自旋滑車加速度計算與束縛裝置應(yīng)用選型

張強，趙九峰

自旋滑車加速度計算與束縛裝置應(yīng)用選型

張強，趙九峰

（河南省特種設(shè)備檢驗技術(shù)研究院，河南 鄭州 450000）

針對游樂設(shè)施的運行形式千變?nèi)f化、加速度難以精確計算、物理樣機測試成本高的問題，在力學分析的基礎(chǔ)上，提出游樂設(shè)施加速度的本質(zhì)是慣性加速度，通過慣性力求解游樂設(shè)施加速度的方法。以滑行車類游樂設(shè)施自旋滑車為研究對象，對自旋滑車進行剛體動力學仿真，獲取自旋滑車在整個運行周期內(nèi)各向加速度的時間歷程曲線，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對加速度進行分區(qū)，并對束縛裝置進行選型。計算結(jié)果表明，自旋滑車設(shè)計加速度的區(qū)域為區(qū)域2，束縛裝置滿足設(shè)計要求。

自旋滑車；束縛裝置；加速度；剛體動力學；時間歷程曲線

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，游樂設(shè)施向著速度更快、運動形式更多樣化等方向發(fā)展，給乘客帶來快樂的同時，其安全性也受到社會的廣泛關(guān)注。近年來有關(guān)游樂設(shè)施的事故中，因束縛裝置失效導致乘客人身傷害占有相當比重。如2016年，佛山樂園“果蟲滑車”在運行過程中，安全帶意外打開導致乘客被甩出車外墜亡；2018年，許昌市西湖公園“飛鷹”在運行過程中，安全壓杠未鎖緊導致乘客被拋出而墜亡[1]。作為游樂設(shè)施主要束縛裝置的安全帶、安全壓杠和安全擋桿，其合理選型關(guān)系到乘客的生命安全，是設(shè)備可靠運行的重要保障[2]。

為減少游樂設(shè)施中由于乘客束縛裝置類型選擇不合理導致的意外傷害事故，GB 8408－2018[3]提出基于加速度的乘客束縛裝置選型準則。由于游樂設(shè)施運行形式千變?nèi)f化，其加速度精確計算一直是大型游樂設(shè)施設(shè)計的難點，樣機測試成本高、周期長[4]。針對以上問題，提出了采用慣性力求解加速度的計算方法，以國內(nèi)某自旋滑車為例，利用仿真軟件模擬自旋滑車的實際運行工況，并提取慣性力并換算乘客加速度，獲取各向加速度的取值范圍，依據(jù)GB 8408－2018[3]進行加速度分區(qū)和束縛裝置應(yīng)用選型，是保障游樂設(shè)施安全運行的前提。

1 加速度分區(qū)

1.1 游樂設(shè)施人體加速度

為保障乘客安全，游樂設(shè)施運行過程中利用束縛裝置把乘客限制在座艙內(nèi)。由于速度變化引起乘客與束縛裝置和座艙之間產(chǎn)生的相互作用力稱為慣性力[5]。游樂設(shè)施加速度計算的本質(zhì)是求解設(shè)備運動過程中直接加載在乘客身上的慣性力。當慣性力超過一定限度，會造成束縛裝置的失效和乘客的人身傷害。

由牛頓第二定律，有[6]：

式中：為由速度變化產(chǎn)生的慣性力，N；為乘客的質(zhì)量，kg；為慣性加速度，m/s2。

由于乘客體重不同，所以用加速度去反映乘客受到的力。游樂設(shè)施的加速度和物理學中的加速度不是一個概念。物理學中是在慣性坐標系下，利用速度的變化去計算加速度，即速度對時間求導；游樂設(shè)施中，加速度是在非慣性坐標系下，乘客自身承受的慣性力除以乘客質(zhì)量。非慣性坐標系下慣性力的計算涉及復(fù)雜的坐標變換，因此，通常采用動力學仿真的方法，利用慣性力去間接求解游樂設(shè)施的加速度。

慣性加速度作為游樂設(shè)施的一個重要參數(shù)指標，用于衡量乘客承受載荷的大小，體現(xiàn)對束縛裝置的需求。由式（1）可知，在乘客質(zhì)量不變的情況下，慣性力與慣性加速度成正比，為保障乘客的生命安全，游樂設(shè)施的加速度必須限定在合理范圍內(nèi)[7]。GB 8408－2018[3]規(guī)定：游樂設(shè)施乘客的加速度以人體空間坐標系表達，用實際加速度與重力加速度的比值表示。人體空間坐標系如圖1所示。

