飛行塔類游樂設(shè)備緩沖器的設(shè)計(jì)

梁培章

（中山市金馬科技娛樂設(shè)備股份有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

緩沖器在電梯、起重機(jī)、汽車等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，起到緩解沖擊、避震等作用。在游樂設(shè)備行業(yè)，緩沖器的作用與電梯緩沖器[1]的作用類似，緩沖器是保證安全的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。在飛行塔類游樂設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[2]，緩沖器在設(shè)備出現(xiàn)極端故障情況時(shí)起到緩解沖擊作用，使撞擊產(chǎn)生的加速度控制在GB 8408-2018加速度要求的范圍之內(nèi)。

大型游樂設(shè)備均為單件小批量的產(chǎn)品，目前市面上沒有專用于游樂設(shè)備的緩沖器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。并且，游樂設(shè)備的個(gè)性化比較強(qiáng)，沖擊重物的重量、速度等參數(shù)變化繁多，從其它行業(yè)的緩沖器中選用到合適的產(chǎn)品比較困難。即使其它行業(yè)緩沖器的參數(shù)剛好合適，其安全設(shè)計(jì)也未必能符合游樂設(shè)備的要求。因此，游樂設(shè)備廠家需要為自已的設(shè)備設(shè)計(jì)專用的緩沖器。

本文主要講述一種用于大型飛行塔類游樂設(shè)備的緩沖器的方案設(shè)計(jì)及計(jì)算。

1 緩沖器的設(shè)計(jì)

該緩沖器采用液壓缸+蓄能器的設(shè)計(jì)，緩沖原理為：先將重物的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，再緩慢釋放，最終將沖擊的能量轉(zhuǎn)化為熱能。圖1所示為該緩沖器的液壓原理圖。該緩沖器在使用前先用氮?dú)鈱⑿钅芷鞒渲猎O(shè)計(jì)要求的壓力值[3]，工作過程為：當(dāng)重物撞擊緩沖缸上的活塞時(shí)，緩沖缸上的液壓油經(jīng)插裝式單向閥流向蓄能器，當(dāng)緩沖缸壓縮至足夠的行程后，蓄能器的液壓油開始釋放，經(jīng)過節(jié)流閥和單向閥重新緩慢地流回緩沖缸，緩沖過程結(jié)束。

行程開關(guān)及壓力傳感器為緩沖器必要的安全配置，可以有效提高設(shè)備的安全級(jí)別。行程開關(guān)能檢測(cè)活塞桿是否在正確位置，壓力傳感器能檢測(cè)緩沖缸的無桿腔壓力是否正常，設(shè)備的電控系統(tǒng)確認(rèn)活塞桿在正確的位置，且確認(rèn)緩沖缸的壓力正常后，設(shè)備方可啟動(dòng)。這2個(gè)傳感器使緩沖器的安全性能與游樂設(shè)備主體的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，確保緩沖器安全性能正常的前提下，設(shè)備才能運(yùn)行。在游樂設(shè)備主體運(yùn)行過程中，如果緩沖器的狀態(tài)不正常，游樂設(shè)備主體也須停止運(yùn)行。

圖1 緩沖器的液壓原理圖

2 緩沖器的計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）設(shè)備條件。升降平臺(tái)和車體總質(zhì)量約13 t；2個(gè)緩沖器；沖擊速度約2 m/s。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)。蓄能器的初始狀態(tài)下氣體的體積V1=8.06×10-3m3；蓄能器的初始?jí)毫閜1=9.3×106Pa；緩沖缸的缸徑為?0.12 m。

2.2 緩沖過程中人體最大加速度

在緩沖過程中，座艙運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能主要包括以下2個(gè)部分。

（1）座艙開始撞擊緩沖器時(shí)的動(dòng)能為Em：

（2）令最大緩沖行程為h，沖擊過程中座艙的勢(shì)能變化為E g：

結(jié)合式（1）和式（2），忽略摩擦力消耗的能量，緩沖過程中，緩沖器需吸收的總能量為E1：

緩沖過程中，蓄能器腔內(nèi)的氣體被壓縮，從而吸收能量。因其壓縮時(shí)間極短，壓縮過程可以認(rèn)為是絕熱過程，建立絕熱氣體方程，如式（4）[7]、式（5）所示。

式中：d為緩沖缸的缸徑；p為壓縮過程中蓄能器的氣體壓力；p1為蓄能器氣體的初始?jí)毫?；p2為最大緩沖行程時(shí)蓄能器氣體的壓力；V為緩沖行程中蓄能器內(nèi)氣體的體積；V1為蓄能器內(nèi)氣體的初始體積；V2為最大緩沖行程時(shí)蓄能器內(nèi)氣體的體積；γ為比容熱比（又稱絕熱指數(shù)），取γ=1.4[4]。

將已知參數(shù)代入式（10）計(jì)算，得：

緩沖結(jié)束時(shí)，座艙的能量由蓄能器的氣體吸收。由于蓄能器壓縮過程屬于“機(jī)器對(duì)工質(zhì)做功”[5]，故E2為負(fù)值。緩沖過程由2個(gè)緩沖器同時(shí)作用，能量守恒公式為：

對(duì)式（13）解方程，最大緩沖行程h=0.194 m

最大緩沖行程時(shí)：

2.3 緩沖過程中人體加速度的計(jì)算

緩沖過程中，緩沖器制動(dòng)力F為：

緩沖過程中，蓄能器的氣體體積V為：

圖2 制動(dòng)力F曲線圖

圖3 加速度a曲線圖

圖4 人體加速度a z曲線圖

因此，人體加速度為：

將上述計(jì)算公式及已知參數(shù)編入軟件進(jìn)行計(jì)算，緩沖進(jìn)程的制動(dòng)力、加速度、人體加速度與緩沖距離的曲線如圖2～4所示。

3 結(jié)束語

本文介紹一種用于飛行塔類游樂設(shè)備[6]的緩沖器。其原理為：利用液壓蓄能器吸收重物的緩沖能量，然后緩慢釋放，最后將緩沖的能量轉(zhuǎn)化為熱能；在緩沖器上設(shè)置相應(yīng)的行程開關(guān)和壓力傳感器，使緩沖器的安全性能與設(shè)備主體的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖[7]。該緩沖器作用時(shí)，人體的最大加速度為2.6 g，符合GB 8408-2018的要求[8]。該緩沖器的設(shè)計(jì)靈活，通過調(diào)整不同的初始?jí)毫?、蓄能器容積、緩沖缸直徑等，可以設(shè)計(jì)成系列化的產(chǎn)品，滿足不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)的游樂設(shè)備的要求。

安全性能是游樂設(shè)備的重要性能，緩沖器的設(shè)計(jì)，在保證機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算上達(dá)到設(shè)備主體的要求外，還須與設(shè)備主體實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖，這樣才能為游樂設(shè)備提供可靠的安全保護(hù)。