安全第一：解析《大型游乐设施安全规范》条款（2）

作者：赵九峰

主编：杨明

编辑：刘凯叶、井翔远

赵九峰

“中国游乐” 特约作者

2009年大连理工大学工程机械专业硕士毕业，CAD/CAE工程师，检验师，主要从事游乐设备设计、计算、有限元仿真，仿真论坛Ansys WB版主。发表游乐设施设计计算方面的论文二十余篇。

2018年12月起实施的《大型游乐设施安全规范》，是对2008年发布的《游乐设施安全规范》的修订，是国家层面针对大型游乐设备建造及质量方面的又一次重大监督升级。作者针对新规范的个别条款进行深度解读，对标准中规定的冲击系数、疲劳校核计算、钢丝绳的执行标准等条款，提出了个人观点及见解，若有不当之处，敬请指正！

关键词：大型游乐设施；冲击系数；容许应力幅；钢丝绳；曳引驱动

前言

社会经济的快速发展使人们对生活品质的追求也越来越高，由于大型游乐设施能够满足人们的感官刺激和冒险心里，相应的主体公园正在蓬勃发展，并向高空、高速、高刺激的发展趋势[1]，对产品质量、运营水平和安全保障提出了更高的要求。

本文在第一篇文章“安全第一：解析《大型游乐设施安全规范》易错要点”基础上，继续对新版8408《大型游乐设施安全规范》部分内容进行了解读，对标准中规定的冲击系数、疲劳校核计算、钢丝绳的执行标准等条款，阐述作者个人观点及见解，囿于时间、精力及水平的限制，条款解读中难免有疏漏或不当之处，希望各位专家不吝赐教。

1

游乐设施在运动过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷（如滑行车类中，可能来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑），则运动部件受到的载荷（永久载荷和活载荷以及所承受的惯性力）应乘以不小于k1 =1.2的冲击系数。(《大型游乐设施安全规范》6.1.2.15.1条)

冲击系数是指游乐设施在运动过程中有可能受到的震动、环境等因素的影响，从而产生冲击载荷，设计时一般无法准确计算。如果选取过大，势必引起设备的庞大、土建基础较大、投资过高；选取过低，可能导致游乐设施不能保证安全，一旦长时间运行，有可能发生结构性损坏，造成重大安全事故[2]。

旧版《游乐设施安全规范》GB 8408-2008中4.2.3.2规定：游乐设施在运动过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷（如滑行车类中，可能来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑），设计时一般无法准确计算，因此，该类游乐设施进行强度计算时，其载荷（永久载荷及活载荷）必须乘以冲击系数K [3]，如图1所示：

图1 GB8408-2008《游乐设施安全规范》截图

由《游乐设施安全规范》释义第4.2.3.2节：同类别的游乐设施采用同一冲击系数，显然是不合理的，因此，以速度大小确定冲击系数是比较科学的；有的游乐设施其乘人部分有公转也有自转，还可能同时有升降，我们称之为组合运动，其速度的取值应取几种运动合成速度的最大值。

由以上可知，游乐设施的冲击系数，是由其组合运动的最大速度决定的，图1中给出的冲击系数仅供参考，需要根据设备的最大组合速度通过插值去取。

新版8408参考了美国标准和欧盟标准。美国标准ASTMF2291-04《游艺机和游乐设施设计》：对所有运动的载荷应给予一个不小于1.2的冲击系数。欧盟标准EN13814《游乐场所机械和结构安全》：结构在行驶的过程中可能产生冲击力，动载荷（永久载荷和活载荷）就应乘以不小于1.2的冲击因子[2]。

从新旧版规范的规定来看，看似降低了冲击系数的要求，实则不然。新版中加入惯性力，惯性力需要乘以冲击系数计入总载荷的。另外新版并未降低，大多数只看到了1.2的冲击系数，却忽视了前面的定语“不小于”。但大多数企业仅按照1.2去取，就陷入了误区，而忽视标准中规定的仅仅是冲击系数的下限值（“不小于”而不是“等于”）。

新标准对所有运动载荷规定不小于1.2的冲击系数，只要大于1.2原则上就可以，没有就不同的设备提供不同的冲击系数。在我国游乐设施制造工艺、材料性能等未得到显著提高，缺乏游乐设施运行冲击统计数据的前提下，这种“降低冲击系数要求”的做法，可能会让生产制造企业在设计过程中，无所适从，到底冲击系数该取多少？

由于游乐设施运行的特性，追求刺激，运行相对激烈，冲击载荷选取根据规范按照插值去科学选取，而新版规范对此数据规定的相对宽泛。作为设计人员，需根据设备的运行工况，进行科学的计算。如果根据新规范取相对较小的值，对关键部件的计算就会出现较大的误差。

综上，虽然新版8408更加切合欧美标准，与西方发达国家保持一致，但冲击系数选取方法可操作性差。因此老版8408以速度大小确定冲击系数是比较科学的。

2

钢结构构件及其连接的疲劳计算应符合GB 50017中关于疲劳强度计算的规定(《大型游乐设施安全规范》6.2.3.1条)

