2021 年第2 期 特 种 设 备 安 全 技 术 · 49·法兰止口在游乐设施连接中的作用 阳先波 1 赵九峰 2 杨蕾璟 2 肖化明 3
摘 要法兰是一种用于游乐设施支架、 大臂的连接件， 法兰连接的质量直接决定着游乐设施的安全运行和设备的
使用寿命。由于法兰连接部位承受着各种载荷， 当连接法兰之间存在着较大的剪切力， 并且连接法兰之间有位置的相对
要求时， 一般机械设计时会用法兰止口来解决。
关键词游乐设施 法兰连接 止口 剪切力
0 引 言
连接就是把两个或两个以上的独立部件连接成一个 整体， 游乐设施的重要组成部分是钢结构， 在大型钢结构 的连接中， 常用的连接方式有螺栓连接、 铆接和焊接等 [1]。 螺栓连接是紧固件连接中最基本的一种结构形式， 具有便 于标准化大批量生产、 构造简单、 便于拆装、 成本低、 可互 换等优点 [2]。
在游乐设施的关键连接部位， 如大摆锤的悬臂、 摩天 轮的支腿部位， 广泛应用螺栓连接的法兰结构。由于游 乐设施运行过程中， 连接部位承受着各种载荷。理论上 法兰之间的剪切力依靠螺栓产生的压力提供的摩擦力来 抗衡， 这就意味着螺栓需要更高的预紧力， 才能提供较大 的摩擦力 [3]。单纯的认为增加预紧力提高静摩擦力，结 果可能造成螺栓受力过大而失效，造成事故的发生 [4]。 2018 年 7 月 15 日晚，巴基斯坦卡拉奇一家游乐场发生 一起意外事故， 正在运行的大摆锤旋臂突然断裂， 造成一 名 8 岁女孩死亡、 至少 11 人受伤， 该游乐设施的坠落原 因初步被认定为悬臂法兰连接螺栓断裂。 为了降低法兰 螺栓的剪切力， 提高螺栓的承载能力， 并保证法兰之间的 定位要求， 在游乐设施设计时法兰连接会采用止口来解 决。
1 止口的作用
1.1止口的定义
止口： 便于两个工件定位， 在一个工件上加工出凸台， 另一个加工出凹坑， 这个凸台和凹坑就叫止口， 是用于定 心、 连接的结构。 止口是成对存在的， 一个是凸止口， 是由
凸出的短圆柱和端面构成的； 另一个是凹止口， 是由短孔 和端面构成的， 两件配对安装 （见图1）
。
图 1 法兰中的止口
1.2止口的作用
止口有以下作用： 一是有同轴度要求的； 二是有轴向 定位要求； 三是可承受径向剪切力。 螺栓只能受较小的剪 切力， 仅依靠螺栓很能保证强度， 止口的后者功能更为重 要 [5]。
止口应用范围很广， 它是圆柱型零件与圆孔型零件连 接、 定位用的。 它可以起到轴向、 径向的双重定位， 可以限 制5 个自由度， 只有轴向旋转不能限制 [6]。最常见的应用 有， 立式电机的法兰、 减速机的法兰等。
2 游乐设备中的止口
2.1止口的尺寸
法兰止口有效配合段(不含倒角)一般5mm左右即可 实现，我通常控制在5~10mm。更多的是考虑设备连接 部件之间的载荷， 配合段越短， 承载时的变形越大。带有 配合公差的两个止口的装配， 圆柱与孔紧密间隙配合， 配 合公差取H7/h6 或H7/g6， 粗糙度按Ra=6.3， 配合长度不 小于5mm。两个端面紧贴， 一般通过螺栓 （一周圈） 紧固 （见图2） 。
收稿日期： 2020112
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图2 法兰止口
2.2 止口在游乐设施上的应用
在游乐设备生产时， 为了操作上的需要及制造、 安装、 检修、 运输方便， 各厂家制造游乐设备时经常做成可拆卸 的， 采用螺栓连接的法兰结构成为一种广泛的连接形式， 因此法兰结构可靠性成为游乐设备是否安全运行的必要 条件 [2] 。现在的游乐设施进行小批量加工， 要求具有很好 的可加工性和互换性，大部分为便于调整连接件的同轴 度， 出厂时法兰结合部位加工成止口面的配合方式， 但配 合精度在垂直度 （两贴合面） 要求较高， 在径向尺寸配合上 要求不高， 基本上需要在安装平就位后再安装螺栓， 即 采用止口定位、 螺栓连接方式。
