了游人的人身安 全。 大型游乐设备从设计，制造，安装，运行，大修，安装过程中，国外采取的 是对设备进行安全评价，评价其危险程度；国内现在技术力量比较大的游乐生产 厂，在设计过程中，使用a n s y s 对摩天轮在正常状态，极限风载，雪载情况下 的疲劳载荷和强度校核。而在游乐设备运行中，对重要部件的维修是很重要的。 例如，在摩天轮中，轮毂中的承受重载的轴承和主轴一旦出现裂纹，如果是要更 换这些部件，拆卸量占设备总体结构的5 0 以上，这样做是不可能的，也是不现 实的；但是在维修后，对设备的安全状况进行评价是十分重要的，也是十分必须 的。 1 4 主要的研究工作 本课题是研究大型游乐设施的钢结构体的检测与评价，应该分成两个部分， 第一部分是正常状态下的设备强度校核，首先用理论力学，材料力学等常规力学 进行计算，在实际工程中应用应力应变技术进行实际的校核；同时，依据摩天轮 的钢结构特点，进行结构上的静力学分析，动力学分析和模态分析。 第二部分是在异常情况下的检测和分析，如果出现裂纹，应该用断裂力学的 方法进行分析，用a e 技术进行安全评估。 本论文提出一整套关于摩天轮的检测与评价的技术路线。 第二章摩天轮的设计计算和强度校核 第二章摩天轮的设计计算和强度校核 2 1 摩天轮的设计 标准中对摩天轮的设计要求 在游艺机和游乐设施安全标准g b 8 4 0 8 2 0 0 0 中，第5 部分就是关于设计 要求的规定，引用其中部分内容，如下： 5 设计规定 5 1 游艺机和游乐设施的设计应有设计说明书、计算书及符合国家有关标准的 全套施工图。 5 2 大型游艺机的设计，应考虑风载、地震、偏载等特殊载荷。当风载、地震 超过设计范围时，必须进行校验。 5 3 游艺机极其辅助设施的设计，应计算正确，结构合理，能保证乘人安全。大 中型游艺机设计应规定其整机使用寿命。 5 4 游艺机各部分的安全系数，应符合要求。 安全系数= 材料的破断强度材料的计算应力 对于“重要轴、销轴及重要焊缝”，其安全系数要求6 。 5 1 8 2 静载荷和总载荷的安全系数，其计算公式如下： 尺 圪= 1 彬 尺 z 磁+ 暇+ 形 式中：，z i 一静载荷的安全系数，不大于l o ； 一总载荷的安全系数，不大于5 ： 彬一钢丝绳所收的静载荷( 装载物、吊钩、钢丝绳等载荷) ，n ； 形一加速度的载荷，n ； 9 北京化工大学硕士学位论文 职：盟 g s 一提升加速度，州s 2 g 重力加速度，9 8 州s 2 职一弯曲所产生的载荷，n ； 形：型 。 d a 一钢丝绳断面积，m m 2 ； d 一卷筒或槽轮直径，m m ； d 一钢丝绳的直径，n u n ； e 一钢丝绳的弹性系数，1 0 5 n h 1 l l l 2 。 我国的游艺机和游乐设施安全标准中对摩天轮的设计要求，主要是从静载荷 的角度出发，而实际上，超大型的摩天轮的设计除还要考虑很多方面的，比如， 在实际载荷的应力强度，钢结构的静力学和动力学分析等。 2 2 应力测试技术在摩天轮的应用 应力测试的理论知识 应力的定义 当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这 种形变称为应变( s t r a i n ) 。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反 作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力( s t r e s s ) 。或物体由于 外因( 受力、湿度变化等) 而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力， 以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在 所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力( s t r e s s ) 。按照应力和应变的方 向关系，可以将应力分为正应力。和切应力t ，正应力的方向与应变方向平行， 而切应力的方向与应变垂直。按照载荷( l o a d ) 作用的形式不同，应力又可以分 为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。 应力的分类 同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。 