轴的许用疲劳安全系数应满足表2（如图2）的要求 (《大型游乐设施安全规范》6.2.3.3条)

图2 GB 8408-2018《大型游乐设施安全规范》截图

游乐设施在运行过程中，不断受到受满载、偏载和风载等作用，设备结构和零部件承受变化载荷，疲劳破坏是游乐设施失效的主要形式。常规疲劳强度设计认为：材料没有初始裂纹，经过一定次数的应力循环后，由于疲劳损伤的累积，形成微裂纹，微裂纹在应力循环下不断扩展，直至发生脆性断裂[1]。因此游乐设施的疲劳破坏是塑性材料发生的脆性断裂。
工程设计中根据疲劳设计准则对危险部位做疲劳强度校核，疲劳强度设计准则包含容许应力幅法和疲劳强度安全系数法。
容许应力幅法：

（1）其中:

—疲劳应力幅；

—容许应力幅。
GB 50017-2017《钢结构设计标准》16.1.3：疲劳计算应采用基于名义应力的容许应力幅法，容许应力幅应按构件和连接类别、应力循环次数以及计算部位的板件厚度确定[4]。
安全系数法：

（2）
其中:

零部件的工作安全系数；

标准中规定的疲劳强度安全系数，又称为许用安全系数，游乐设施轴的疲劳强度安全系数参考图2。
《机械设计手册》1.5.3：轴通常采用安全系数法进行校核计算，疲劳强度安全系数校核，是在轴经过初步设计计算和结构设计后，根据轴的实际尺寸，考虑零件的表面质量、应力集中、尺寸影响以及材料的疲劳极限等因素，验算轴的危险截面处的疲劳安全系数[5]。
GB 8408-2018《大型游乐设施安全规范》中对构件疲劳的计算明确要求，应符合GB 50017中关于疲劳强度计算的规定，而GB 50017中构件的疲劳强度设计准则为容许应力幅法。而GB 8408中对轴的疲劳强度设计准则为安全系数法。因此，游乐设施中轴如果按照《大型游乐设施安全规范》6.2.3.1条进行疲劳计算，就无法按照《大型游乐设施安全规范》6.2.3.3条进行校核。人的一只脚不能同时踏入两条河流，这是标准中自相矛盾的地方。

轴的疲劳应力幅是否可以按照GB 50017计算，而疲劳强度安全系数按照《机械设计手册》进行呢？答案是否定的，因为对应力幅的定义就不同。
应力幅如何定义？作者翻阅《机械设计手册》和普通高等教育“十一五”国家级规划教材《工程力学》（范钦珊），其中对应力幅的描述（方框位置），如图3（1）、（2）示。

（1）《机械设计手册》截图

（2）大学教材《工程力学》截图

（3）GB50017《钢结构设计标准》截图

图3 疲劳应力幅的定义比较

由图3知，疲劳应力幅在《机械设计手册》和《工程力学》中的定义:疲劳应力幅为最大应力与最小应力差的一半；在GB50017《钢结构设计标准》中的定义：疲劳应力幅为最大应力与最小应力差。欧洲规范3：钢结构设计（BS EN 1993-1-9-2005 Eurocode 3：Design ofsteel structures）：最大应力与最小应力的差定义为应力范围（stress range），最大应力与最小应力的差的一半定义为应力幅（stress amplitude），因此GB 50017《钢结构设计标准》中把应力范围翻译为应力幅，不是很严谨。

综上可知，在游乐设施的轴的疲劳校核中，不能按照GB 50017中关于疲劳强度计算方法进行，而应按照《机械设计手册》中疲劳强度计算方法进行，进而求出轴的疲劳强度安全系数，按照《大型游乐设施安全规范》表2判断轴是否满足规范要求。

3

乘人部分使用的钢丝绳应符合GB/T 8918的规定(《大型游乐设施安全规范》6.6.2.7条)

在特种设备行业领域，钢丝绳常用标准有3个，如表1所示。

表1 钢丝绳标准汇总

第一个问题，标准引用错误：

《重要用途钢丝绳》的标准，从2006年以后，就已经由推荐标准，转变为强制标准了，而作为2018年颁布的《大型游乐设施安全规范》，条例中仍然采用的是推荐标准，严格来说，是标准引用错误。GB8918-2006《重要用途钢丝绳》的标准封面如图4所示。

图4 GB8918-2006《重要用途钢丝绳》截图

第二个问题，此条规定不严谨，以偏概全：

电梯钢丝绳主要是针对电梯用曳引钢丝绳，如果是曳引轮钢丝绳必须执行电梯钢丝绳标准GB8903-2005，如果是机械绳则需要执行一般用途钢丝绳标准GB/T20118-2006或者重要用途钢丝绳国家标准GB8918-2006。

