一个标准工业脚轮在大型游乐设施中应用的检验案例浅析

郭俊杰 崔明亮 吕梦南 刘兴科

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)

（2.河北中冶冶金设备制造有限公司 邢台 054100)

1 研究背景

随着游乐设施在国内大规模建成并投入使用，游乐设施的安全问题日益凸显，已成为特种设备安全问题的重要组成部分[1]。标准件由于通用性强，标准化程度高，被广泛应用在游乐设施上，常见的标准件有紧固件、连结件、传动件、密封件、液压元件、气动元件、轴承、弹簧等[2]。部分标准件是游乐设施中的重要零部件，甚至是单一失效件，如图1所示的高空飞翔传动装置采用的联轴器，图2所示的大摆锤采用的回转支承等，这些标准件一旦失效，可能直接造成大量的人员伤亡。

图1 高空飞翔

图2 大摆锤

目前，游乐设施中采用的标准件通常由设备生产厂家在设计阶段通过选型计算后，直接从市场上采购并安装使用，一般不会对采购的成品件进行复验或者校核。笔者认为，这样采购的标准件虽然符合国家标准或行业标准，但不一定符合游乐设施的安全标准，这些标准件一旦使用在游乐设施的某些重要部位，复杂工况条件下可能会存在较大的安全隐患。

2 一个标准工业脚轮检验案例分析

图3为某制造厂设计制造的一台架空游览车，主要设备参数：轨道距离地面高度为12.5 m，运行速度为1.8 m/s，每车承载人数4人。设备主要由轨道、轨道立柱、车体、电气系统及其他车辆辅助设施组成。该架空游览车的运行方式：车辆由安装在轨道内侧的滑触线供电，并由车体上驱动桥驱动车辆在轨道上行驶。为了便于后期维护，行走轮选用了一种直径为300 mm的标准工业脚轮（见图4）。

图3 架空游览车

图4 行走轮（标准脚轮）

现场对该工业脚轮进行拆解，发现该工业脚轮的轮轴和法兰板焊缝质量较差（见图5），存在焊缝长度不足、弧坑裂纹、气孔、飞溅等焊接缺陷。

图5 工业脚轮轮轴与轮架连接焊缝

查阅该台架空游览车的设计资料发现，制造单位设计时依据架空游览车载荷要求进行了脚轮的选型计算，直接从市场上采购后使用。GB/T 14687—2011《工业脚轮和车轮》标准对脚轮的技术要求主要包括脚轮外观、装配、脚轮硬度、超载能力、制动能力、行走性能、耐腐蚀性能等[3]，出厂检验项目主要包括脚轮外观、转动灵活性、车轮硬度和车轮圆跳动等[3]。按照GB/T 14687—2011标准要求，出厂时不需要对车轮和轮架的焊缝及脚轮轴进行无损检测，制造单位采购该脚轮后未对轮架的焊接质量及脚轮轴进行复验，也未校核该部件的设计图纸。

笔者认为，该款工业脚轮作为游乐设施的重要零部件，不符合GB 8408—2018《大型游乐设施安全规范》标准[4]的要求，存在较大安全隐患。

3 工业脚轮选型建议

针对上述检验案例发现的问题，笔者建议，标准工业脚轮在该游乐设施的应用过程中，应按照以下步骤进行设计。

3.1 风险分析

在该架空游览车设计之初，应对所采用的标准工业脚轮进行风险分析，主要目的是根据该脚轮失效后果的严重程度来鉴别该脚轮是重要标准件还是一般标准件。对于失效后不会造成人员伤亡的标准件可定义为一般标准件，对于失效后会造成人员伤亡的标准件可定义为重要标准件。分析可知，该脚轮为架空游览车的行走轮，在架空游览车沿特定轨道前行过程中对车体有支撑作用，该脚轮一旦失效，会造成车体倾斜，人员可能滑出车体而造成高空坠落；另外，该工业脚轮一旦失效，脚轮本身可能从高空坠落，造成架空游览车下方的乘客伤亡，故可将该脚轮鉴别为重要标准件。作为重要标准件，笔者建议该脚轮应依据标准GB/T 14687—2011及GB 8408—2018进行定制生产，对于无法进行定制生产的，建议按照如下步骤进行设计。