应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过 这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种 材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力 作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想 l o 第二章摩天轮的设计计算和强度校核 安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发 生破坏。 有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应力大小 不变，称为静应力；还有一些材料，其所受的外力随时间呈周期性变化，这时内 部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。材料在交变应力作用下发生的 破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破 坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象 称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这 在构件的设计时应特别注意。 物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处 变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后 单元体大小和形状的变化。 线应变 在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形 前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用e 表示。一点在x 、y 、z 方向的线 应变分别为x 、ex 、8y 、ez 。线应变以伸长为正，缩短为负。 切应变 单元体的两条相互垂直的棱边，在变形后的直角改变量，定义为角应变或切 应变，用y 表示。一点在x y 方向、y z 方向z x 方向的切应变，分加别为y x ” y v z 、yz ) 【。切应变以直角减少为正，反之为负。 “南昌之星”应力测试的应用 通过对当前世界较高的观览车“南昌之星”在运行一年后出现的主轴法兰高 强度螺栓断裂情况进行应力测试，分析断裂情况发生的原因。 首先，从结构受力分析。由于螺栓断裂发生在主轴处主桁架法兰外侧，此处 结构位置如图2 1 所示。法兰螺栓连接结构受到圆周方向的桁架结构自身载荷和 乘客载荷的组合作用，观览车主轴方向受到风载作用。受力分析结果显示在风速 为1 5 m s 且满载情况下，螺栓预紧力设置为1 3 5 0 1 5 0 0 n m 。 北京化工人学硕一卜学位论文 图2 一l 法兰结构位置幽 f i g 2 ll o c a t i o nm a po ff l a n g e ss t r u c t u r e 从螺栓断裂在法兰面分布情况和法兰安装结合面异常丌口方向判断安装地 河道比较大的风载为桁架结构受到的主要载荷，也是发生螺栓断裂的主要载荷原 因。 其次，从结构分析中分析。此处法兰结构为带止口的结构，尺寸为止口直径 4 0 0 m m ，止口深度为1 0 m m 。根据现场检验发现8 拌、a 撑法兰安装结合面有异常开 口，经咨询设计公司和安装厂家，得知主轴法兰与主桁架法兰不是同一个厂家 加工，主轴为外协件，在安装的时候就发现此两处法兰无法满足诈常安装间隙， 造成此处的应力集中。 图2 2 法兰结合面 f i g 2 2c o m b i n a t i o no fo ff l a n g e 此处螺栓规格为m 3 0 x 1 0 0 ，强度1 0 9 级，材料为3 5 c r m o a 。检验发现螺栓 根部几乎无过度圆角，这也是应力集中的原因。 第二章摩灭轮的设计汁算和强度校核 图2 3 螺栓根部过渡吲角 f i g 2 - 3n l l e to f b o l t sr o o t 最后，认为由于法兰安装误差致连接法兰安装止口不能正常起作用，使连接 螺栓受到了异常脉冲载荷，受力危险截而就是螺栓根部。而螺栓根部几乎无过度 圆角加剧了此处载荷集中状况，是导致螺栓根部断裂的直接原因。 进行应力测试，对以上的分析进行核对。 现场选择7 撑、8 群主桁架及与8 主桁架对称的g 群主桁架进行应力测试，测试 点选择在主桁架外侧根部。