1.2 加速度分區(qū)與束縛裝置

游樂設(shè)施座艙兩邊通常設(shè)置有護欄或把手，能一定程度保障乘客不會從座艙側(cè)向（方向）滑出，保障乘客方向的安全；同時，依據(jù)、方向加速度選擇的束縛裝置也具有側(cè)向的束縛功能。因此，依據(jù)GB 8408－2018[3]，按照運動狀態(tài)將、方向加速度組合，作為束縛裝置選型的依據(jù)[8]。

游樂設(shè)施設(shè)計加速度分區(qū)如圖2所示。

圖1 人體空間坐標系

圖2 設(shè)計加速度分區(qū)

各類游樂設(shè)施設(shè)計中，安全是首要考慮的因素，游樂設(shè)施安全核心的內(nèi)容是為乘客提供合理的束縛裝置[9]。以往僅依靠經(jīng)驗，并參考類似設(shè)備對束縛裝置進行選型，缺乏理論依據(jù)。GB 8408－2018[3]在乘客加速度不同分區(qū)的基礎(chǔ)上，對束縛裝置提出相應(yīng)要求。在游樂設(shè)施設(shè)計制造的初期，對設(shè)計加速度進行精確計算，確定整個運行周期內(nèi)，乘客各向加速度的范圍，對照設(shè)計加速度分區(qū)圖，設(shè)置合理或更高安全級別的束縛裝置。因此，游樂設(shè)施加速度的精確計算是束縛裝置合理選型的前提。

2 剛體動力學分析

2.1 簡化模型

自旋滑車沿著坡度軌道提升到高點后，在重力作用下開始在高低起伏的軌道上運行?；囋谲壍郎线\行時，整個座艙依靠慣性，繞滑車中軸線360°自由旋轉(zhuǎn)[10]。

自旋滑車主要由座艙、滑車、軌道、立柱、站臺、護欄等部分組成，束縛裝置包括安全帶和安全壓杠。其結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

1.座艙；2.滑車；3.軌道；4.立柱；5.站臺；6.護欄。

圖3 自旋滑車整體結(jié)構(gòu)示意簡圖

1.座艙；2.滑車；7.安全帶；8.安全壓杠。

圖4 自旋滑車座艙結(jié)構(gòu)示意簡圖

軌道是自旋滑車的重要組成部分和主要承載件，滑車僅在重力作用下沿著軌道曲線運動，僅考慮滑車沿軌道運行曲線所產(chǎn)生的加速度，立柱、站臺、護欄的具體結(jié)構(gòu)不再考慮。為簡化計算，建立軌道的軌跡曲線模型和滑車的模型。軌道為空間曲線結(jié)構(gòu)，利用Workbench軟件中的三維空間曲線（3D Curve）模塊，通過軌道運行曲線上各點的三維坐標，利用軟件的樣條曲線功能，建立自旋滑車軌道簡化模型[11]，如圖5所示。

圖5 軌道與滑車簡化模型

2.2 載荷與約束

自旋滑車軌道通過立柱固定在地面基礎(chǔ)上，為了簡化計算，在軌道和大地之間直接建立固定約束（Fixed）；滑車沿軌道曲線運動，在滑車與軌道之間建立點線約束（Point on Curve），起始點建立在站臺位置的凹形軌道底部；座艙繞滑車中心軸線在慣性作用下自由旋轉(zhuǎn)，座艙與滑車底架之間建立旋轉(zhuǎn)副約束（Revolute）。

GB 8408－2018[3]規(guī)定：活載荷，乘坐1～2人時按不低于750 N/人計算，2人以上按不低于700 N/人計算。滿載工況下自旋滑車為8名乘客，保守計算，取每名乘客的質(zhì)量為75 kg，用實體模型模擬乘客質(zhì)量。

有別于物理學中的運行加速度，游樂設(shè)施采用的是慣性加速度，不能直接提取仿真結(jié)果的加速度參數(shù)作為設(shè)備加速度[11]。為準確獲取自旋滑車的加速度參數(shù)指標，在距座椅正上方600 mm位置，即乘客胸部位置構(gòu)建虛擬模型，設(shè)置模型質(zhì)量為1 kg。虛擬模型與座椅之間建立固定副約束（Fixed），在固定副約束位置定義參考坐標系，即在設(shè)備運動過程中，定義的參考坐標系和人體坐標系始終保持一致[12]。

載荷與約束如圖6所示。

圖6 載荷與約束

3 加速度分區(qū)與束縛裝置選型

3.1 加速度計算與分區(qū)