电梯运行时弯曲次数频繁，且因电梯经常处于起、制动状态，所以不但承受交变弯曲应力和挤压应力，还承受不可忽视的动载荷，曳引轮之间相对运动（或相对运动趋势）所产生的的摩擦力。要求钢丝绳具有较高的强度、韧性和耐磨性，能很好的抵消冲击载荷。同时为了保证定位要求，电梯用钢丝绳要求结构紧密、柔软、结构伸长小。电梯上使用的钢丝绳比普通的钢丝绳要求高，国家规定钢丝绳必须符合《电梯钢丝绳标准》。

游乐设施行业是否存在曳引驱动用的钢丝绳呢？如果存在，这样的钢丝绳选用应该符合什么样的标准？

高空飞翔是飞行塔类游艺机中的一个品种，主要是由塔架，提升系统，旋转提升总成等几部分组成，高空飞翔有三种提升驱动方式：强制驱动、液压驱动和曳引驱动[6]。其中曳引驱动是通过曳引轮卷绕钢丝绳实现的，电机拖曳引轮转动，曳引轮与钢丝绳摩擦，摩擦力驱动钢丝绳和座舱和乘客一起运动。电动机是驱动动力源，曳引轮是驱动元件。曳引驱动的原理如图5示。

图5 曳引驱动原理图

由图5知曳引驱动的原理是：提升体（座舱）与配重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮槽内产生摩擦力，这样，电动机通过减速机转动带动曳引轮转动，曳引轮又通过其绳槽与钢丝绳间的摩擦力驱动钢丝绳，拖动提升体（座舱）和配重作相对运动，即提升体上升，配重下降，配重上升，提升体下降。它与普通的卷筒驱动用钢丝绳最大的区别在于：其钢丝绳既是传力构件，又是摩擦驱动构件[7]。

高空飞翔（曳引提升型式）曳引轮上按照电梯用钢丝绳选择，应符合电梯钢丝绳标准GB 8903-2005。也就是说，曳引提升型式的游乐设施中（如高空飞翔等），用于提升乘人座舱的钢丝绳，执行的标准是电梯钢丝绳标准GB 8903-2005，而不是重要用途钢丝绳标准GB 8918-2006。

其它特种设备行业标准对钢丝绳的选取又是如何规定的？

《垂直升降类机械式停车设备标准》5.3.2.2钢丝绳：钢丝绳应符合GB 8918的规定，推荐采用线接触钢丝绳；采用曳引轮驱动时，升降用钢丝绳应符合GB 8903的规定。

GB 17907《机械式停车设备通用安全要求》5.4.2.1：提车设备起升用钢丝绳应符合GB/T 20118的要求。采用曳引轮驱动时，升降用钢丝绳应符合GB 8903的规定[8]。

GB 28755《简易升降机安全规程》7.3.1.3：曳引钢丝绳的特性应符合GB 8903的规定，强制驱动钢丝绳的特性应符合GB 8918的规定[9]。

综上可知，新版8408中，对钢丝绳的选用要求考虑不全面，导致该标准条款以偏概全。因此，新版8408《大型游乐设施安全规范》6.6.2.7合理的表述如下：乘人部分使用的钢丝绳应符合GB 8918的规定。采用曳引轮驱动时，升降用钢丝绳应符合GB 8903的规定。

结语

2018年12月起实施的《大型游乐设施安全规范》，是对2008年发布的《游乐设施安全规范》的修订。本标准作为游乐设施行业最为重要的标准，是游乐设施其他标准制修订的主要依据，指导游乐设施设计、制造、使用、检验等各个环节，具有重要的社会经济效益。

作者本人在研读新标准的同时，对个别条款进行分析解读，并撰写了第一篇文章“安全第一：解析《大型游乐设施安全规范》易错要点”。在第一篇文章的基础上，本人继续对新标准的其他条款进行分析和解读，指出了存在的问题和不足，并提出个人的观点和建议，有不足之处，望各位专家和前辈批评指正。

参考文献：

[1]史皓天，赵九峰，许德义，杜鑫，李娟娟，王允. 大型游乐设施使用寿命概述[J].特种设备安全技术，2019（01）：25-27.

[2]刘健，张勇.游乐设施中动载系数的比较研究[J]. 装备制造技术，2008（01）：53-54.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB8408-2018大型游乐设施安全规范[S].北京：中国标准出版社，2018.

[4]赵九峰.基于ANSYS的高空飞翔卷筒强度分析[J].机械研究与应用，2018（06）：30-35.

[5]赵九峰.钢丝绳摩擦曳引驱动的打滑问题及改进措施[J].港口装卸，2009（02）：18-19.

[6]中国国家标准化管理委员会.GB17907-2010机械式停车设备通用安全要求[S].北京：中国标准出版社，2011.

[7]中国国家标准化管理委员会.GB 28755-2012简易升降机安全规程 [S]. 北京：中国标准出版社，2012.

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