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[38] 陈静云, 刘佳音, 李玉华, 周长红 沥青混合料板式试件的疲劳开裂规律[J] 华南理工大学学报(自然科学版),2013,(4):[37] 李玉华, 高应振 基于MCTOOLS的斜交闭合框架结构建模及计算[J] 沈阳建筑大学学报(自然科学版[36] 李玉华, 徐静 水泥稳定碎石抗弯拉强度试验分析[J] 沈阳大学学报(自然科学版)[35] Yuhua Li, Kai Huang, Yingzhen G A New Method for Aggregate Proportion Design of M Applied Mechanics and M Trans Tech Publications, Switzerland[34] Yuhua Li, Haixiang Li, Yuxing Liu, Jingyun C Specimen Molding Method of Chip Seal in L Advanced Materials R Trans Tech Publications, S[33] Yuhua Li, Yuxing L Finite Elements Simulation Anaysis of Ball Penetration Test on Asphalt P Advanced Materials R Trans Tech Publications, Switzerlan[32] 李玉华,祖熙宇 纤维碎石封层配合比设计方法[J] 中外公路[31] 李玉华 纤维碎石封层经验设计方法[J] 筑路机械与施工机械化[30] 李玉华, 王越, 张召青 稀浆封层耐久性评价指标研究[J] 公路交通技术[29] 叶尖, 李玉华 纤维碎石封层试件成型的碎石用量试验研究[J] 山西建筑[28] 李坤, 李玉华 纤维封层层间粘结强度形成机理[J] 公路交通技术[27] 杜隽, 李玉华 纤维封层技术在公路养护中的应用研究[J] 山西建筑[26] 李玉华, 魏艳萍, 张新建 应用模糊评判法评价高速公路线形安全性[J] 内蒙古公路与运输[25] 赵晓春, 李玉华 预应力混凝土T梁施工侧弯理论分析[J] 公路交通技术[24] 李玉华, 陈静云, 袁永博 基于等高线的数字高程模型带状区域建模法[J] 大连理工大学学报[23] 刘金山, 李玉华 平面交叉口竖向设计高程计算的综合法[J] 北方交通[22] 李玉华, 李陆平 平面交叉口竖向设计高程计算的中心点法[J] 武汉理工大学学报[21] 李玉华, 鲁丽华 建立数字地面高程模型的多边形法[J] 沈阳工业大学学报,[20] 李陆平, 王进, 李玉华 武汉市中环线关山二路立交工程新型土工格栅加筋土挡墙施工[J] 交通科技[19] 李玉华, 陈静云 混合料配合比矿料组成设计的改进正规方程法[J] 沈阳工业大学学报[18] 刘浜葭, 李玉华 道路建筑材料中混合料配合比组成设计的改进正规方程法[J] 科学技术与工程[17] 李玉华, 侯义辉, 李陆平 混合料配合比矿料组成设计的正规方程法改进[J] 中外公路,[16] 李玉华, 陈静云 混合料配合比矿料组成理论级配设计的迭代法[J] 武汉理工大学学报[15] 陈静云,丁银萍,李玉华,潘建东 板拉桥合理塔高与应力分析[] 第八届国际交通技术应用文集[14] Chen Jing-yun, Li Yu- Analysis of StructurAL Stress for Board-Stayed