自旋滑車提升坡度的長度為9 m，提升速度為1.5 m/s。設(shè)置兩個載荷步。第一個載荷步為提升階段，時間6 s，設(shè)置運行速度1.5 m/s；第二個載荷步為在重力作用下自由滑行階段。整個運行周期為36 s，施加豎直向下的重力加速度9.8 m/s2。由于總體阻尼對滑車運行影響較小，忽略摩擦和空氣等阻尼影響[13]。

定義仿真分析時間為36 s，最小時間步為0.001 s[14]。對自旋滑車在整個運行周期內(nèi)進行剛體動力學仿真分析，提取虛擬模型在參考坐標系下、、方向的慣性力載荷數(shù)值[15]。由于虛擬模型的質(zhì)量為1 kg，則載荷數(shù)值大小即為乘客加速度數(shù)值大小[15]。

在Excel軟件中繪制加速度時間歷程曲線，得到三向加速度的最大最小值，如圖7、表1所示。

圖7 自旋滑車加速度時間歷程曲線

表1 自旋滑車三向加速度

綜上，自旋滑車的三向加速度為：

前后方向a＝[-0.30, 0.26]；

左右方向a＝[-0.14, 0.34]；

上下方向a＝[0.79, 1.67]。

綜上可知，乘客在自旋滑車運行過程中承受前后和左右方向的加速度較小，均不超過0.35；豎直方向加速度存在兩個較大波動，分別對應(yīng)兩個坡道，運行到坡底時承受較大的向下加速度，最大為1.67，處于超重狀態(tài)；運行到坡頂時，最小加速度為0.79，處于失重狀態(tài)。

超重會讓人體對座椅產(chǎn)生較大的擠壓力，增強人的安全感，而失重會讓人體對座椅產(chǎn)生脫離的感覺，使人產(chǎn)生恐慌感[11]，因此在游玩自旋滑車的過程中，乘客在兩個坡道位置會體驗到強烈的沖擊感。

3.2 束縛裝置選型

游樂設(shè)施的束縛裝置包括安全壓杠、安全帶和擋桿等。束縛裝置可以把乘客約束在座椅上，使乘客隨座椅一起運行而不被甩出座椅。在加速度作用下，乘客體重產(chǎn)生的慣性力會直接作用在乘客身上[16]。由于乘客的體重不一，采用加速度為指標，依據(jù)GB 8408－2018[3]等規(guī)范標準選擇合理的束縛裝置是保障乘客安全的前提。

不同的加速度區(qū)域，對束縛裝置有不同要求。通過自旋滑車剛體動力學仿真計算分析，乘客處于圖2所示的區(qū)域2。區(qū)域2的要求是束縛裝置鎖緊位置固定或可調(diào)節(jié)，乘客或操作人員可打開釋放束縛裝置；手動或自動控制鎖緊和釋放；鎖緊裝置不要求有冗余[3]。由圖4可知，自旋滑車每個座艙采用一套壓腿式安全壓杠和安全帶。安全壓杠可以根據(jù)乘客體型進行調(diào)節(jié)，安全壓杠的底部為兩套棘齒鎖緊裝置，并有安全帶為冗余設(shè)置，增加了束縛裝置的安全性。

通過以上分析可知，自旋滑車束縛裝置的安全性高于區(qū)域2的要求，表明束縛裝置的選型合理，能夠保障乘客的生命安全。

4 結(jié)論

安全是游樂設(shè)施的根本，乘客加速度的精確計算是束縛裝置選型的依據(jù)，束縛裝置的合理選型是保障游樂設(shè)施運行過程中乘客舒適性和安全性的前提。自旋滑車運行過程中，加速度不斷變化，難以通過理論推導獲取精確的加速度數(shù)據(jù)。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過動力學仿真獲取游樂設(shè)施的加速度，是唯一有效且可行的方法。

在自旋滑車運行特性分析的基礎(chǔ)上，按照實際運行狀態(tài)，在整個運行周期內(nèi)對自旋滑車進行剛體動力學分析，計算結(jié)果表明：

（1）通過對自旋滑車的剛體動力學仿真，獲取自旋滑車加速度范圍為：a＝[-0.30, 0.26]，a＝[-0.14, 0.34]，a＝[0.79, 1.67]。

（2）自旋滑車加速度位于區(qū)域2，束縛裝置安全性高于區(qū)域2的要求，表明自旋滑車束縛裝置選型合理且安全。

基于剛體動力學仿真的加速度計算，為束縛裝置選型提供必要的數(shù)據(jù)支撐，對其他游樂設(shè)施加速度計算和束縛裝置選型具有指導意義。

[1]王亞坤，趙九峰，苗瑞芳，等. 大型游樂設(shè)施乘客束縛裝置工作原理與選型[J]. 機械研究與應(yīng)用，2021，34（6）：207-210.

