基于加速度的游乐设施乘客束缚装置应用研究

徐锐　项辉宇　张勇　周哲人

【摘 要】游乐设施乘客束缚装置选型的合理与否直接关系到乘坐者的人身安全。当前乘客束缚装置设计选用主要是基于经验，为更好地保障乘坐安全，对安全压杠、安全带等束缚装置的功能进行分解，将加速度作为束缚装置选择的依据，提出基于设计加速度的束缚装置准则应用方法。通过一过山车作为应用实例证明了方法可行有效。

【关键词】游乐设施;加速度;乘客束缚装置;选型

中图分类号：X941 文献标识码： A 文章编号： 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

游樂设施通过项目体验满足人们休闲娱乐需要，成为越来越多的游客释放工作和生活压力的选择。与此同时，游乐设施安全是公众关注的热点，关系到我国每年数以亿计的广大乘客尤其青少年儿童的生命安全。近年来新的游乐设施纷纷涌现，不同设备的运动形式不同，乘坐方式多样，运行参数、规模差别大，需要根据设备情况设置合适的束缚装置，保障游乐设施安全[1]。

美国、欧盟的游乐设施标准选择从加速度出发，对乘客束缚装置选型提出要求[2-3]。新颁布的GB 8408-2018《大型游乐设施安全规范》中也增加了根据游乐设施设计加速度为乘客束缚装置选型的要求。新标准颁布不久，行业对其中新概念的理解还不够深入，为此本文从标准出发，对束缚装置的功能进行分解，提出了基于加速度的乘客束缚装置选型设计方法。

1 基于加速度的乘客束缚装置

1.1 游乐设施人体加速度

加速度反映了乘客受载，可以衡量乘客对设备的相对运动趋势，直接体现束缚需求。如某滑行车设备运行中乘客相对座舱以ax=-0.91g减速0.6s，此时乘客若未被安全束缚，躯体会明显前倾，有脱出座椅、发生碰撞造成危险的可能。

游乐设施人体加速度以乘客躯干作为研究对象。建立固定在乘客胸部的人体坐标系如图1，其中“头-骨盆”方向为+az方向，“胸-背”方向为+ax方向，与此平面正交的右-左方向为+ay方向，用与重力加速度g的比值来表示。

1.2 加速度选型依据

在考虑乘客束缚装置选型时，选择ax，az加速度作为选型依据。由于当设备有俯冲、翻转、跃升等动作，乘客前倾和滑出的趋势较大，一旦束缚装置存在隐患，乘客最可能向XZ方向前倾、碰撞、摔出，X、Z方向加速度反映了设备的关键运动状态下的乘客束缚需求。而Y方向加速度不作为主要依据，一方面是因为在依照X、Z方向加速度进行束缚装置选型后，装置同时具备保障乘客左右方向乘坐安全的束缚能力;另一方面，标准中规定乘人装置的座位和型式、乘客座椅面两边和中间应设置拦挡结构，适当增加座椅角度等。乘载系统的结构型式设计一定程度上保证了乘客左右方向的安全。因此以X、Z方向加速度作为选型依据较为合适。按照运动状态将X、Z方向加速度组合并分为1到5级加速度区如图2。

1.3 乘客束缚装置分级配置要求

以往进行乘客束缚装置选型设计时，游乐设施设计人员往往依靠经验，从设备的载荷和运行状态出发，参考同类设备设计制造乘客束缚装置。新标准[4]从安全压杠、安全带、压杆等广泛应用的乘客束缚装置出发，总结其结构特点、配置功能等，提取其关键要素，对游乐设施束缚装置的选型设计提出了以下8项配置要求：

（1）束缚装置的配置

（2）每套束缚装置保护乘客的数量

（3）束缚装置的锁紧位置

（4）束缚装置的锁紧和释放方式

（5）锁紧机构的锁紧类型

（6）锁紧机构的释放类型

（7）锁紧装置冗余

（8）外部指示

对不同的设备各项配置要求不同。设计制造时结合图2的游乐设施加速度分区，从设备加速度所在区域最高等级出发，参照对应束缚等级的每项配置要求，设置符合安全规范的乘客束缚装置。另外通过对设备乘载分析也可以设置一个更高级别的束缚装置。