Bridge;FOURTH SYMPOSIUM ON STRAIT CROSSINGS BERGEN, NORWAY[13] Chen Jing-yun, Li Yu-hua, Wang Jing- THE STRUCTURE COMPUTING AND STRESS ANALYZING FOR BOARD-STAYED BRIDGE;Structural Engineers World Congress(SEWC 2002), Yokoham, Japan[12] 李玉华, 陈静云, 成家胜 就地沥青热再生工艺与设备的技术改进[J] 中国公路[11] 李玉华, 付佳伟, 陈静云 混合料配合比矿料组成设计的比例分配法[J] 辽宁交通科技[10] 李玉华, 王琦, 陈静云 集成化桥梁工程CAD系统[J] 辽宁交通科技[9] 陈静云, 李玉华, 赵香华, 吴宇航 板拉桥结构设计[J] 东北公路[8] 王树森, 胡珊, 李长江, 王哲人, 刘东亮, 栾海, 谢晓光, 王龙, 黄志军, 杨冰, 徐光辉, 任瑞波, 陈静云, 王抒红, 张宏伟, 陈志国, 张作波, 刘文俊, 李全, 关长禄, 李玉华 高等级公路沥青路面柔性基层的研究 吉林省公路勘测设计院, 哈尔滨工业大学: 2002-12-29, 科技成果[7] 陈静云, 任瑞波, 李玉华, 王哲人 沥青路面柔性基层和半刚性基层模量的理论研究[J] 大连理工大学学[6] 陈静云, 钟阳, 李玉华, 任瑞波, 单永森 路面结构参数同时反算人工神经网络法[J] 大连理工大学学报[5] 仲崇辉, 董丽艳, 李玉华 混合料配合比矿料组成设计的改进正规方程法[J] 辽宁交通科技[4] 陈静云, 刘洋, 李玉华, 潘宝峰 水泥路面冻融破坏机理和对策研究 [J] 东北公路[3] 钟阳, 陈静云, 王龙, 李玉华 求解动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法[J] 计算力学学报[2] 陈静云, 王京元, 潘宝峰, 李玉华 沥青混凝土桥面铺装早期病害原因分析和结构设计方法综述[J] 东北公路[1] 陈静云, 李玉华, 覃丽坤 板拉桥结构应力与塔高的相关分析[J] 东北公路[0] 参编教材: 《道路勘测设计》, 黑龙江科技出版社, 1997年第1版, 2001年第2版, 裴玉龙 主编

摘要近年来,一种新型游乐设备360度大摆锤风靡全球,但进入2019年,事故频发,对游客的生命财产构成了严重的威胁。本文主要内容是通过360度大摆锤事故,分析引起事故的可能原因,总结出该类游乐设施存在的安全隐患,旨在减少事故发生和损失,可供参考。其中本文为系列文章的第一篇,从悬臂应力强度方面分析事故原因。后续文章将从高强螺栓断裂、焊缝开裂等几个方面分析360度大摆锤悬臂折断原因。关键词:360度大摆锤;悬臂折断;抗弯截面系数;弯矩;安全系数1前言360度大摆锤游艺机属观览车类游乐设备。座椅朝外,固定式。游客坐在座椅上,经设备顶部2台电机驱动使“摆锤”沿水平轴线作360度旋转,同时座椅大转盘在电机的驱动下旋转。游客在极速地上摆与下落过程中,尽情寻求惊险与刺激[1]。今年以来,在世界范围内,360度大摆锤事故频发,对游客的生命财产构成了严重的威胁。2019年6月28日,乌兹别克斯坦城市吉扎克市伊堤洛尔公园内,360度大摆锤在运行过程中突然拦腰折断,摔倒地上,一名19岁女孩在这场事故中死亡。发生事故的游乐设施2019年3月才投入使用。2019年7月14日,印度古吉拉特邦城市阿默达巴德的游乐园内,360度大摆锤悬臂管突然折断,导致大摆锤被砸向地面,事故导致2人死亡。