在2 至3 级北风的风载条件下，对空载、满载和偏载 三种载荷状态下进行动态测试，测试得出以下结论： t 图2 48 拌主桁架测试位置 f i g 2 4t e s tl o c a t i o no f8 m a i nt r u s s ( 1 ) 空载状态下，主桁架根部应力最大值为7 6 1 m p a 。 ( 2 ) 满载状态f ，主桁架根部应力最大值为8 0 0 m p a 。 北京化工大学硕士学位论文 ( 3 ) 偏载状态下，主桁架根部应力最大值为8 4 0 m p a 。 说明在风载情况下，主桁架根部侧面应力比较大，验证了以上的分析。 2 3 州s y s 的强度校核 在大型游乐设施设计中采用a n s y s 软件的原因 大型摩天轮的设计计算过程在传统计算中是比较复杂的运算过程，尤其是在 风载荷等附加载荷的计算中，由于计算量大，计算公式的难度大，所以常规的计 算结果很难与实际的情况相符合。同时，摩天轮作为具有一定高度的钢结构建筑， 还要从整体上考虑结构校核和关键零部件的强度校核，同时，也要考虑到在地震 这样的特殊载荷，这些是传统的实际计算很难满足摩天轮的计算校核。 a n s y s 软件的技术特性和优点【4 ，5 】 根据摩天的设计计算要求，a n s y s 软件从动静态力学和模态分析的角度进 行解决。 摩天轮结构的频率和振型计算前，应先计算其在静力载荷下的位移和内力。 由于摩天轮结构是空间桁架形式，计算时假定桁架所有杆件连接节点为铰接，采 用整体空间桁架法进行计算。 动力分析时，可取此静力终态的内力和几何坐标作为初始态，即假定体系的 静力平衡位置作微幅振动。通常采用子空间迭代方法来求解其特征值和特征向 量，得到自振频率和振兴。静力载荷下的几何非线性分析可采用改进的 n e 州。卜r 印h o n 迭代法等方法求解。 整体空间桁架法以整个摩天轮为超静定空间体系，所有杆件都是二力杆，不 是受轴向拉力，就是受轴向压力，没有弯矩，节点是理性铰。 摩天轮结构的动力特性研究的重要部分是摩天轮模态分析。 自振特性可以直观地反映出结构的自身刚度特性和结构布置是否合理，研究 结构振动的目的就是避免在动荷载作用下发生共振的危险。摩天轮结构可以看成 具有多个自由度的振动系统，因此具有多个固有频率和共振区，在频幅曲线中表现 为多个峰值。这种在自由振动时结构所具有的固有频率、固有振型、模态质量、 阻尼比。固有振型和固有频率反映了结构在多大频率的外部刺激下能够产生共振， 是结构重要的基本特性就是结构的模态。结构的模态参数包括固有频率、固有振 型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比。固有振型和固有频率反映了结构在多大 的外部刺激下能够产生共振，是结构重要的动力参数。同时，固有振型表现的各 阶振型下的相对位移，体现结构在发生振动时的运动趋势。相对位移大，说明该点 1 4 第二章摩天轮的设计计算和强度校核 在振动时，偏离j 下常位置就远。 a n s y s 在摩天轮设计的应用 项目的基本情况 某市8 0 米观览车的结构特点：观览车转盘柔性钢钢缆、支撑梁组合结构基础 上的观览车主要有前后支架、主轴、转盘、座舱、驱动装置、液压系统、灯光 及控制系统组成。此观览车按5 0 年一遇基本风压8 0 0 p a ，观览车在强度校核上 主要考虑风载荷和观览车自重及乘客载荷的因素。观览车的基本参数有：顶点高 度：8 0 米。转盘形式：转盘柔性钢钢缆+ 支撑梁结构。支架形式：对称四立柱 结构。转速：每转1 2 5 分钟。主轴规格：直径1 8 0 0 1 6 m m 。主轴轴承：直径 6 0 0 m m 两个向心球轴承。 基本建模思路 观览车转动部分为直径5 3 m 的转盘，转盘外耳为滚道盘，采用三角形端面 钢管桁架结构。滚道盘与主轴轴承通过1 4 4 根交叉布置的钢缆和5 组支撑梁相连 接。钢缆结构为柔性结构，钢缆受压时退出工作，支撑梁为刚性结构，由于转盘 结构为钢一柔混合结构，在计算时可以满足某些钢缆退出工作。 观览车结构单元自然分散，采用p i p e l 6 、m a s s 2 l 、l i n k l o 与b e a m 4 单元。 p i p e l 6 单元( 三维弹性直管单元) 是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元，每个 节点有6 个自由度：沿节点坐标系的x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动。 本单元以三维梁( b e a m 4 ) 为基础，并包括了对称性和标准管几何尺寸的简化 特性。