2 束缚装置选型

对设计阶段运动学仿真得到其设计加速度，确定束缚装置级别要求，进而选型设置。设备束缚装置的选型可以按照如图3步骤进行：

（1）模型运动学分析

对设备运行过程进行运动学分析。其中测量点固定在椅面向上600mm处的设备上。坐标轴方向可结合座椅面和靠背平面等支承面选取[5]。为保证结果准确性建议模拟时间步长不大于0.05s。

（2）运动加速度、姿态角输出

输出测量点局部坐标系下运动加速度，以及局部坐标系相对全局坐标的航向角φ、俯仰角θ、横滚角γ三个姿态角，作为束缚装置选型必要的参数。

（3）游乐设施人体加速度转化

模拟得到的运动加速度不能直接用于加速度分区判断。需要在局部坐标叠加1g重力加速度[6-7]如式（1），转化为游乐设施人体加速度。

其中φ、θ、γ分别为设备运行的航向角、俯仰角和横滚角，[ax ay az]和[ax' ay' az']分别是某时刻游乐设施人体加速度和运动加速度。

（4）绘制XZ加速度组合曲线

判定加速度分区采用X、Z方向游乐设施人体加速度，将同一时刻X、Z方向加速度以（ax，az）的形式表示在平面直角坐标系中，并按照时间顺序连线。

（5）获取加速度区等级

将（4）中连线绘制在图2中，以设计加速度点和连线落在的最大区域等级作为设备加速度分区等级。

（6）确定束缚等级

加速度分区等级与束缚等级要求一一对应，从加速度分区等级出发，确定对应束缚装置等级，从而确定此设备束缚装置的具体配置要求。

（7）依照等级设置束缚装置

若设备未预先选择束缚装置，则根据（6）确定的束缚装置等级对应的要求进行选型设计;若设备已预先设置了束缚装置方案，按照其束缚装置等级，检查当前束缚装置是否满足标准中该等级的要求，若不满足，则重新选择束缚装置，直到束缚装置满足该等级要求。

另外，在为设备设计束缚装置时，还应考虑一些特殊状况，如安全空间，乘载系统中其他装置和结构如座位、靠背、靠头、护垫、约束物等的设计，乘客特殊状态，加速周期和大小，侧向加速度较大、风载等因素[1]。

3 案例应用

为验证应用方法的有效性，本文从某五环过山车设计模型出发设计符合安全规范的束缚装置。

（1）进行模型运动学分析，将轨道和设备几何模型导入Adams中，选取X轴与车辆运行方向一致建立局部坐标系如图4，进行运动学分析。

（2）游乐设施人体加速度转化：数值模拟输出所需的运动学参数，包括运动加速度和方向角，附加重力加速度后，转化为游乐设施人体加速度，如图5：

（3）绘制XZ加速度组合曲线并获取加速度分区等级：将XZ加速度数据点描绘在图6中，可以看出设备设计加速度点和连线落在的区域的最高等级为5区，因此确定此设备加速度分区等级为5级。

（4）最后确定束缚装置等级并设计束缚装置：设备原本设计了齿条锁定型安全压杠作为束缚装置如图7（a），按5级及5级冗余要求检查其选型是否符合安全规范如表1，检查结果表明该设计不满足安全规范的要求。

因此在齿条锁定型安全压杠的基础上，加上两点式腰带作为第二套独立束缚装置，如图7（b），再次检查其是否符合5级及5级冗余要求如表1，符合安全规范。

通过此方法确定了设备处于5加速度区，明确了应按照标准中5级、5级冗余束缚要求为设备选择合适的束缚装置，最后束缚装置的选型是符合安全规范的，方法可行有效。

4 结论

（1）提出了基于设计加速度的乘客束缚装置准则应用方法，包括数据处理、确定束缚等级要求并选型等内容。

（2）以某过山车為例说明应用此方法设计游乐设施束缚装置是可行有效的。

【参考文献】

[1]张新东.关于游乐设施人体束缚装置的思考[J].中国特种设备安全，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，大型游乐设施安全规范[S].2018.

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

[6]于波.惯性技术[M].北京航空航天大学出版社，1994.

[7]梁朝虎，沈勇，丁克勤，等.过山车动态仿真建模方法研究[J].系统仿真学报，2006（S1）：280-282.