過山車健康監(jiān)測模型與評價技術(shù)研究

朱瑞銀，王正宇，張子文，蔣曦陽

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 211899）

1 前言

近年來，隨著國內(nèi)游樂行業(yè)的快速發(fā)展，大大小小的主題樂園如雨后春筍般逐年增加，其中過山車由于變速快、變向多、刺激強等特點，是主題樂園的熱門項目，隨著國家標(biāo)準(zhǔn)對游樂設(shè)施的安全要求越來越高，對現(xiàn)有過山車建立在線健康監(jiān)測大有必要。

目前，我國針對過山車的有效措施的方法還是通過檢驗機(jī)構(gòu)和使用單位通過常規(guī)的檢驗檢測手段進(jìn)行實施，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢規(guī)所進(jìn)行的檢驗檢測也只是在當(dāng)時、非運行狀態(tài)下的一些物理參數(shù)和幾何參數(shù)，即使在當(dāng)時檢驗檢測狀態(tài)下合格，并不能保證設(shè)備其他時間運行也是無故障、隱患的。由于環(huán)境因素、機(jī)械電氣因素、人為因素等影響，在特殊條件下可能會發(fā)生意料不到的故障或事故。通過健康監(jiān)測先進(jìn)技術(shù)的引入，從而對危險性較大的過山車相關(guān)運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，就可以時時掌握過山車的運行狀況，從而迅速進(jìn)行故障預(yù)測與診斷，及時進(jìn)行糾正和關(guān)注。同時，如果做好了設(shè)備主要參數(shù)的實時監(jiān)控，對以后進(jìn)行的大數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)挖掘做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于國內(nèi)對過山車的健康監(jiān)測的研究較少，經(jīng)過對過山車在線健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及國內(nèi)過山車運營情況進(jìn)行全面了解后認(rèn)為，在乘客身體安全的承受范圍內(nèi)，以加速度的允許值和結(jié)構(gòu)的疲勞安全系數(shù)為參考，使用虛擬樣機(jī)仿真建模并進(jìn)行有限元分析，將仿真數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)對比，可以為過山車健康監(jiān)測結(jié)論提供有效依據(jù)。

2 過山車健康監(jiān)測模型

對過山車進(jìn)行健康管理其實就是對整個系統(tǒng)全生命周期的管理，從過山車設(shè)計，到制造、到安裝、到改造，再到使用、維護(hù)、保養(yǎng)。針對以上各個環(huán)節(jié)，進(jìn)行風(fēng)險分析，根據(jù)不同類型過山車的結(jié)構(gòu)特點確定健康指標(biāo)，通過檢驗檢測得到的數(shù)據(jù)從而開展健康評價。其流程如圖1 所示。

圖1 過山車健康管理流程

使用單位和制造單位都應(yīng)當(dāng)制定合理規(guī)范的流程，把健康管理的基本要素應(yīng)用到于過山車的設(shè)計、制造安裝、使用運行、維護(hù)保養(yǎng)和報廢等各個步驟中。檢驗檢測機(jī)構(gòu)在檢驗檢測環(huán)節(jié)中進(jìn)行健康監(jiān)測管理，對過山車的主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，開展有效的健康評價。

3 過山車監(jiān)測數(shù)據(jù)

過山車主要被監(jiān)測的參數(shù)是速度與加速度，本文還是采用MTE-T8 無線振動模塊，將該模塊與被測結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性固定，從而測試運動物體XYZ 三軸方向的加速度，通過快速傅里葉方法FFT 濾波后進(jìn)行積分運算，可以獲得三個方向的速度。

車體加速度監(jiān)測：

加速度信號是結(jié)構(gòu)振動的主要信息，加速度振動信號具有以下作用：當(dāng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)整體的振動時，通過分析結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，為結(jié)構(gòu)安全評定提供相關(guān)數(shù)據(jù)。通常主要監(jiān)測XYZ 三個方向的振動。

為了能夠測量出過山車在運行過程中實時振動情況或者三軸加速度情況，必須將加速度傳感器固定到座位上，以模擬真人在位置上的加速度情況。而剛性固定需要有某一專用工具進(jìn)行。將設(shè)計的專用夾具通過螺母固定到剛性座位上，再將T8 加速度測試模塊固定連接在專用夾具上如圖2-1，同時，也需要將路由器固定在專用夾具上。為了方便記錄，還需要將與網(wǎng)關(guān)相連的PC 放置在座位安全地方，以便實時接收數(shù)據(jù)。接受的數(shù)據(jù)可以通過MatrixWell 軟件進(jìn)行處理。