观览车结构中模拟圆管。 m a s s 2 1 单元( 结构质量单元) 是至少有6 个自由度的点单元：沿节点坐标 系x 、”z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动，观览车结构中模拟轿厢。 b e a m 4 单元是一个轴向拉压、扭转和弯曲单位，每节点有6 个自由度：沿 节点坐标系的x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动。本单元具有应力刚化 和大变形的功能。观览车结构中模拟方形管或者其它异形管。 构件说明 1 主轴 观览车主轴采用1 8 0 0 1 6 截面的钢管。由于主轴内部布置了很多加劲构 件，考虑加劲构件的影响，计算采用中1 8 0 0 1 8 截面的钢管模拟主轴的刚度， 偏安全。 2 滚道盘 滚道盘采用口2 0 0 1 0 0 8 方形截面。龙骨采用2 7 3 8 。支撑构件7 0 6 。 3 回转轴承的模拟 北京化t 火学硕二i j 学位论文 回转轴承与主轴连接只有转动自由度，无水平位移自由度。模型中采用耦合 水平自由度来模拟铰接，垂直主轴方向放射状的一系列杆单元构成的环向结构来 模拟主轴铰接支承点。环向结构与主轴固接，同时将轮盘载力传递到主轴上。 4 拉钢缆 拉钢缆采用l i n k l o 单元模拟，其预应力由初应变产生。拉钢缆预应力用初 应变进行赋值。 径向钢缆出应变6o = 2 9 1 8 7 7 1 0 4 载荷、作用说明 在观览车有限元分析中，观览车载荷计算分为以下几类：a 观览车极限载荷 情况；b 观览车正常运行载荷情况；载荷组合情况：自重系数安全系数恒载荷 + 安全系数活载荷+ 安全系数摩天轮的f 面风载荷。 两种a n s y s 特有的求解用途 校核风载 极限风荷载下结构校核 正面校核是观览车最有威胁的载荷方向。极限风载荷作用时，结构受力应按 钢结构设计规范g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 要求进行校核。 侧面载荷由于受力面积的计算的复杂性，但在相同风压条件下风载荷要小很 多( 按f 面的7 0 8 0 计算) ，通过正面载荷的计算的结构，大部分的结构强 度都能通过侧面载荷的计算，故只进行粗略计算，。其计算的目的时为了测立柱 脚提供一个合理的基础反力，已使整个观览车机构通过各个方向的强度校核，见 图2 5 ，2 6 ，2 7 。 “ 图2 5 风载荷模型图 f i g 2 - 5m o d e ln g u r eo fw i n dl o a d 1 6 第一二章摩天轮的设汁计算和强度校核 朋 j ， ， ， l 著 ， 匀 r 虿下萝 r 蠢弦 “ 二 ；f ： - 吾卜j i _ i 。_ ? _ 0 ：芒k _ r 譬， ：。r ，l ”r 一。 n 。， i 口 图2 6z 方向位移 f i g 2 6d i s p i a c e m e n to fz sa x i s 图2 7 摩天轮z 方向位移 f i g 2 - 7d i s p i a c e m e n to fg i a n tw h e e lo nz sa x i s 在构件强度校核中，可以完成对一下的结构件进行校核：a 滚道盘龙骨；b 滚道盘滚道；c 校厢支撑架；d 滚道支撑杆：e 支撑梁管子：f _ 支撑梁撑杆；g 一莎 架：h 底架；i 钢缆受力。其中卜图表示的是对立架的强度校核。 、 厶h一厘扩 北京化t 人学顺i j 学位论义 j!： f 嗨 ，i 二。一磁。磊飞鬲下 ： c c + r 5 r n 自 ? i ! ，n h 。1 图2 。8 莎架管子的应力剀 f i g 2 - 8s t r e s sm a po f b r a c k e t 列出立架管子不同点的三个方向的应力，剪应力以及弯矩的计算值，从t ，找 到最大的计算值进行强度校核。 侧面极限载荷 侧断极限载荷的计算记过见图2 9 。 、“ 图2 9 侧而极5 良载荷 f i g 2 - 9s i d ef 、a c eo fl i n l i tl o a d 第章峰火轮的殴汁计算和强度拨核 风载倚模型图及计算结果 风载荷模型图及计算结果见图2 1 0 。 图2 一1 0 侧风向1 ，点f 力云图 f i g 2 一l on e p l l o g r a mo fs i d et a c e sn o d es t r e s s 模态计算 观览午模态分析耿1 0 阶进行汁算。分析结果：以下列的前1 0 阶的部分振 型图：( 1 ) ( 2