事故现场如图1所示。图1 事故现场综上可知,事故的直接原因是悬臂折断,造成悬臂折断的原因可能是悬臂主体结构折断、高强螺栓折断、焊缝开裂等[2]。由于篇幅限制,本文仅从悬臂主体结构折断入手,探讨引起悬臂折断的原因。悬臂折断也可能是螺栓断裂造成的,因此本人计划再写一篇文章,介绍螺栓预紧力的施加和校核计算,敬请持续关注。2360度大摆锤载荷特性分析360度大摆锤由支架、悬臂、驱动装置、转盘、配重等部分组成;设备中部为悬臂部件,悬臂部件中心是横臂组件有二组驱动装置,分别由电机、减速器、小齿轮、回转支承进行减速。360度大摆锤的结构简图如图2所示。图2 360度大摆锤结构简图360度大摆锤运行时,电机驱动悬臂带动转盘和座椅,每隔一定周期,变换一次驱动力矩方向,在周期性的驱动力矩作用下,大摆锤悬臂的向上位移不断增大[3],最后完成360度大回环旋转。悬臂的臂体机构在运行过程中,主要受到弯曲应力和拉应力的复合作用。360度大摆锤运行载荷示意图如图3所示,图3 360度大摆锤运行载荷示意图由于有配重的作用,使整个悬臂组件(包括转盘和配重)的重心接近于回转中心,相对于传统大摆锤(无配重,摆角通常为单侧90度),驱动功率大大降低,约为传统大摆锤驱动功率的一半。悬臂回转运行过程中仅受到弯矩和拉力的作用。由于大摆锤启动过程中,速度较低,可忽略运行过程离心力的作用。悬臂受到的最大弯矩:(1)其中:—大摆锤摆动部分的简化质量(包括乘人);—标准重力加速度,8m/s2;—摆臂的等效回转半径;—悬臂与竖直方向的夹角。悬臂受到的拉力:(2)悬臂受到的弯曲应力:(3)其中:—抗弯截面系数,对于圆管截面:,,d为圆管内直径,D为圆管外直径,其他形状截面可参考工程力学教材;悬臂受到的拉应力:(4)其中:—悬臂截面面积,对于圆管截面:,其他形状截面可参考工程力学教材;则悬臂受到的总应力:(5)则悬臂的安全系数[4]:(6)其中:—悬臂材料的抗拉强度;—大摆锤的冲击系数;—大摆锤悬臂的安全系数,由GB8408-2018《大型游乐设施安全规范》2节可知:≥5。3实例验算本文以12座360度大摆锤为计算对象,游客坐在座椅上,经设备顶部2台电机驱动使“摆锤”沿水平面作360度旋转运动,悬臂的等效长度(回转半径)= 0 m,摆动部件(单侧悬臂、转盘和座椅)的总质量=0 t(包括满载状态下乘人的质量),悬臂为无缝钢管,材料为20钢(=410MPa),钢管的型号为φ530×12,验算360度大摆锤悬臂的安全系数是否满足设计要求。悬臂受到的弯矩:=0×1000×8×5×cosθ=245000cosθ N·m悬臂受到的拉力:=0×1000×8×sinθ=49000sinθ N悬臂圆管抗弯截面系数:=2458557 mm4悬臂的弯曲应力: =7 cosθ MPa悬臂截面面积:=19409 mm2悬臂受到的拉应力:=5sinθ MPa悬臂受到的总应力:=7cosθ+5sinθ MPa由以上分析可知,悬臂受到的拉应力对总应力的影响很小,因此忽略拉应力的影响,则悬臂受到的总应力:=7cosθ MPa由公式可知,当θ=90°时,总应力达到最大=7 MPa,和事故发生时的状态(摆锤转盘上升阶段,大约在水平位置附近,悬臂折断)保持一致。由《大型游乐设施安全规范》第15节:游乐设施在运行过程中有可能出现冲击,从而产生冲击载荷,则运动部件受到的载荷(永久载荷和活载荷以及承受的惯性载荷)应乘以不小于=2的冲击系数[4]。则悬臂的安全系数:=4可知悬臂的安全系数为4,小于许用安全系数5。