基于加速度的游樂(lè)設(shè)施乘客束縛裝置應(yīng)用研究

徐銳　項(xiàng)輝宇　張勇　周哲人

【摘 要】游樂(lè)設(shè)施乘客束縛裝置選型的合理與否直接關(guān)系到乘坐者的人身安全。當(dāng)前乘客束縛裝置設(shè)計(jì)選用主要是基于經(jīng)驗(yàn)，為更好地保障乘坐安全，對(duì)安全壓杠、安全帶等束縛裝置的功能進(jìn)行分解，將加速度作為束縛裝置選擇的依據(jù)，提出基于設(shè)計(jì)加速度的束縛裝置準(zhǔn)則應(yīng)用方法。通過(guò)一過(guò)山車(chē)作為應(yīng)用實(shí)例證明了方法可行有效。

【關(guān)鍵詞】游樂(lè)設(shè)施;加速度;乘客束縛裝置;選型

中圖分類(lèi)號(hào)：X941 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0008-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.003

Research and Application of Patron Restraint Devices in Amusement Facilities Based on Acceleration

XU Rui1 XIANG Hui-yu1 ZHANG Yong2 ZHOU Zhe-ren1

（1.School of Materials and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;

2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China）

【Abstract】Type selection of patron restraint devices in amusement facilities is directly related to the safety of the patrons.At present，design and selection of the restraint devices are mainly based on experience.For a better protection of ride safety，acceleration is chosen as the basis for the selection of patron restraint devices.On the basis of studying the design criteria of the restraint device in GB 8408-2018，the function of restraint device is decomposed.And an application method of restraint device criterion based on design acceleration is proposed.The example of a roller coaster proved that the method is feasible and effective.

【Key words】Amusement Ride;Acceleration;Patron Restraint Devices

0 引言

游樂(lè)設(shè)施通過(guò)項(xiàng)目體驗(yàn)滿足人們休閑娛樂(lè)需要，成為越來(lái)越多的游客釋放工作和生活壓力的選擇。與此同時(shí)，游樂(lè)設(shè)施安全是公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，關(guān)系到我國(guó)每年數(shù)以億計(jì)的廣大乘客尤其青少年兒童的生命安全。近年來(lái)新的游樂(lè)設(shè)施紛紛涌現(xiàn)，不同設(shè)備的運(yùn)動(dòng)形式不同，乘坐方式多樣，運(yùn)行參數(shù)、規(guī)模差別大，需要根據(jù)設(shè)備情況設(shè)置合適的束縛裝置，保障游樂(lè)設(shè)施安全[1]。

美國(guó)、歐盟的游樂(lè)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)選擇從加速度出發(fā)，對(duì)乘客束縛裝置選型提出要求[2-3]。新頒布的GB 8408-2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中也增加了根據(jù)游樂(lè)設(shè)施設(shè)計(jì)加速度為乘客束縛裝置選型的要求。新標(biāo)準(zhǔn)頒布不久，行業(yè)對(duì)其中新概念的理解還不夠深入，為此本文從標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，對(duì)束縛裝置的功能進(jìn)行分解，提出了基于加速度的乘客束縛裝置選型設(shè)計(jì)方法。

1 基于加速度的乘客束縛裝置

1.1 游樂(lè)設(shè)施人體加速度

加速度反映了乘客受載，可以衡量乘客對(duì)設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，直接體現(xiàn)束縛需求。如某滑行車(chē)設(shè)備運(yùn)行中乘客相對(duì)座艙以ax=-0.91g減速0.6s，此時(shí)乘客若未被安全束縛，軀體會(huì)明顯前傾，有脫出座椅、發(fā)生碰撞造成危險(xiǎn)的可能。

游樂(lè)設(shè)施人體加速度以乘客軀干作為研究對(duì)象。建立固定在乘客胸部的人體坐標(biāo)系如圖1，其中“頭-骨盆”方向?yàn)?az方向，“胸-背”方向?yàn)?ax方向，與此平面正交的右-左方向?yàn)?ay方向，用與重力加速度g的比值來(lái)表示。

1.2 加速度選型依據(jù)