止口在游乐设施上， 通常用在两类地方： （1） 立柱、 悬臂和横梁的法兰连接部位； （2） 回转支承安装板或法兰部位。
止口应用在回转支承上， 用来对回转支承进行定位。 保证安装精度，减少安装时的调整量，保证同轴度， 可以抵 消一部分螺栓承载力， 延长产品使用寿命。 回转支承止口 的优点：
（1） 保证安装精度， 减少安装时的调整量；
（2） 容易定位， 回转驱动装置可以直接安装在平台上 而不需要调整；
（3） 在大小齿轮啮合时， 如存在水平方向的力， 止口可 以在一定程度上抵消力的一部分， 使得回转支承上安装螺
山药种植开沟机
栓的剪力得到一定的削弱 [7]
。
3 事故原因分析
螺栓连接的法兰结构简单， 上紧螺母后， 螺栓预紧力 通过法兰面的压紧作用，可在法兰接触面上形成摩擦力 来抗衡法兰之间的剪切力。预紧力可以提高螺栓连接法 兰结构的可靠性、 防松能力和螺栓的疲劳强度， 增强连接
件的紧密型和刚性 [8]
。
游乐设备往往处于运动之中，法兰面间的剪切力较 大， 为了保证法兰接触面上形成较大的静摩擦力， 必须增 加螺栓的预紧力，较高的预紧力对连接的可靠性和被连 接件的寿命是有益的。另外对于类似大摆锤旋臂部位的 螺栓， 除了承受预紧力， 还要抵挡工作载荷， 然而过高的 预紧力， 如若控制不当或偶然过载， 也常会导致连接的失
效 [9]
。 因此螺栓的预紧力不能无限制的增大， 使得法兰间
的剪切力得到一定的削弱。
因此对于承受较大剪切力的法兰连接结构，需在法 兰结合面上加工止口。止口的存在，增加了机械加工的 难度， 如果法兰连接或回转支承部位处于水平位置， 例如
立柱法兰连接部位，可以取消止口。但在竖直法兰连接 部位或者受到很大剪切力的部位，例如大摆锤上驱动回 转支承和悬臂法兰连接部位，需加工止口，抵抗剪切力 （见图 3）
。
图3 大摆锤旋臂法兰连接
本文开始提到的巴基斯坦卡拉奇大摆锤旋臂断裂事
故， 事故的原因是螺栓断裂， 大摆锤旋臂结构如图3所示。 但引起螺栓断裂的原因有以下两种可能：
（1） 悬臂法兰取消止口， 螺栓需要过大的预紧力抵抗 剪切力， 消耗掉了螺栓大部分承载力， 造成螺栓工作承载 力不足而被拉断；
地铁人员定位led箱体（2） 悬臂运行中存在较大的剪切力和弯矩， 止口能够 抵消剪切力， 如果不存在止口， 所有的剪切力都由螺栓承 担， 会造成螺栓剪切断裂。
4 结 论
随着人民生活水平的日益提高，人们对生活质量的要 求也越来越高。游乐设施也因其惊险、 新奇、 刺激使得游 乐业成为人们休闲、 度假时的重要组成部分，因此游乐设
施的安全也显得尤为重要 [10]
。随着游乐设施大型化、 高速 化的发展， 连接件之间存在较大的剪切力， 为了抗衡法兰 间的剪切力，法兰止口在游乐设备的制造安装中经常用 到， 法兰止口的应用， 关系到设备的正常运行和乘客的生 命安全， 是游乐设施安全运营的重要基础。
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参考文献
[1]赵九峰， 牛妙玉， 赵振辞， 等.游乐设施高强度螺栓的强度校核方
法与试验分析[J].机械研究与应用， 2020 （02） ： 3234.
[2]赵九峰， 曹祥坤， 侯鑫鑫， 等.游乐设施常用螺栓防松方法比较[J].
特种设备安全技术， 2018 （04） ： 4648.