表明悬臂的安全系数不满足设计要求。4悬臂折断影响因素剖析事故的直接原因是悬臂折断,折断部位位于悬臂根部,本文仅从悬臂主体结构折断入手,探讨引起悬臂折断的原因。1 安全系数新版GB8408《大型游乐设施安全规范》自2018年12月1日实施,在设计计算中适当降低冲击系数要求,增加了轨道类设备振动系数要求。在2008版GB 8408《游乐设施安全规范》中,明确大摆锤的冲击系数为5,如果按照老版本冲击系数核算,悬臂的安全系数将会更低。基于破断强度的许用应力法,广泛应用在大型设备的应力强度评价中。在游乐设备的设计中,零件或构件的安全系数,为所用材料的失效应力(破断强度)与设计应力的比值,安全系数校核计算能判断悬臂危险截面的安全裕度,一般运动部件的安全系数应大于或等于5。安全系数是游乐设备设计过程中的一个非常重要的参数,所以规定了安全系数,就是为了确保设备的安全,也就是保证乘人的安全。规定安全系数必须适当,太大会使设备结构变大,重量增加,浪费材料,太小会变的不安全[5]。由上面计算可知,算例中360度大摆锤的悬臂安全系数不满足设计要求,但与设计要求的5很接近。基本上处于是否满足要求的临界状态。如果人数增加,或者悬臂半径增长,会导致应力增大,安全系数降低,设备就越偏向危险。因此为了保证360度大摆锤的安全,防止大摆锤悬臂结构的折断,悬臂安全系数一定要满足设计要求。2 悬臂材料悬臂处于横向弯曲时(即运行到水平位置,为悬臂梁结构),最大弯曲正应力发生在悬臂梁根部,且离中心轴最远处,该处为危险点。此危险点的最大应力等于弯矩与此处对应悬臂截面的抗弯截面系数的比值。如公式(3)所示,最大弯曲应力与弯矩成正比,与抗弯截面系数成反比。因此为了提高悬臂的安全系数,降低最大应力,就要减小弯矩和提高悬臂截面的抗弯截面系数。悬臂的弯矩为摆动部分的总质量(包括转盘、座椅和乘人)与等效半径的乘积(等效半径为乘人侧摆动部分重心到旋转中心的距离),由于设备的参数是设备设计的前提,因此,360度大摆锤的摆动半径是不变的,只能降低大摆锤摆动部分的质量。采用高强钢,例如Q345 (2019年2月1日之后,Q345钢材牌号改为Q355,此文仍引用老牌号),为低合金高强度钢,抗拉强度=490 MPa,相对于Q235,抗拉强度提高了30%,在满足安全系数的前提下,能增加金属材料的强度,以减轻构件重量,减小零部件的截面尺寸,实现游乐设备的轻量化设计,因此,高强钢在大型的游乐设施中得到广泛应用[6]。3 抗弯截面系数抗弯截面系数就是截面对其形心轴惯性矩与截面上最远点至形心轴距离的比值[7]。360度大摆锤常用两种截面:圆环截面和箱型截面(假定箱型截面厚度相同)。如图4所示。(1) 圆环截面(2) 箱型截面图4 360度大摆锤悬臂截面类型圆环截面的抗弯截面系数:(7)其中:—D为圆管外直径;—管内径与外径的比值;箱型截面的抗弯截面系数(对应水平轴):(8)其中:—截面的宽度;—截面的高度;—箱型板的厚度;圆环截面悬臂通常用无缝钢管,受制于无缝钢管的外直径限制,由《机械设计手册》可知,无缝钢管的最大外直径为630mm,另外为了更好的焊接工艺和限制悬臂的总重量,钢管的厚度也不能随意增大,通常厚度为12mm。因此如果用无缝钢管做为360度大摆锤的悬臂,仅能用在相对小型的360度大摆锤上面(如算例,人数为12人,悬臂等效长度为5m)。悬臂梁的弯矩为力和距离的乘积,越靠近悬臂的外端,梁的弯矩越小,根据悬臂梁弯矩的变化特性,利用箱型截面,可以制作近似等强度截面梁(变截面梁),悬臂根部的截面尺寸大,悬臂外端部的截面尺寸小,既能提高悬臂的抗弯性能,又能节省材料[8]。