神舟飛碟動力學仿真及乘客加速度計算

付華，劉華偉

（河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

游樂設施作為特種設備中的一種，由于起步較晚，在生產與設計上還存在一些問題。國內發(fā)生的多起游樂設施事故大多與束縛裝置有關[1]，2017年以來大型游樂設施40%以上傷亡事故與束縛裝置有關[2]。神舟飛碟是國內較新穎的大型游樂設施，此設備座艙繞轉盤公轉的同時，沿著圓弧軌道按照慣性周期性左右滑行。飛碟在運行過程中,乘客受到重力、離心力、慣性力等作用，在一定條件下，這些力可以使乘客脫離座椅，束縛裝置能夠約束乘客在座椅上不被甩出，所以，乘客束縛裝置選型的合理性，與乘客的人身安全密切相關[3]。結合神舟飛碟的實際運行情況，基于動力學分析理論建立神舟飛碟整機的模型以進行模擬仿真，計算設備運行周期內乘客的運行加速度，并與理論計算結果比較。依據(jù)乘客加速度的大小確定設計加速度的分區(qū)，對照相應的規(guī)范標準對乘客束縛裝置進行選型和校驗[4]。

1 加速度和束縛裝置

1.1 乘客與座椅的作用力

游樂設施在運行過程中，乘客承受重力、離心力和慣性力等，這些力促使乘客壓緊或脫離座椅。這些力在一定范圍內，將乘客壓緊座椅的力越大，乘客不易脫出座椅，相反脫離的力越大越危險，越需要乘客束縛裝置。乘客與座椅的脫離趨勢會導致乘客處于危險之中，因此分為以下幾種情況進行說明：①乘客后背與座椅靠背之間，如果存在壓緊力，相對安全，不易發(fā)生乘客束縛裝置失效方面事故。如果力將二者分離，是危險的。②乘客臀部與椅墊面之間，如果有作用存在壓緊力，相對安全，不易發(fā)生乘客束縛裝置失效方面事故。如果有作用力將二者分離，是危險的。③考慮摩擦力與壓力成正比。設備運行過程中，乘客自身的加速度和設備座椅之間存在的力學關系可以視作加速度及慣性加速，可以表示為設備使用過程中真實的加速度與其存在的重力加速度的比值，其力學方向與慣性加速及重力相一致，通過該力學關系可以顯示出設備運行中乘客的受載狀態(tài)以及運行的態(tài)勢，從而能夠獲得束縛需求。

1.2 束縛裝置選型依據(jù)

束縛裝置包括安全壓杠、安全帶和擋桿等。當游樂設施運行時，乘客束縛裝置確保乘客不會被甩出、滑出。設備在運行狀態(tài)下，由于乘客自重原因將會形成一定的慣性力，并且將作用于束縛裝置和設備座椅，在此過程中，若慣性力大于臨界值不僅會造成束縛裝置無法起到作用，嚴重時還會造成對乘客的傷害。因此，在進行束縛裝置的選型時應嚴格按照相關規(guī)范標準，以保障裝置的安全性以及乘客的人身安全。根據(jù)《大型游樂設施安全規(guī)范》(GB 8408-2018)規(guī)定，x、z方向的運動狀態(tài)將呈現(xiàn)為加速組合的形式，并以不同加速度區(qū)等級與設施中束縛裝置相互對應。在設施實際的運行當中，其危險程度隨著加速度區(qū)域等級的增加而提升，而相對應的強化措施也應隨之提高，從而為乘客提供最佳的保障[5]。