[3]荆炘， 张继忠.塑料型材挤出模的设计与调试[J].模具工业， 2011 （05） ： 5260+64.
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东北林业大学学报， 2012 （11） ： 151154.
[5]杨川， 高国庆， 崔国栋.内燃机车运行中机损事故分析[J].金属热
处理， 2012 （02） ： 131135.
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影响[J].航空动力学报， 2019 （06） ： 12011208.
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程师， 2010 （09） ： 141142. [8] 王国栋， 徐尚超， 王先强， 等. 螺纹紧固件工程应用研究[J]. 机械
制造， 2020 （02） ： 6769.
[9] 赵九峰， 苏晓峰， 丁舟波， 等. 360°大摆锤悬臂折断原因分析及
预防措施[J].机械工程与自动化， 2020 （01） ： 210203.
[10]王国军.浅谈游乐设施安全[J].湖南安全与防灾， 2004 （09） ： 3738.
国家市场监督管理总局科技计划项目， 项目编号： S20200MK498
作者 阳先波 1赵九峰 2杨蕾璟 2肖化明 3
v
1中国特种设备检测研究院
北京 100029
2河南省特种设备安全检测研究院
河南 郑州 邮编 450000
3湖南省特种设备检验检测研究院
湖南 长沙 邮编 410111
5 判定调整与建议
5.1轿厢滑移距离小于SMIN
根据表1， 如果现场检验轿厢滑移距离小于以上最小 滑移距离SMIN， 那么表示轿厢减速度大于1g， 是不符合 标准要求的。产生这种情况的原因可能是制动器制动力 偏大， 造成减速度大， 从而导致滑移距离偏小， 此时应调整 制动器制动力， 避免造成严重事故；
5.2轿厢滑移距离大于SMAX
根据表1， 如果现场检验轿厢滑移距离大于以上最大 滑移距离SMAX， 那么同样不符合要求， 产生的原因可能 是曳引力不足、 制动器制动力偏小等， 此情况应该考虑其 他基本条件的符合性 （例如平衡系数、 导靴磨损、 制动器与 制动轮间隙、 闸瓦磨损等） ， 除此外还应考虑曳引轮与钢丝 绳的匹配性和磨损程度， 从而具体调整。
5.3建议便携式洒弹器
A．在进行125%制动试验前应先确定电梯平衡系数 符合要求， 在此基础上完成电梯整体曳引力相关试验， 确 保电梯运行正常及装载砝码的安全；
B． 在试验过程中， 如果发生曳引轮与制动闸瓦之间的 相对滑动， 应根据该试验要求 “切断电动机和制动器供电， 制动器应该能够使驱动主机停止运转” 中驱动主机未停止 运转判定不符合要求， 此时需对制动器进行调整；
C.测量轿厢实际滑移距离之后， 该滑移距离可参考表 1中给出的轿厢滑移距离范围， 如果此距离不在给出的范 围之内， 无论偏大偏小， 都应该进行相应的调整之后再进 行复检。
6 结束语
在现场检验中， 对125%制动试验的定性分析评判不 易把握， 而对相关标准与规范的研究， 分析该试验的过程， 通过计算得出了定量分析的数据， 在试验过程中对于结果 的评判更为直观与科学，其过程也更有可操作性。通过 125%制动试验的定量分析探讨，避免了检验过程中的随 意性， 仅供同行参考。热风炉燃烧器
参考文献
[1] TSG T70012009电梯监督检验和定期检验规则——曳引与
强制驱动电梯 （含第 2号修改单） .
[2] GB75882003电梯制造与安装安全规范 （含第 1号修改单） .
[3]陈永煊， 刘汝超， 曾健生电梯下行制动试验中制停距离的定量
分析， 中国电梯 2016 年5 月1 日第 9号.
[4]T/CASEI T1022015曳引驱动电梯制动能力快捷检测方法.
[5] GB/T100582009电梯技术条件.
[6]梁海珍， 冯双昌电梯下行制动试验中制停距离的探讨， 机电工
程技术 2016年第 45 卷第 01期.
作者 马景豪 李玉良 王家佳
玉溪市质量技术监督综合检测中心
云南 玉溪 邮编 653100
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