在考慮乘客束縛裝置選型時(shí)，選擇ax，az加速度作為選型依據(jù)。由于當(dāng)設(shè)備有俯沖、翻轉(zhuǎn)、躍升等動(dòng)作，乘客前傾和滑出的趨勢(shì)較大，一旦束縛裝置存在隱患，乘客最可能向XZ方向前傾、碰撞、摔出，X、Z方向加速度反映了設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的乘客束縛需求。而Y方向加速度不作為主要依據(jù)，一方面是因?yàn)樵谝勒誜、Z方向加速度進(jìn)行束縛裝置選型后，裝置同時(shí)具備保障乘客左右方向乘坐安全的束縛能力;另一方面，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定乘人裝置的座位和型式、乘客座椅面兩邊和中間應(yīng)設(shè)置攔擋結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加座椅角度等。乘載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)一定程度上保證了乘客左右方向的安全。因此以X、Z方向加速度作為選型依據(jù)較為合適。按照運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將X、Z方向加速度組合并分為1到5級(jí)加速度區(qū)如圖2。

1.3 乘客束縛裝置分級(jí)配置要求

以往進(jìn)行乘客束縛裝置選型設(shè)計(jì)時(shí)，游樂(lè)設(shè)施設(shè)計(jì)人員往往依靠經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)備的載荷和運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，參考同類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)制造乘客束縛裝置。新標(biāo)準(zhǔn)[4]從安全壓杠、安全帶、壓桿等廣泛應(yīng)用的乘客束縛裝置出發(fā)，總結(jié)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、配置功能等，提取其關(guān)鍵要素，對(duì)游樂(lè)設(shè)施束縛裝置的選型設(shè)計(jì)提出了以下8項(xiàng)配置要求：

（1）束縛裝置的配置

（2）每套束縛裝置保護(hù)乘客的數(shù)量

（3）束縛裝置的鎖緊位置

（4）束縛裝置的鎖緊和釋放方式

（5）鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊類(lèi)型

（6）鎖緊機(jī)構(gòu)的釋放類(lèi)型

（7）鎖緊裝置冗余

（8）外部指示

對(duì)不同的設(shè)備各項(xiàng)配置要求不同。設(shè)計(jì)制造時(shí)結(jié)合圖2的游樂(lè)設(shè)施加速度分區(qū)，從設(shè)備加速度所在區(qū)域最高等級(jí)出發(fā)，參照對(duì)應(yīng)束縛等級(jí)的每項(xiàng)配置要求，設(shè)置符合安全規(guī)范的乘客束縛裝置。另外通過(guò)對(duì)設(shè)備乘載分析也可以設(shè)置一個(gè)更高級(jí)別的束縛裝置。

2 束縛裝置選型

對(duì)設(shè)計(jì)階段運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到其設(shè)計(jì)加速度，確定束縛裝置級(jí)別要求，進(jìn)而選型設(shè)置。設(shè)備束縛裝置的選型可以按照如圖3步驟進(jìn)行：

（1）模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。其中測(cè)量點(diǎn)固定在椅面向上600mm處的設(shè)備上。坐標(biāo)軸方向可結(jié)合座椅面和靠背平面等支承面選取[5]。為保證結(jié)果準(zhǔn)確性建議模擬時(shí)間步長(zhǎng)不大于0.05s。

（2）運(yùn)動(dòng)加速度、姿態(tài)角輸出

輸出測(cè)量點(diǎn)局部坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)加速度，以及局部坐標(biāo)系相對(duì)全局坐標(biāo)的航向角φ、俯仰角θ、橫滾角γ三個(gè)姿態(tài)角，作為束縛裝置選型必要的參數(shù)。

（3）游樂(lè)設(shè)施人體加速度轉(zhuǎn)化

模擬得到的運(yùn)動(dòng)加速度不能直接用于加速度分區(qū)判斷。需要在局部坐標(biāo)疊加1g重力加速度[6-7]如式（1），轉(zhuǎn)化為游樂(lè)設(shè)施人體加速度。

其中φ、θ、γ分別為設(shè)備運(yùn)行的航向角、俯仰角和橫滾角，[ax ay az]和[ax' ay' az']分別是某時(shí)刻游樂(lè)設(shè)施人體加速度和運(yùn)動(dòng)加速度。

（4）繪制XZ加速度組合曲線

判定加速度分區(qū)采用X、Z方向游樂(lè)設(shè)施人體加速度，將同一時(shí)刻X、Z方向加速度以（ax，az）的形式表示在平面直角坐標(biāo)系中，并按照時(shí)間順序連線。

（5）獲取加速度區(qū)等級(jí)

將（4）中連線繪制在圖2中，以設(shè)計(jì)加速度點(diǎn)和連線落在的最大區(qū)域等級(jí)作為設(shè)備加速度分區(qū)等級(jí)。

（6）確定束縛等級(jí)

