一个液压缸在游乐设施上应用案例浅析

郭俊杰 吕梦南 崔明亮 张扬扬 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）

液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件,它结构简单、工作可靠,用它来实现往复运动时,可免去减速装置,并且没有传动间隙,运动平稳,因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸在大型游乐设施中的应用非常广泛,如用于大型游乐设施上下客平台升降的液压缸,用于大型游乐设施栅栏门开合的液压缸等。部分液压缸甚至在大型游乐设施中作为重要受力部件或者单一失效部件,见图1和图2,此类设备的液压缸在运行中举起整个座舱,其中某个环节一旦失效,可能会引起座舱的失控下坠,造成重大人员伤亡事故,因此,液压缸的设计选型至关重要,直接关系游乐设备整体的安全性能。

图1 极速风车

图2 摇头飞椅

目前,游乐设施中采用的液压缸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,这样采购的液压缸虽然符合常规机械部件选型要求,但不一定符合游乐设施相关标准要求,这些液压缸一旦应用在游乐设施的重要部位,可能存在较大的安全隐患。

图3为广东某游乐设施制造厂设计的一台火箭弹射设备,属于飞行塔类观览塔系列,主要技术参数如下：设备高度为23 m,运行高度为19.5 m,回转直径为3.7 m,运行速度为4.2 m/s,承载人数16人。设备运行方式：以液压缸为动力源,通过滑轮变速,带动座舱结构沿着立柱框架结构做上下运动；
同时座舱结构和立柱框架结构都安装在设备底部的一个回转支承上,依靠减速机带动座舱结构和立柱框架结构一同做旋转运动。设计资料显示,制造单位设计时根据火箭弹射设备载荷要求进行了液压缸的选型计算,直接从市场上采购后使用,未对液压缸提出其他技术要求。该液压缸在使用过程中一旦出现支撑销轴与缸筒的连接焊缝开裂、支撑销轴断裂、活塞杆断裂等问题,可能会直接导致设备在运行过程中座舱从19.5 m的高空坠落,造成重大人员伤亡。对设备分析可知,该液压缸为该设备的单一失效部件。制造厂家未按照游乐设施标准及法规对其进行校核,存在巨大的安全隐患。

图3 火箭弹射

3.1 液压缸主体结构及受力分析

以上述案例中的液压缸为例,该设备采用的液压缸主要结构包括缸筒、缸盖、活塞杆、缸体端部的接头和耳轴等,如图4所示。

图4 油缸结构简图

该液压油缸结构中可能存在焊缝的部位有焊接成型的缸筒（如图5所示）、焊接成型的空心活塞杆（如图6所示）以及耳轴与缸筒连接部位（如图7所示）等。可能存在重要销轴的部件或部位有耳轴（如图4所示）。

图5 焊接成型的缸筒

图6 空心活塞杆

图7 耳轴与缸筒焊缝

对该设备进行分析可知,该液压油缸部件是设备上下运动过程中主要的传动部件,设备在上下运动过程中,力依次经过液压缸的接头→活塞杆→由缸筒与电磁阀封闭的受控液压油腔→缸筒→耳轴,这5个液压缸的主要部件中任意一个部件出现问题,如耳轴受剪疲劳断裂、耳轴与缸筒焊缝由于安全系数不足或制造加工缺陷导致开裂、活塞杆连接焊缝开裂、接头与活塞杆连接螺纹失效等,都可能导致设备上下运动传动系统失效,造成座舱结构从高处坠落,引发人员伤亡事故。

3.2 问题探讨

上述游乐设备制造厂家在液压缸的选型时,按照标准液压缸设计选型方法,给液压缸制造厂家提供提资资料,提资资料中包含液压缸安装示意图、液压缸长度及所需推力,之后液压缸制造厂家根据上述信息,给游乐设备制造厂家推荐合适规格型号的液压缸产品,游乐设备制造厂家直接装配使用。

如果现有标准液压缸产品不能满足客户要求时,游乐设备制造厂家会要求液压缸制造厂对液压缸进行非标准设计,非标准液压缸设计方法[1-3]中会要求对缸筒、活塞杆、连接焊缝及销轴等主要部件进行强度计算。液压缸相关标准[4]、非标准液压缸设计方法和游乐设施标准[5]对液压缸各个部件安全系数的相关要求见表1。

表1 安全系数要求

液压缸相关标准、非标准液压缸设计方法和游乐设施标准对液压缸的其他技术要求见表2。

表2 其他技术要求

由表1和表2可以看出,液压缸相关标准和非标准液压缸设计方法中关于安全系数、冲击系数、疲劳寿命、无损检测、加工圆角等的技术要求不能完全满足游乐设施标准规定。在游乐设施检验中发现大量的由于销轴未加工圆角而造成销轴疲劳断裂、未进行无损检测的重要焊缝由于内部焊接质量缺陷导致设备运行过程中焊缝开裂等案例,故仅仅按照此类液压缸标准选型方法或者设计方法采购或设计制造液压缸,不考虑游乐设施本身的对安全要求极其严格的特殊性,不对液压缸按照游乐设施的标准进行安全校核,一旦这些液压缸应用在游乐设施的重要部位,长时间使用后,由于液压缸制造厂家的质量参差不齐或者液压缸本身的安全系数不足或者其部件制造加工质量控制不当,极有可能造成液压缸结构中重要销轴、重要焊缝或者主要结构材料本身出现问题,导致液压缸结构损坏,造成游乐设施在运行过程中发生坍塌等严重事故,造成大量的人员伤亡。

针对上述问题,笔者建议液压缸在游乐设施的应用过程中,应按照以下步骤进行设计：

1）风险分析。首先游乐设施制造企业应对液压缸本身进行风险分析,评估该液压缸一旦失效,是否会造成人员伤亡。对于不会造成人员伤亡的,确定为一般液压缸,对于会造成人员伤亡的,确定为重要液压缸。

2）液压缸设计选型。对于一般液压缸,可以按照标准液压缸选型方法进行选型计算。对于重要液压缸,除按照标准液压缸选型方法进行选型计算之外,还应依据游乐设施标准对其进行计算校核,确保其液压缸缸体、缸盖、活塞杆、耳轴等主要结构件以及主要结构件之间的重要连接焊缝的安全系数及疲劳强度符合游乐设施标准[5]的相关规定。对于无法按照游乐设施标准对其进行计算校核的液压缸,应采用冗余设计或者失效安全设计,确保单个液压缸失效不会造成人员伤亡。

3）技术要求及质量检验。在液压缸的技术要求中,应根据游乐设施标准对材质、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,确保其质量符合游乐设施标准要求。

4）日常维保。游乐设施的使用维护说明书中应根据液压缸生产厂家提供的使用维护说明书以及游乐设施标准要求,明确提出该液压缸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液压缸进行日常维保。

液压缸是一种常规的标准机械部件,经常应用在不同的机械行业,但是,笔者认为,标准件不是安全件,应根据其应用的不同场合,对其有不同的技术要求。对于应用在游乐设施行业且直接涉及人身安全的液压缸,除进行常规选型计算之外,还应按照游乐设施标准对其进行校核,确保游乐设备的本质安全。另外,游乐设施标准对于直接涉及人身安全的液压缸应该提出明确的技术要求或者专门设立相关标准,如GB/T 37476—2019《船用摆动转角液压缸》、GB/T 13342—2007《船用往复式液压缸通用技术条件》等,来规范游乐设施行业中液压缸的应用。

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