圖2 測試過山車加速度的專用夾具

圖2 是在上海迪士尼樂園的一臺名叫“七個小矮人”的滑行類過山車進(jìn)行加速度測試的案例，其中有兩輛車互相交替使用，每臺車在車頭位置安裝圖2 樣式的固定夾具，其他位置安裝沙袋以模仿滿載情況。

圖3 是得到測試的數(shù)據(jù)在MatrixWell 中顯示的結(jié)果。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為加速度，加速度用重力加速度g 的倍數(shù)來表示。三條曲線分別為XYZ 三個方向的加速度值。

圖3 加速度測試結(jié)果

4 過山車轉(zhuǎn)向架制動裝置模態(tài)分析

4.1 有限元模型的建立

過山車制動器在進(jìn)行高速運行時會產(chǎn)生較大的振動，并通過支持架傳到夾鉗本體。在Hypermesh 中的三維模型如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)向制動裝置實體模型

材料屬性定義為：彈性模量為211GPa，泊松比取0.30，密度為：7.9g/cm3，單元類型采用四面體單元，分別建立三維有限元模型和制動器有限元模型。

4.2 系統(tǒng)的有限元模態(tài)分析結(jié)果

HyperMesh 是一款實用的前處理軟件，可以用來建立相關(guān)約束和施加載荷，接著通過計算器OptiStruct進(jìn)行計算分析，最后從后處理模塊HyperVeiw 中進(jìn)行觀察。用得到的模態(tài)參數(shù)代替復(fù)雜的有限元模型。圖5 是模態(tài)分析結(jié)果。

把主要關(guān)注的7-12 階模態(tài)頻率提取出來，分析各子結(jié)構(gòu)所得到的后6 階頻率結(jié)果分別如表1、表2 和表3 所示。

表2 支持架7-12 階頻率表

表3 安裝座7-12 階頻率表

該系統(tǒng)前6 階頻率： 振型階次7 模態(tài)頻率184.7； 振型階次8 模態(tài)頻率259.5；振型階次9模態(tài)頻率347.4；振型階次10 模態(tài)頻率363.5；振型階次11 模態(tài)頻率493.1；振型階次12 模態(tài)頻率628.5。

5 過山車健康評估流程

圖6 是過山車健康評估流程圖，在該圖中重點是二級指標(biāo)中Ⅳ、Ⅲ等級的判斷，當(dāng)出現(xiàn)Ⅳ、Ⅲ等級的二級指標(biāo)，需停止評估，進(jìn)行相應(yīng)的整改措施，最終需要出具整改前、整改后兩套評估報告。在評估報告中給出合理維護(hù)保養(yǎng)建議。

圖6 過山車健康評估流程圖

6 結(jié)語

本文首先介紹了課題研究的背景及意義，探討了進(jìn)行該課題研究所需要的關(guān)鍵技術(shù)及其國內(nèi)研究現(xiàn)狀。重點從種類繁多的過山車中確定了危險程度大的幾臺典型過山車進(jìn)行檢測參數(shù)的選取。根據(jù)各種類別過山車的運動特點和結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計，其中對環(huán)境、溫度、桁架變形、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動、車體速度與加速度相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究。同時，對如何確立過山車的剩余使用壽命進(jìn)行了詳細(xì)研究，采用基于疲勞損傷理論的剩余壽命評估方法。通過有限元法確立零部件或者焊縫的危險部位即應(yīng)力最大處，結(jié)合過山車的運行特點獲得載荷譜，根據(jù)S-N 曲線通過FE-Fatigue 軟件進(jìn)行仿真；研究了鋼絲繩壽命計算的方法；對過山車的重要零部件制動器進(jìn)行了模態(tài)分析。對于不能實時進(jìn)行檢測的參數(shù)，可以采用有限元方法進(jìn)行有效的計算，獲得的數(shù)據(jù)可以參與后面健康評估。將檢測的參數(shù)與通過計算的參數(shù)結(jié)合，對于種類繁多的過山車，提煉出六大一級指標(biāo)，并對一級指標(biāo)進(jìn)行二級劃分。通過加權(quán)計算，專家打分等方法最后可以得到某臺設(shè)備的健康等級，并提出有效可行的整改建議，為過山車健康監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

基于本文研究的過山車健康監(jiān)測相關(guān)技術(shù)，軟件系統(tǒng)的后期開發(fā)，還需要同過山車設(shè)計制造單位與使用單位聯(lián)合調(diào)研，只有獲知實際需求并以此為基礎(chǔ)，才能進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)。對于之后的研究，更需要將不同類型、國家標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的過山車納入健康監(jiān)測中。將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來實現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)化，與之實時監(jiān)測共享國內(nèi)所有在運營的過山車健康狀態(tài)，方便共性問題的實質(zhì)性解決。