非轨道类游乐设施有刚度要求吗

美体 2024-09-11 20:11 江苏

结构设计有强度控制和刚度控制等，游乐设施主要采用强度控制，但对变形量较敏感的部件，采用强度、刚度双控制。游乐设施中，轨道类设备对刚度有要求。但非轨道类游乐设施有刚度要求吗？本文就此问题进行分析讨论。

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1、什么是刚度

刚度是指金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。在宏观弹性范围内，刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。

刚度可分为静刚度和动刚度，静刚度一般用结构的在静载荷作用下的相对变形多少来衡量，动刚度则是用结构的固有频率来衡量。

静载荷下抵抗变形的能力称为静刚度，动载荷下抵抗变形的能力称为动刚度，即引起单位振幅所需的动态力。如果干扰力变化很慢，即干扰力的频率远小于结构的固有频率，动刚度与静刚度基本相同。干扰力变化极快，即干扰力的频率远大于结构的固有频率时，结构变形比较小，即动刚度比较大。当干扰力的频率与结构的固有频率相近时，有共振现象，此时动刚度最小，即最易变形，其动变形可达静载变形的几倍乃至十几倍。

本文讨论的刚度主要是指静刚度，是抵抗变形的能力，游乐设施中，轨道类设备静刚度有要求。

2、游乐行业对刚度有哪些要求？

1）GB∕T18879-2020《滑道通用技术条件》5.1.13节：

滑道正常运行工况下轨道和支承结构的最大允许变形量为1/300

2）GB∕T18159-2019《滑行车类游乐设施通用技术条件》5.1.16节：

速度小于50km/h的滑行车轨道及支承在正常运行工况下，最大允许变形量为1/300，两支承间轨道最大允许变形量为1/300（不含支承变形量）：

速度大于或等于50km/h的滑行车轨道及支承在正常运行工况下，最大允许变形量为1/500，两支承间轨道最大允许变形量为1/500（不含支承变形量）。

3、为什么对轨道进行刚度要求？

轨道刚度进行限制，是因为轨道刚度直接关系到设备的安全运行。

轨道刚度不足，一方面会导致滑车运行过程中，摩擦力增大，爬坡困难、增加功率损耗和设备磨损，另一方面滑车在运行时出现明显震动，冲击增大，增加风险隐患。所以轨道类游乐设施需要对轨道刚度进行限制。

小跨度设备，主要以强度控制为主，大跨度设备，则为强度、刚度双控制。

通常情况下，对于大跨度起重机，如主梁跨度大于30 m时，一般以刚度控制为主。

起重机械刚度控制要求

起重机械强度安全系数远低于游乐设施，强度控制较弱，所以起重机械采用强度、刚度双控制校核计算；而游乐设施的静强度安全系数相对其他机电类特种设备行业，静强度安全系数较高，强度控制很强，对非轨道类游乐设施是否还需要刚度校核，即使采用刚度校核，刚度校核是否还起作用？

如果理解上面的一段话，需要熟悉强度和刚度之间的关系，下面通过一个简单算例进行说明。

4、算例

以刚度较为敏感的大悬臂结构的为例，如图所示：

假定悬臂长为L=10000mm，载荷F=10000N，悬臂假定为圆截面结构，圆截面直径为d（单位：mm），则最大计算应力：

σ=M/W

=FL/(πd³/32)

=32×10000×10000/(3.14×d³)

先按照强度控制，假定用最常用的Q235B材料，抗拉强度为375MPa，采用最小的安全系数为3.5，保守计算，不考虑冲击，在强度控制最松的前提下，看刚度的发挥余地。

σ=375/3.5=107 MPa

以上两个公式相等，求得最小的横截面直径。

32×10000×10000/(3.14×d³)=107

d=212 mm

此时，是采用最低材料抗拉强度，最低安全系数的前提下，不考虑冲击，表明满足最低强度安全要求的前提下，强度控制最弱的工况下，去校验一下刚度。

悬臂结构的挠度：

f=FL³/48EI

=10000×10000³/（48×2×10⁵×3.14×212⁴/64)