[2]項輝宇，李磊，張勇，等. 游樂設(shè)施座椅乘客束縛裝置約束有效性研究[J]. 計算機仿真，2022，39（1）：269-273.

[3]國家市場監(jiān)督管理總局，中國國家標準化管理委員會. 大型游樂設(shè)施安全規(guī)范：GB 8408－2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[4]徐永生，鄧貴德，張勇，等. 數(shù)字仿真假人在游樂設(shè)施行業(yè)中的應(yīng)用前景[J]. 中國特種設(shè)備安全，2018，34（1）：18-23.

[5]沈功田，賀貴軍，張勇，等. 載人設(shè)備人體加速度反應(yīng)研究綜述及應(yīng)用展望[J]. 機械設(shè)計與研究，2020，36（6）：1-7，14.

[6]趙九峰. 海盜船加速度計算及乘客束縛裝置選型校驗[J]. 機械工程與自動化，2021，（2）：175-176，179.

[7]劉培廣. 游樂設(shè)施乘客約束物與加速度的關(guān)系[J]. 中國鍋爐壓力容器安全，2005，21（2）：45-50.

[8]徐銳，項輝宇，張勇，等. 基于加速度的游樂設(shè)施乘客束縛裝置應(yīng)用研究[J]. 科技視界，2019，（10）：8-11.

[9]陳衛(wèi)衛(wèi)，王銀蘭，趙強，等. 中外大型游樂設(shè)施束縛裝置選型比較研究[J]. 中國特種設(shè)備安全，2021，37（3）：4-8，51.

[10]黃旻瑤，王志榮，李向東，等. FMECA-模糊綜合分析法在自旋滑車橋軸風險評價中的應(yīng)用[J]. 安全與環(huán)境學報，2017，17（4）：1228-1232.

[11]趙九峰，張國卿，李萌. 基于Workbench的大型游樂設(shè)施加速度計算方法研究[J]. 機械研究與應(yīng)用，2023，36（3）：50-52，56.

[12]趙九峰. 自控飛機大臂氣缸推力計算方法研究[J]. 液壓氣動與密封，2021，41（10）：32-36.

[13]葉俊，汪永明，吳純君，等. 基于虛擬樣機技術(shù)的過山車輪架有限元分析[J]. 安徽工業(yè)大學學報（自然科學版），2016，33（3）：256-260.

[14]蘇曉峰，趙九峰，丁舟波，等. 基于Workbench狂呼乘人加速度計算及束縛裝置選型[J]. 機械，2020，47（5）：18-22，32.

[15] 趙九峰. 大型游樂設(shè)施慣性加速度計算與校核[J]. 機械工程與自動化，2023，（4）：18-20.

[16]呂夢南，王華杰，孫藝峰，等. 基于乘客束縛模型的游樂設(shè)施安全距離分析[J]. 機械設(shè)計與研究，2023，39（1）：190-195，201.

Acceleration Calculation of Self-Revolving Pulley and Selection of Restraint Device

ZHANG Qiang，ZHAO Jiufeng

( Henan Special Equipment Inspection Technology Research Institute, Zhengzhou 450000, China )

In view of the complex and changeable operation of amusement facilities, it is difficult to calculate the acceleration accurately, and the cost of prototype test is high. On the basis of mechanical analysis, the essence of amusement facilities acceleration is inertial acceleration. Therefore, a method is proposed to solve amusement facilities acceleration by inertial force. Taking the self-revolving pulley as the research object, simulation analysis of rigid body dynamics is carried out under the operating conditions, and the time history curve of the acceleration in each direction during the operation is obtained. According to the relevant specifications, the acceleration is partitioned and the restraint device is selected. The calculation results show that acceleration area of the self-revolving pulley is zone 2, and the restraint device meets the design requirements.

self-revolving pulley；restraint device；acceleration；rigid body dynamics；time history curve

TS952.8

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.004

1006-0316 (2023) 12-0020-05

2023-03-24

河南省科技攻關(guān)計劃項目——游樂設(shè)施乘客束縛裝置安全技術(shù)研究（212102410009）

張強（1971－），男，河南鄭州人，高級工程師，主要研究方向為特種設(shè)備檢驗檢測，E-mail：190323706@qq.com。