3.2 选型计算及强度校核

首先按照架空游览车受力情况进行标准工业脚轮的选型计算，之后利用有限元分析软件按照GB 8408—2018标准的要求对该脚轮的主要结构、重要焊缝及重要销轴进行强度校核，其安全系数应符合GB 8408—2018标准的相关要求。

●3.2.1 选型计算

上述案例中，制造厂家对该工业脚轮进行了选型计算，计算过程如下：重型万向轮，型号为10寸型橡胶轮，承载能力为3 t，单轨车车重为856 kg，满载乘客重量为280 kg，合计重量为1 136 kg，分配到单个脚轮的重量为568 kg，冲击系数为1.1，则单轨脚轮选型安全系数为：3 000/568/1.1=4.8。计算结果满足使用要求。

●3.2.2 强度校核

利用有限元分析软件，对该脚轮进行应力计算。根据该脚轮的相关实测数据建立几何模型，如图6所示。

图6 脚轮几何模型

分析该工业脚轮的实际使用工况可知，GB/T 14687—2011标准中6.9和6.10的静压试验要求中的工况[3]满足该工业脚轮的使用工况，所以，按照该标准中的工况要求进行加载，工况说明和荷载力见表1，荷载方向如图7所示。

表1 工况说明及荷载力大小

图7 四种工况荷载方向

有限元分析结果及根据GB 8408—2018标准计算的安全系数结果见表2，因上述零件的应力最大点均在焊缝处，焊缝已实体建模，故焊缝应力值取表2的数值进行计算，焊缝应力及安全系数结果见表3。

表2 脚轮结构件安全系数校核结果

表3 脚轮焊缝校核结果

由表2和表3可以看出，法兰盘和支架的结构件及焊缝的安全系数不完全满足GB 8408—2018标准的相关要求，故上述脚轮应重新进行选型计算和强度校核，直至计算结果符合GB 8408—2018标准的要求。

3.3 技术要求及质量检验

在该脚轮选型技术要求中，应对材质、重要销轴和重要焊缝的无损检测、销轴热处理及销轴加工圆角等方面提出明确要求，严格进行厂内入厂检验，并对其进行拆卸抽查，确认其符合GB 8408—2018标准要求。

3.4 日常维保

该架空游览车的使用维护说明书中应根据工业脚轮生产厂家提供的使用维护说明书以及GB 8408—2018标准要求，明确提出该脚轮的日常维护保养要求，如对于重要销轴应有润滑、磨损等相关检查要求，对于重要销轴和重要焊缝应有定期拆卸进行无损检测等检查要求。使用单位应严格按照使用维护说明书的要求对该工业脚轮进行日常维保。

4 建议与意见

从上述案例可以看出，标准件不一定是安全件，虽然是根据相关标准设计、制造，但是并不能保证其制造加工质量及安全系数完全满足GB 8408—2018标准的要求。基于大型游乐设施相关标准和法规对重要标准件要求不明确的现状，建议开展大型游乐设施行业重要标准件应用的研究。笔者建议，对不同种类的重要标准件，根据其功能、结构等条件，对其提出不同的要求，如对卷筒、工业脚轮等重要标准件，应根据游乐设施行业的特殊性，明确提出要求其符合游乐设施标准的相关规定；对轴承、联轴器等重要标准件，应在游乐设施标准或法规中明确要求其做到失效安全或者冗余设计；对回转支承等重要标准件，应单独制定相关标准如JT/T 846—2012《港口起重机回转支承》等来规范相应标准件的应用，提高大型游乐设施整体安全性能。