加速度分區(qū)等級(jí)與束縛等級(jí)要求一一對(duì)應(yīng)，從加速度分區(qū)等級(jí)出發(fā)，確定對(duì)應(yīng)束縛裝置等級(jí)，從而確定此設(shè)備束縛裝置的具體配置要求。

（7）依照等級(jí)設(shè)置束縛裝置

若設(shè)備未預(yù)先選擇束縛裝置，則根據(jù)（6）確定的束縛裝置等級(jí)對(duì)應(yīng)的要求進(jìn)行選型設(shè)計(jì);若設(shè)備已預(yù)先設(shè)置了束縛裝置方案，按照其束縛裝置等級(jí)，檢查當(dāng)前束縛裝置是否滿足標(biāo)準(zhǔn)中該等級(jí)的要求，若不滿足，則重新選擇束縛裝置，直到束縛裝置滿足該等級(jí)要求。

另外，在為設(shè)備設(shè)計(jì)束縛裝置時(shí)，還應(yīng)考慮一些特殊狀況，如安全空間，乘載系統(tǒng)中其他裝置和結(jié)構(gòu)如座位、靠背、靠頭、護(hù)墊、約束物等的設(shè)計(jì)，乘客特殊狀態(tài)，加速周期和大小，側(cè)向加速度較大、風(fēng)載等因素[1]。

3 案例應(yīng)用

為驗(yàn)證應(yīng)用方法的有效性，本文從某五環(huán)過(guò)山車(chē)設(shè)計(jì)模型出發(fā)設(shè)計(jì)符合安全規(guī)范的束縛裝置。

（1）進(jìn)行模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將軌道和設(shè)備幾何模型導(dǎo)入Adams中，選取X軸與車(chē)輛運(yùn)行方向一致建立局部坐標(biāo)系如圖4，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

（2）游樂(lè)設(shè)施人體加速度轉(zhuǎn)化：數(shù)值模擬輸出所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括運(yùn)動(dòng)加速度和方向角，附加重力加速度后，轉(zhuǎn)化為游樂(lè)設(shè)施人體加速度，如圖5：

（3）繪制XZ加速度組合曲線并獲取加速度分區(qū)等級(jí)：將XZ加速度數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪在圖6中，可以看出設(shè)備設(shè)計(jì)加速度點(diǎn)和連線落在的區(qū)域的最高等級(jí)為5區(qū)，因此確定此設(shè)備加速度分區(qū)等級(jí)為5級(jí)。

（4）最后確定束縛裝置等級(jí)并設(shè)計(jì)束縛裝置：設(shè)備原本設(shè)計(jì)了齒條鎖定型安全壓杠作為束縛裝置如圖7（a），按5級(jí)及5級(jí)冗余要求檢查其選型是否符合安全規(guī)范如表1，檢查結(jié)果表明該設(shè)計(jì)不滿足安全規(guī)范的要求。

因此在齒條鎖定型安全壓杠的基礎(chǔ)上，加上兩點(diǎn)式腰帶作為第二套獨(dú)立束縛裝置，如圖7（b），再次檢查其是否符合5級(jí)及5級(jí)冗余要求如表1，符合安全規(guī)范。

通過(guò)此方法確定了設(shè)備處于5加速度區(qū)，明確了應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)中5級(jí)、5級(jí)冗余束縛要求為設(shè)備選擇合適的束縛裝置，最后束縛裝置的選型是符合安全規(guī)范的，方法可行有效。

4 結(jié)論

（1）提出了基于設(shè)計(jì)加速度的乘客束縛裝置準(zhǔn)則應(yīng)用方法，包括數(shù)據(jù)處理、確定束縛等級(jí)要求并選型等內(nèi)容。

（2）以某過(guò)山車(chē)為例說(shuō)明應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)游樂(lè)設(shè)施束縛裝置是可行有效的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張新東.關(guān)于游樂(lè)設(shè)施人體束縛裝置的思考[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2017，33（05）：9-13+18.

[2]EN 13814-1，Safety of amusement rides and amusement devices—Part 1：Design and manufacture[S].2015.

[3]F2291-13，Standard Practice for Design of Amusement Rides and Devices[S].2013.

[4]GB 8408-2018，大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范[S].2018.

[5]F2137-15，Standard Practice for Measuring the Dynamic Characteristics of Amusement Rides and Devices[S].2015.

[6]于波.慣性技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

[7]梁朝虎，沈勇，丁克勤，等.過(guò)山車(chē)動(dòng)態(tài)仿真建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（S1）：280-282.