=10.5 mm

此时悬臂梁的最大变形量：

ψ=f/L

=10.5/10000

＞1/1000

5、没必要的刚度校核计算

作为特种设备的起重机械有刚度要求，但与游乐设施有两点不同：

第一、起重机械的许用安全系数比游乐设施低，起重机安全系数在安全系数应在1.25~1.5之间，游乐设施的安全系数为3.5和5；

第二、起重机械的跨度、悬臂长通常较大。

较小的静强度安全系数，会使得大跨度的结构，存在变形过大，因此需要刚度控制，而对游乐设施却不是很适用。

非轨道类游乐设施，有些厂家在对结构进行设计时，采用GB50017-2017《钢结构设计标准》附录B的刚度控制指标，对非轨道类游乐设施进行刚度校核。参照标准如图所示:

个人观点是：在游乐行业较高安全系数的控制下，已经完全没必要再去校核结构的刚度了；因为只要满足强度安全系数，最大变形量指标会远小于《钢结构设计标准》中的要求。

对非轨道类游乐设施进行刚度计算，无论是8408《大型游乐设施安全规范》、还是TSG71《大型游乐设施安全技术规程》都没有做相关的具体要求。

为什么全国的游乐设施厂家偏偏画蛇添足、对非轨道类游乐设施去做刚度校核计算呢？

6、天塌下来，个子高的人顶着

想起一句俗语：天塌下来，个子高的人顶着。

同样，非轨道类游乐设施由于采用远高于机械行业的静强度安全系数，其结构由强度指标控制着，还远远轮不到刚度去控制。所以，没必要对非轨道类游乐设施进行刚度校核计算。

形象的比喻如下图所示。

如果非轨道类游乐设施需要刚度指标去控制时，其静强度安全系数会远小于许用安全系数，这本身就不合理，也不允许。当然，如果说大跨度结构需要刚度控制，但非轨道类游乐设施，又有多少是大跨度结构呢？

7、半页之惑

某游乐设施的计算书，我只看到少半页，如图所示：

不到半页的计算书存在多处错误：

1）非轨道类设备无需进行刚度校核，它却校核了，这个不需要，也没实际意义；

2）应力的单位是“MPa”，而不是“Mpa”，“P”大写，是因为纪念法国科学家帕斯卡，人名的第一个字母必须大写，“M”大写，是百万的英语“million”，为了区分米的英文“meter”中的小写“m”；

3）计算书中应该是“抗拉强度”，而不是“许用应力”，许用应力和抗拉强度不是一个概念；

4）Q235B 的抗拉强度是375MPa，如果考虑1.2倍的冲击、按最低的3.5倍安全系数，对应的许用应力是375/(1.2×3.5)=89MPa；

5）任何机械行业，许用应力不可能等于抗拉强度的，更不可能超过抗拉强度，这是常识；

6）游乐设施的本质安全是设计的可靠性，设计可靠性的前提是选取正确的设计参数，设计参数来源于《机械设计手册》，是几百年来无数次试验得出的数据，设计取值不能大于《机械设计手册》的值，也不是说我材质单的数据只要大于我取的值就行的，设计阶段材料参数的取值，不存在争议。Q235B的材料抗拉强度是375 MPa，调质后40Cr的抗拉强度是750MPa，凡是采用参数指标高于此值，计算出的安全系数都是错误的；

8、反思

窥一叶而知秋，窥一斑而知全豹。不到半页计算书，暴露出来了不少问题，总的来说：不该算的去算了，该算的却算错了！

机械、结构、材料、力学在机电类特检行业中扮演着至关重要的角色，是机电类特种设备“本质安全”的前提，无论特检行业的检验检测，还是质量提升，以及安全评估和事故调查，都离不开基础理论知识。因此，可以说机械、结构、材料、力学是机电类特检行业的基础，缺乏基础理论知识谈特种设备的“本质安全”，就是妄谈、空谈。

我曾经提出，机电类特检行业…存在理论基础知识薄弱，特别是材料、力学基础常识欠缺的言论，因为相关言论，我收到不少留言、甚至短信等，对我嘲讽、羞辱、甚至谩骂，不得已而删除相关语句。

再次声明：本文观点只代表作者个人，只是个人观点的表达。我姑妄言之，您姑妄听之！

2024年8月29日夜，于郑州

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1MjY4MzI3Ng==&mid=2247499841&idx=1&sn=2a291a180befd54b7376524d14950e4c

九妹婆婆

游乐设施、仿真技术、工程力学

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