2 加速度的理論計算

2.1 飛碟運行原理

神舟飛碟制動后，乘客通過站臺上下座椅，飛碟座椅固定在轉盤邊緣部位，乘客被安全壓杠和安全帶束縛在座位上。神舟飛碟運行是由滑行擺動和回轉兩種運行形式組成：①滑行擺動系統(tǒng)：輪架兩側通過4組輪系，支承整個擺動部件（包括輪架、轉盤和座椅），滑行驅動部分由驅動電機、皮帶輪、驅動軸、輪胎組成，輪架上安裝驅動電機，電機端部安裝主動皮帶輪，通過帶傳動驅動安裝在驅動軸上的輪胎轉動。②轉盤回轉系統(tǒng)：轉盤底部為輪架部件，轉盤與輪架之間通過回轉支承連接，回轉驅動部分由電機、減速器、小齒輪、回轉支承組成。回轉支承外側為齒圈結構，并與小齒輪嚙合，電機、減速機安裝在輪架上，通過驅動小齒輪驅動轉盤旋轉。

2.2 加速度計算

神舟飛碟工作時，乘客和座椅一邊繞回轉中心做旋轉運動，同時在底部輪胎摩擦驅動下作往復擺動，運動過程中，重力加速度的方向始終向下，離心加速度方向背離旋轉中心軸向外[6]。飛碟的擺動半徑R=12m，回轉穩(wěn)定運行時，回轉半徑r=2.8m，回轉角速度ω=0.73rad/s。運行過程中的加速度示意圖如圖1。

圖1 加速度示意圖

飛碟擺動時最大擺角θ=45°，飛碟轉盤外側乘客相對于擺動軸線的最大夾角α=25°。飛碟飛到最高點后，在進行下落運動時，其驅使原動件轉動的力矩將不再做功，通過三角函數(shù)計算可得：

式中：R表示設施擺動部件的質心半徑（單位：m）。由于設施的擺動部件在此狀態(tài)下僅受到重力的作用，其機械能守恒可以表示為：

式中：m表示設施擺動部件以及乘客等自身的質量（單位：kg）；g表示標準重力加速度值（本研究中取值為：9.8m/s2）；v表示飛碟進行擺動時所在方向的瞬時線速度（單位：m/s）。飛碟在進行擺動運行時將圍繞軌道圓弧中心線做圓周運動，此過程中其向心力可以表示為：

轉盤擺動到擺角最大位置時，最上端的乘客和座椅是擠壓趨勢狀態(tài)，此時x向加速度最大；最下端的乘客和座椅是脫離趨勢狀態(tài)，此時x向加速度最小，考慮高點和低點乘客受擺動軸線的夾角的影響，以及乘客轉動離心加速度的影響，由三角函數(shù)可知：

3 束縛裝置的選型

通過以上理論分析和動力學仿真計算可知，束縛裝置鎖緊位置要能固定或可調節(jié)，乘客或操作員可鎖緊和打開。飛碟每個座艙有一套背部壓杠裝置和安全帶，壓杠的解鎖裝置位于座椅后下方，鎖緊裝置可以根據(jù)乘客體型進行調節(jié)，并通過相互獨立的雙棘齒嚙合鎖緊，僅操作人員才能用腳打開鎖緊裝置，安全帶為冗余設置，增加了束縛裝置的安全性。綜上，飛碟的束縛裝置設計選型滿足規(guī)范要求。

4 結束語

本文以22座神舟飛碟為研究對象，在對飛碟運行特性進行詳細理論分析基礎上，根據(jù)機械能守恒定律，給出了神舟飛碟乘客三向加速度的計算結果，并運用有限元軟件ANSYS Workbench軟件建立神舟飛碟運行力學模型，通過仿真計算得出乘客三向加速度的時間歷程曲線，并與理論計算結果進行對比。計算結果表明：①乘客加速度的仿真曲線與理論計算相比，最大誤差小于7%，驗證了建模、仿真的正確性和合理性。②用乘客x、z方向加速度作為分區(qū)和束縛裝置選型依據(jù)，確定與飛碟乘客加速度對應的設計加速度的區(qū)域為區(qū)域2，根據(jù)標準規(guī)范，這表明飛碟的束縛裝置滿足設計要求。本文為其他游樂設施乘客加速度的計算和束縛裝置的選型校驗提供了參考。