自旋滑车加速度计算与束缚装置应用选型

张强，赵九峰

自旋滑车加速度计算与束缚装置应用选型

张强，赵九峰

（河南省特种设备检验技术研究院，河南 郑州 450000）

针对游乐设施的运行形式千变万化、加速度难以精确计算、物理样机测试成本高的问题，在力学分析的基础上，提出游乐设施加速度的本质是惯性加速度，通过惯性力求解游乐设施加速度的方法。以滑行车类游乐设施自旋滑车为研究对象，对自旋滑车进行刚体动力学仿真，获取自旋滑车在整个运行周期内各向加速度的时间历程曲线，依据相关规范对加速度进行分区，并对束缚装置进行选型。计算结果表明，自旋滑车设计加速度的区域为区域2，束缚装置满足设计要求。

自旋滑车；束缚装置；加速度；刚体动力学；时间历程曲线

随着经济的发展和技术的进步，游乐设施向着速度更快、运动形式更多样化等方向发展，给乘客带来快乐的同时，其安全性也受到社会的广泛关注。近年来有关游乐设施的事故中，因束缚装置失效导致乘客人身伤害占有相当比重。如2016年，佛山乐园“果虫滑车”在运行过程中，安全带意外打开导致乘客被甩出车外坠亡；2018年，许昌市西湖公园“飞鹰”在运行过程中，安全压杠未锁紧导致乘客被抛出而坠亡[1]。作为游乐设施主要束缚装置的安全带、安全压杠和安全挡杆，其合理选型关系到乘客的生命安全，是设备可靠运行的重要保障[2]。

为减少游乐设施中由于乘客束缚装置类型选择不合理导致的意外伤害事故，GB 8408－2018[3]提出基于加速度的乘客束缚装置选型准则。由于游乐设施运行形式千变万化，其加速度精确计算一直是大型游乐设施设计的难点，样机测试成本高、周期长[4]。针对以上问题，提出了采用惯性力求解加速度的计算方法，以国内某自旋滑车为例，利用仿真软件模拟自旋滑车的实际运行工况，并提取惯性力并换算乘客加速度，获取各向加速度的取值范围，依据GB 8408－2018[3]进行加速度分区和束缚装置应用选型，是保障游乐设施安全运行的前提。

1 加速度分区

1.1 游乐设施人体加速度

为保障乘客安全，游乐设施运行过程中利用束缚装置把乘客限制在座舱内。由于速度变化引起乘客与束缚装置和座舱之间产生的相互作用力称为惯性力[5]。游乐设施加速度计算的本质是求解设备运动过程中直接加载在乘客身上的惯性力。当惯性力超过一定限度，会造成束缚装置的失效和乘客的人身伤害。

由牛顿第二定律，有[6]：

式中：为由速度变化产生的惯性力，N；为乘客的质量，kg；为惯性加速度，m/s2。

由于乘客体重不同，所以用加速度去反映乘客受到的力。游乐设施的加速度和物理学中的加速度不是一个概念。物理学中是在惯性坐标系下，利用速度的变化去计算加速度，即速度对时间求导；游乐设施中，加速度是在非惯性坐标系下，乘客自身承受的惯性力除以乘客质量。非惯性坐标系下惯性力的计算涉及复杂的坐标变换，因此，通常采用动力学仿真的方法，利用惯性力去间接求解游乐设施的加速度。

惯性加速度作为游乐设施的一个重要参数指标，用于衡量乘客承受载荷的大小，体现对束缚装置的需求。由式（1）可知，在乘客质量不变的情况下，惯性力与惯性加速度成正比，为保障乘客的生命安全，游乐设施的加速度必须限定在合理范围内[7]。GB 8408－2018[3]规定：游乐设施乘客的加速度以人体空间坐标系表达，用实际加速度与重力加速度的比值表示。人体空间坐标系如图1所示。