第3节的算例中,如果悬臂为箱型结构,悬臂梁根部截面宽度=600mm,高度=900mm,板厚=12,则悬臂抗弯截面系数:=7331904 mm4由以上分析可知,截面的抗弯截面系数提高了3倍,而截面的面积仅仅提高了8倍(箱型截面面积6×104mm2,圆环截面面积0×104mm2),由于箱型截面可以制作成变截面梁,因此可以做到箱型悬臂的质量相对于无缝钢管悬臂质量变化不大,但抗弯性能可以得到显著提高。4 低周疲劳360度大摆锤悬臂折断发生在悬臂根部法兰连接部位,由前面分析可知,此处应力最大,产生微裂纹,因此强度不足是悬臂折断的主要原因。大摆锤在运行启动阶段,左右周期性摆动,悬臂断裂之前,由于没有明显的塑性变形,裂纹形成后又不易被及时检测。疲劳破坏导致悬臂折断突然发生,造成事故。由新闻报道可知,发生事故的360度大摆锤人数较多(其中发生在印度360度大摆锤事故,当时共有31名乘客),从图片可以看出,悬臂的等效半径较长,悬臂为钢管结构,另外,发生在乌兹别克的360度大摆锤事故,自今年3月设备才投入使用,仅仅运行了3个月,因此可以判断为低周疲劳破坏。悬臂折断的过程为:在乘人霍载荷和悬臂组件自重的作用下,悬臂根部产生较大的弯曲应力,由于材料强度级别低,容易导致疲劳裂纹的萌生,随着设备不断的启动运行,悬臂根部在交变弯曲应力作用下,不断经受低周疲劳,微裂纹不断形成并长大、连接成宏观裂纹。当裂纹扩展到一定尺寸时,悬臂剩余的截面抗弯性能不足以承受乘客和悬臂组件产生的弯矩时,将导致悬臂主体结构的突然折断[9]。5小结由以上分析可知,悬臂折断为典型的脆性断裂,在悬臂应力集中部位,应力安全系数偏低是导致悬臂断裂的主要原因。鉴于以上分析,对360度大摆锤的设计提出以下建议:1) 悬臂采用无缝钢管,可以显著减少加工工作量,但是只能制作相对小型的360度大摆锤。对于大型的360度大摆锤(如16座以上),受制于管直径和悬臂重量的限制,悬臂的安全系数难以满足设计要求,大型的360度大摆锤悬臂不宜采用钢管结构;2) 大型的360度大摆锤悬臂宜采用变截面箱型梁结构,可显著提高悬臂的抗弯截面系数,但制作工艺相对复杂;3) 大型的360度大摆锤悬臂材质,宜采用高强钢,可以在满足安全系数的前提下,显著降低摆动组件的重量,实现游乐设备的大型化;4) 重视应力集中部位(如悬臂根部)表面伤痕、材质缺陷等疲劳源的探伤检验,定期对悬臂进行安全检查,使用前或使用一段时间后,对悬臂根部进行局部无损探伤(如磁粉探伤)。参考文献:[1] 赵九峰 基于ANSYS Workbench大摆锤刚体动力学分析 [J] 机械研究与应用,2019(1):44-[2] 王春寒 2007年全国特种设备事故及分析 [J] 中国特种设备安全,2008(4):51-[3] 赵九峰 基于ANSYS的大摆锤减速机的选型与安装 [J] 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截至2014年3月,该校共建成国家工程技术研究中心1个,国家技术转移中心1个,国家工业设计中心1个,省级以上技术研究中心7个、省部级重点实验室14个,协同创新基地5个,省部级创新团队11个。另外,“现代电工装备理论与共性技术重点实验室”成功获批辽宁省高校重大科技平台 。