海盜船加速度計算及乘客束縛裝置選型校驗*

趙九峰

(河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

游樂設施束縛裝置是為了保護乘客在乘坐某些游樂設備時的安全而設置在設備本體上的裝置,其作用是保證乘客處于失重狀態或被甩出時的安全[1]。近年來，國內發生的多起大型游樂設施事故均與束縛裝置有關，2016年2月22日，澠池縣仰韶廣場，一乘客在乘坐“高空攬月”時，安全壓杠根部焊縫斷裂，致使乘客從高處墜落，經搶救無效死亡；2017年2月3日，重慶豐都縣朝華公園，一名女乘客乘坐 “遨游太空”高空墜落身亡，事故原因為安全帶斷裂，安全壓杠未有效壓緊。

游樂設施在運行過程中,乘客受到重力、慣性力、離心力等作用，在一定條件下，這些力可以使乘客脫離座椅，束縛裝置的作用是保證約束乘客在座椅上不被甩出，因此游樂設施乘客束縛裝置的可靠有效與否直接決定著乘客的人身安全[2]。

1 乘客G加速度和束縛裝置

1.1 乘客G加速度

牛頓第二定律：物體加速度的大小跟作用力成正比、跟物體的質量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同[3]。牛頓第二定律的適用范圍為慣性系，而游樂設施中乘客大多處于速度不斷變化的非慣性系中，為了研究方便就在原系中憑空加上慣性力,將非慣性系轉化成慣性系來簡化問題[4]。慣性力是指當乘客隨著設備加速時，慣性會使乘客有保持原有運動狀態的傾向，它是乘客與設備(包括束縛裝置和座椅)的相互作用力，它與加速度的關系為：

F=m0a.

(1)

其中：F為慣性力，N；m0為乘客的質量，kg；a為乘客加速度，m/s2。

為了便于說明乘客加速度與座椅之間的相互作用力，游樂設施加速度采用的是G加速度，G加速度是實際加速度與重力加速度g的比值，實質上是慣性加速度，與慣性力(包括重力)的方向一致，其大小包含重力加速度[5]。

G加速度可以衡量乘客對設備的相對運動趨勢，直接體現束縛裝置的需求。如運行中的大型游樂設施剎車時，剎車加速度下的慣性力可能造成乘客與座椅的分離，突然起動時，乘客在慣性力作用下擠壓座椅靠背。乘客和座椅之間如果存在壓緊力則相對安全，如果分離則相對危險。游樂設施人體加速度以乘客軀干作為研究對象，建立固定在乘客胸部的人體坐標系，如圖1所示。

圖1 人體坐標系示意圖

1.2 加速度分區與束縛裝置選型

由公式(1)可知，在乘客質量恒定時，慣性力與乘客加速度成正比，加速度越大慣性力越大。乘客本身質量在加速度作用下產生的慣性力會直接作用在束縛裝置和座椅上，當慣性力超過一定限度，不但會對人身造成傷害，而且會造成束縛裝置功能的失效，所以有必要根據加速度值選擇合適的束縛裝置，以確保乘客的安全[6]。

由于游樂設施座椅兩邊和中間設置有座椅把手和欄桿等，其結構型式在一定程度上保證了乘客左右方向的安全，因此僅以x、z方向加速度作為分區和束縛裝置選型依據。由《大型游樂設施安全規范》可知，按照運動狀態將x、z方向加速度組合并分為1到5級加速度區，如圖2所示。

圖2 游樂設施設計加速度區域范圍

束縛等級要求與加速度分區等級一一對應，游樂設施設計制造時，應結合圖2的游樂設施加速度分區等級，從乘客加速度所在區域最高等級出發，參照《大型游樂設施安全規范》對應束縛等級的每項配置要求，設置符合安全規范的乘客束縛裝置。隨著加速度區域由低級向高級遞增，危險性不斷增大，應逐漸采取強化措施，提高乘客束縛裝置的安全性可靠性[7]。

2 海盜船乘客加速度計算與束縛裝置校驗

“海盜船”是因為其外形仿古代海盜船而得名的一種觀覽車類游藝機，海盜船主要由立柱部件、懸臂部件、船體部件、驅動部件和站臺護欄等部件組成，設備簡圖如圖3所示。

1-立柱部件;2-懸臂部件；3-船體部件；4-站臺護欄；5-驅動部件

船體通過懸臂懸掛在立柱橫梁上，座椅沿船體骨架布置，乘客由站臺上的客梯上船，坐在座位上將安全擋桿壓到合適的位置，驅動部件與船體底部周期性的摩擦驅動，帶動船體不斷向上擺動，座椅組件隨船體運動過程中，乘客通過安全帶和安全擋桿束縛在座椅上，受到重力加速度和離心加速度的雙重作用。把整個船體和乘客做質點考慮，載荷示意圖如圖4所示。

圖4 質點的載荷示意圖

以24座海盜船為計算對象，擺動時最大擺角θ=43°，船體兩側最后一排座椅相對于擺動軸線的夾角α=50°。

從最高點下落過程中，由三角函數可得下落高度：

H=R(cosθ-cos43°).

(2)

其中：R為擺動部分的質心半徑，m。

下落過程中，整體系統僅受到重力的作用，根據機械能守恒有[8]：

(3)

其中：m為擺動部分(包括乘客)的質量，kg；g為標準重力加速度，9.8 m/s2；v為海盜船擺動方向的瞬時線速度，m/s。

海盜船在擺動過程中繞著懸臂橫梁連接軸中心線做圓周運動，圓周運動的向心力為[9]：

(4)

沿懸臂中心線方向上，擺動部分受到重力和懸臂的拉力，則合力等于向心力：

F1-mgcosθ=F0.

(5)

其中：F1為擺臂的拉力，N。

聯立式(2)～式(5)可得：

F1=mg(3cosθ-2cos43°).

(6)

由公式(6)可得z向加速度：

az=(3cosθ-2cos43°)g.

(7)

由公式(7)可知，乘客的z向加速度隨著擺角的變化而變化。擺角θ=0°，即船體運動到最低點時，乘客受到的z向加速度最大，azmax=(3cos0°-2cos43°)g=1.54g，屬于物理學中的超重現象；擺角θ=43°，即船體運動到最高點時，乘客受到的z向加速度最小，azmin=(3cos43°-2cos43°)g=0.73g，屬于物理學中的失重現象。

海盜船運行過程中，乘客前后擺動，坐在船體首尾位置的乘客感受最為激烈，由于座椅在船體上對稱布置，考慮首尾乘座椅相對于擺動軸線的夾角的影響，由三角函數可知：

axmax=gsinθ.

(8)

(9)

在海盜船的運行過程中，由于乘客y向無運動，則對應的y向加速度ay=0。

綜上，海盜船的三向加速度為：ax=[-0.93g,0.68g]，ay=0，az=[0.73g,1.54g]

由圖2可知海盜船的設計加速度在區域3，區域3對應3級束縛裝置，其內容可參考文獻[9]的具體要求。

海盜船的安全擋桿能夠自動鎖緊固定，另配有安全帶，安全帶鎖緊可以由乘客自行調節，安全束縛裝置存在冗余且相互獨立，乘客無法自行打開擋桿的鎖緊裝置。綜上可知，海盜船束縛裝置滿足區域3的要求。

3 結論

本文以海盜船為研究對象，在分析海盜船運行特點和載荷特性的基礎上，利用力學和數學理論計算海盜船乘客加速度，確定設計加速度的分區，并通過加速度的分區來校驗乘客束縛裝置的選型。其計算方法和結果可為其他大型游樂設施乘客加速度的計算和束縛裝置的設計選型提供參考。