1.2 加速度分区与束缚装置

游乐设施座舱两边通常设置有护栏或把手，能一定程度保障乘客不会从座舱侧向（方向）滑出，保障乘客方向的安全；同时，依据、方向加速度选择的束缚装置也具有侧向的束缚功能。因此，依据GB 8408－2018[3]，按照运动状态将、方向加速度组合，作为束缚装置选型的依据[8]。

游乐设施设计加速度分区如图2所示。

图1 人体空间坐标系

图2 设计加速度分区

各类游乐设施设计中，安全是首要考虑的因素，游乐设施安全核心的内容是为乘客提供合理的束缚装置[9]。以往仅依靠经验，并参考类似设备对束缚装置进行选型，缺乏理论依据。GB 8408－2018[3]在乘客加速度不同分区的基础上，对束缚装置提出相应要求。在游乐设施设计制造的初期，对设计加速度进行精确计算，确定整个运行周期内，乘客各向加速度的范围，对照设计加速度分区图，设置合理或更高安全级别的束缚装置。因此，游乐设施加速度的精确计算是束缚装置合理选型的前提。

2 刚体动力学分析

2.1 简化模型

自旋滑车沿着坡度轨道提升到高点后，在重力作用下开始在高低起伏的轨道上运行。滑车在轨道上运行时，整个座舱依靠惯性，绕滑车中轴线360°自由旋转[10]。

自旋滑车主要由座舱、滑车、轨道、立柱、站台、护栏等部分组成，束缚装置包括安全带和安全压杠。其结构如图3、图4所示。

1.座舱；2.滑车；3.轨道；4.立柱；5.站台；6.护栏。

图3 自旋滑车整体结构示意简图

1.座舱；2.滑车；7.安全带；8.安全压杠。

图4 自旋滑车座舱结构示意简图

轨道是自旋滑车的重要组成部分和主要承载件，滑车仅在重力作用下沿着轨道曲线运动，仅考虑滑车沿轨道运行曲线所产生的加速度，立柱、站台、护栏的具体结构不再考虑。为简化计算，建立轨道的轨迹曲线模型和滑车的模型。轨道为空间曲线结构，利用Workbench软件中的三维空间曲线（3D Curve）模块，通过轨道运行曲线上各点的三维坐标，利用软件的样条曲线功能，建立自旋滑车轨道简化模型[11]，如图5所示。

图5 轨道与滑车简化模型

2.2 载荷与约束

自旋滑车轨道通过立柱固定在地面基础上，为了简化计算，在轨道和大地之间直接建立固定约束（Fixed）；滑车沿轨道曲线运动，在滑车与轨道之间建立点线约束（Point on Curve），起始点建立在站台位置的凹形轨道底部；座舱绕滑车中心轴线在惯性作用下自由旋转，座舱与滑车底架之间建立旋转副约束（Revolute）。

GB 8408－2018[3]规定：活载荷，乘坐1～2人时按不低于750 N/人计算，2人以上按不低于700 N/人计算。满载工况下自旋滑车为8名乘客，保守计算，取每名乘客的质量为75 kg，用实体模型模拟乘客质量。

有别于物理学中的运行加速度，游乐设施采用的是惯性加速度，不能直接提取仿真结果的加速度参数作为设备加速度[11]。为准确获取自旋滑车的加速度参数指标，在距座椅正上方600 mm位置，即乘客胸部位置构建虚拟模型，设置模型质量为1 kg。虚拟模型与座椅之间建立固定副约束（Fixed），在固定副约束位置定义参考坐标系，即在设备运动过程中，定义的参考坐标系和人体坐标系始终保持一致[12]。

载荷与约束如图6所示。

图6 载荷与约束

3 加速度分区与束缚装置选型

3.1 加速度计算与分区

自旋滑车提升坡度的长度为9 m，提升速度为1.5 m/s。设置两个载荷步。第一个载荷步为提升阶段，时间6 s，设置运行速度1.5 m/s；第二个载荷步为在重力作用下自由滑行阶段。整个运行周期为36 s，施加竖直向下的重力加速度9.8 m/s2。由于总体阻尼对滑车运行影响较小，忽略摩擦和空气等阻尼影响[13]。