国家工程技术中心:国家稀土永磁电机工程技术中心国家大学科技园:沈阳工业大学国家大学科技园国家技术转移示范机构:沈阳工业大学风能技术研究所教育部工程中心:教育部稀土永磁应用工程中心国家级科技企业孵化器:沈阳工业大学兴科中小企业服务中心 省级工程中心:辽宁省振动噪声控制工程技术研究中心、辽宁沈阳风力发电装备制造基地有限公司工程技术研究中心、辽宁省风力发电技术工程研究中心、辽宁省稀土永磁电机工程技术中心等省级重点实验室:辽宁省机器视觉重点实验室、辽宁省聚合物催化合成技术重点实验室、辽宁省电网安全运行与监测重点实验室、辽宁省电网安全运行与监测重点实验室、辽宁省特种电机与高压电器重点实验室、辽宁省风力发电技术重点实验室、辽宁省镁合金及其成型技术重点实验室、辽宁省复杂曲面数控制造技术重点实验室、辽宁省高电压强电流与新型电机重点实验室等省级文科科研基地:辽宁省知识产权研究院、辽宁装备制造业发展研究基地、辽宁省高校微观管理理论与应用研究中心等省高校重点实验室:辽宁省高校先进焊接技术重点实验室、辽宁省高校嵌入式技术应用重点实验室、辽宁省高校轻金属材料与工程重点实验室、辽宁省高校先进在线检测技术实验室、辽宁省高校复杂曲面数控制造装备实验室等 馆藏资源 据2014年6月图书馆官方显示,沈阳工业大学图书馆有馆藏纸质书刊123万余册,电子图书52万余册,订购的中外文数据库平台19个,自建数据库有3个。收藏文献类型包括图书、期刊、学位论文、会议录、标准及各种工具书 。 学术刊物 《沈阳工业大学学报(自然科学版)》是由沈阳工业大学主办、国内外公开发行、以自然科学和工程技术为主的综合性学术期刊。是由国家科技部批准的国家级刊物,主要栏目有电气工程、风力发电技术、材料科学与工程、机械工程、信息科学与工程、控制工程、建筑工程、化学工程等。为中文核心期刊、中国科技核心期刊、RCCSE中国核心学术期刊、中国高校优秀科技期刊、全国编校质量优秀期刊、辽宁省一级期刊,2009—2012年被美国《工程索引》(Ei Compendex)收录,并被国际著名检索系统荷兰Scopus数据库、英国INSPEC数据库、美国《剑桥科学文摘》、《化学文摘》、波兰《哥白尼索引》、俄罗斯《文摘杂志》、美国《乌利希国际期刊指南》等收录,为中国科技论文统计、中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国核心期刊(遴选)数据库、中国学术期刊文摘(中文版)、中国学术期刊文摘(英文版)等的刊源,并为中国期刊网、万方数据——数字化期刊群等的全文收录期刊,多次荣获《CAJ-CD规范》执行优秀奖等国家及省部级奖励 。《沈阳工业大学学报(社会科学版)》是由国家新闻出版总署批准、沈阳工业大学主办、国内外公开发行的社会科学类综合学术期刊(双月刊)。自2008年1月起正式出版发行。主要栏目有专题论坛、装备制造业发展研究、国际竞争与产业安全、经济理论与应用、管理与实务、民主与法、马克思主义中国化研究、文化比较研究、社会问题的学术视角等。是RCCSE中国核心学术期刊、全国高校优秀社科期刊、美国《剑桥科学文摘》收录期刊、美国《乌利希国际期刊指南》收录期刊、波兰《哥白尼索引》收录期刊、中国核心期刊(遴选)数据库全文收录期刊、中国学术期刊(光盘版)全文收录期刊、中国期刊网全文收录期刊、万方数据库——数字化期刊群全文收录期刊、中文科技期刊数据库全文收录期刊、教育阅读网全文收录期刊 。

工大的校报不用购买啊,每期都会在报点儿分发的,教学楼C座门口,大学生活动中心门口等地方都有报刊摆放台,可以随时拿的。

可以登录ei 中国网站查询最新的收录名录,2013年删除了好多期刊,包括大连理工大学学报等好几个大学学报都给取消收录了,同时也新增了一些收录,比如长安大学学报(自然科学版)

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