定义仿真分析时间为36 s，最小时间步为0.001 s[14]。对自旋滑车在整个运行周期内进行刚体动力学仿真分析，提取虚拟模型在参考坐标系下、、方向的惯性力载荷数值[15]。由于虚拟模型的质量为1 kg，则载荷数值大小即为乘客加速度数值大小[15]。

在Excel软件中绘制加速度时间历程曲线，得到三向加速度的最大最小值，如图7、表1所示。

图7 自旋滑车加速度时间历程曲线

表1 自旋滑车三向加速度

综上，自旋滑车的三向加速度为：

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]。

综上可知，乘客在自旋滑车运行过程中承受前后和左右方向的加速度较小，均不超过0.35；竖直方向加速度存在两个较大波动，分别对应两个坡道，运行到坡底时承受较大的向下加速度，最大为1.67，处于超重状态；运行到坡顶时，最小加速度为0.79，处于失重状态。

超重会让人体对座椅产生较大的挤压力，增强人的安全感，而失重会让人体对座椅产生脱离的感觉，使人产生恐慌感[11]，因此在游玩自旋滑车的过程中，乘客在两个坡道位置会体验到强烈的冲击感。

3.2 束缚装置选型

游乐设施的束缚装置包括安全压杠、安全带和挡杆等。束缚装置可以把乘客约束在座椅上，使乘客随座椅一起运行而不被甩出座椅。在加速度作用下，乘客体重产生的惯性力会直接作用在乘客身上[16]。由于乘客的体重不一，采用加速度为指标，依据GB 8408－2018[3]等规范标准选择合理的束缚装置是保障乘客安全的前提。

不同的加速度区域，对束缚装置有不同要求。通过自旋滑车刚体动力学仿真计算分析，乘客处于图2所示的区域2。区域2的要求是束缚装置锁紧位置固定或可调节，乘客或操作人员可打开释放束缚装置；手动或自动控制锁紧和释放；锁紧装置不要求有冗余[3]。由图4可知，自旋滑车每个座舱采用一套压腿式安全压杠和安全带。安全压杠可以根据乘客体型进行调节，安全压杠的底部为两套棘齿锁紧装置，并有安全带为冗余设置，增加了束缚装置的安全性。

通过以上分析可知，自旋滑车束缚装置的安全性高于区域2的要求，表明束缚装置的选型合理，能够保障乘客的生命安全。

4 结论

安全是游乐设施的根本，乘客加速度的精确计算是束缚装置选型的依据，束缚装置的合理选型是保障游乐设施运行过程中乘客舒适性和安全性的前提。自旋滑车运行过程中，加速度不断变化，难以通过理论推导获取精确的加速度数据。因此，在产品设计阶段，通过动力学仿真获取游乐设施的加速度，是唯一有效且可行的方法。

在自旋滑车运行特性分析的基础上，按照实际运行状态，在整个运行周期内对自旋滑车进行刚体动力学分析，计算结果表明：

（1）通过对自旋滑车的刚体动力学仿真，获取自旋滑车加速度范围为：a＝[-0.30, 0.26]，a＝[-0.14, 0.34]，a＝[0.79, 1.67]。

（2）自旋滑车加速度位于区域2，束缚装置安全性高于区域2的要求，表明自旋滑车束缚装置选型合理且安全。

基于刚体动力学仿真的加速度计算，为束缚装置选型提供必要的数据支撑，对其他游乐设施加速度计算和束缚装置选型具有指导意义。

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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

河南省科技攻关计划项目——游乐设施乘客束缚装置安全技术研究（212102410009）

张强（1971－），男，河南郑州人，高级工程师，主要研究方向为特种设备检验检测，E-mail：190323706@qq.com。