過山車健康監測模型與評價技術研究

朱瑞銀，王正宇，張子文，蔣曦陽

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 211899）

1 前言

近年來，隨著國內游樂行業的快速發展，大大小小的主題樂園如雨后春筍般逐年增加，其中過山車由于變速快、變向多、刺激強等特點，是主題樂園的熱門項目，隨著國家標準對游樂設施的安全要求越來越高，對現有過山車建立在線健康監測大有必要。

目前，我國針對過山車的有效措施的方法還是通過檢驗機構和使用單位通過常規的檢驗檢測手段進行實施，根據相關標準檢規所進行的檢驗檢測也只是在當時、非運行狀態下的一些物理參數和幾何參數，即使在當時檢驗檢測狀態下合格，并不能保證設備其他時間運行也是無故障、隱患的。由于環境因素、機械電氣因素、人為因素等影響，在特殊條件下可能會發生意料不到的故障或事故。通過健康監測先進技術的引入，從而對危險性較大的過山車相關運行參數進行實時監測，就可以時時掌握過山車的運行狀況，從而迅速進行故障預測與診斷，及時進行糾正和關注。同時，如果做好了設備主要參數的實時監控，對以后進行的大數據處理、大數據挖掘做好數據基礎。由于國內對過山車的健康監測的研究較少，經過對過山車在線健康監測技術的發展現狀以及國內過山車運營情況進行全面了解后認為，在乘客身體安全的承受范圍內，以加速度的允許值和結構的疲勞安全系數為參考，使用虛擬樣機仿真建模并進行有限元分析，將仿真數據與檢測數據對比，可以為過山車健康監測結論提供有效依據。

2 過山車健康監測模型

對過山車進行健康管理其實就是對整個系統全生命周期的管理，從過山車設計，到制造、到安裝、到改造，再到使用、維護、保養。針對以上各個環節，進行風險分析，根據不同類型過山車的結構特點確定健康指標，通過檢驗檢測得到的數據從而開展健康評價。其流程如圖1 所示。

圖1 過山車健康管理流程

使用單位和制造單位都應當制定合理規范的流程，把健康管理的基本要素應用到于過山車的設計、制造安裝、使用運行、維護保養和報廢等各個步驟中。檢驗檢測機構在檢驗檢測環節中進行健康監測管理，對過山車的主要參數進行監測，開展有效的健康評價。

3 過山車監測數據

過山車主要被監測的參數是速度與加速度，本文還是采用MTE-T8 無線振動模塊，將該模塊與被測結構進行剛性固定，從而測試運動物體XYZ 三軸方向的加速度，通過快速傅里葉方法FFT 濾波后進行積分運算，可以獲得三個方向的速度。

車體加速度監測：

加速度信號是結構振動的主要信息，加速度振動信號具有以下作用：當監測結構整體的振動時，通過分析結構的動力學特性，為結構安全評定提供相關數據。通常主要監測XYZ 三個方向的振動。

為了能夠測量出過山車在運行過程中實時振動情況或者三軸加速度情況，必須將加速度傳感器固定到座位上，以模擬真人在位置上的加速度情況。而剛性固定需要有某一專用工具進行。將設計的專用夾具通過螺母固定到剛性座位上，再將T8 加速度測試模塊固定連接在專用夾具上如圖2-1，同時，也需要將路由器固定在專用夾具上。為了方便記錄，還需要將與網關相連的PC 放置在座位安全地方，以便實時接收數據。接受的數據可以通過MatrixWell 軟件進行處理。

圖2 測試過山車加速度的專用夾具

圖2 是在上海迪士尼樂園的一臺名叫“七個小矮人”的滑行類過山車進行加速度測試的案例，其中有兩輛車互相交替使用，每臺車在車頭位置安裝圖2 樣式的固定夾具，其他位置安裝沙袋以模仿滿載情況。

圖3 是得到測試的數據在MatrixWell 中顯示的結果。橫坐標為時間，縱坐標為加速度，加速度用重力加速度g 的倍數來表示。三條曲線分別為XYZ 三個方向的加速度值。

圖3 加速度測試結果

4 過山車轉向架制動裝置模態分析

4.1 有限元模型的建立

過山車制動器在進行高速運行時會產生較大的振動，并通過支持架傳到夾鉗本體。在Hypermesh 中的三維模型如圖4 所示。

圖4 轉向制動裝置實體模型

材料屬性定義為：彈性模量為211GPa，泊松比取0.30，密度為：7.9g/cm3，單元類型采用四面體單元，分別建立三維有限元模型和制動器有限元模型。

4.2 系統的有限元模態分析結果

HyperMesh 是一款實用的前處理軟件，可以用來建立相關約束和施加載荷，接著通過計算器OptiStruct進行計算分析，最后從后處理模塊HyperVeiw 中進行觀察。用得到的模態參數代替復雜的有限元模型。圖5 是模態分析結果。

把主要關注的7-12 階模態頻率提取出來，分析各子結構所得到的后6 階頻率結果分別如表1、表2 和表3 所示。

表2 支持架7-12 階頻率表

表3 安裝座7-12 階頻率表

該系統前6 階頻率： 振型階次7 模態頻率184.7； 振型階次8 模態頻率259.5；振型階次9模態頻率347.4；振型階次10 模態頻率363.5；振型階次11 模態頻率493.1；振型階次12 模態頻率628.5。

5 過山車健康評估流程

圖6 是過山車健康評估流程圖，在該圖中重點是二級指標中Ⅳ、Ⅲ等級的判斷，當出現Ⅳ、Ⅲ等級的二級指標，需停止評估，進行相應的整改措施，最終需要出具整改前、整改后兩套評估報告。在評估報告中給出合理維護保養建議。

圖6 過山車健康評估流程圖

6 結語

本文首先介紹了課題研究的背景及意義，探討了進行該課題研究所需要的關鍵技術及其國內研究現狀。重點從種類繁多的過山車中確定了危險程度大的幾臺典型過山車進行檢測參數的選取。根據各種類別過山車的運動特點和結構特點，進行了檢測系統的整體設計，其中對環境、溫度、桁架變形、應力應變、結構振動、車體速度與加速度相關的監測技術進行了研究。同時，對如何確立過山車的剩余使用壽命進行了詳細研究，采用基于疲勞損傷理論的剩余壽命評估方法。通過有限元法確立零部件或者焊縫的危險部位即應力最大處，結合過山車的運行特點獲得載荷譜，根據S-N 曲線通過FE-Fatigue 軟件進行仿真；研究了鋼絲繩壽命計算的方法；對過山車的重要零部件制動器進行了模態分析。對于不能實時進行檢測的參數，可以采用有限元方法進行有效的計算，獲得的數據可以參與后面健康評估。將檢測的參數與通過計算的參數結合，對于種類繁多的過山車，提煉出六大一級指標，并對一級指標進行二級劃分。通過加權計算，專家打分等方法最后可以得到某臺設備的健康等級，并提出有效可行的整改建議，為過山車健康監測管理系統的開發奠定理論基礎和技術支撐。

基于本文研究的過山車健康監測相關技術，軟件系統的后期開發，還需要同過山車設計制造單位與使用單位聯合調研，只有獲知實際需求并以此為基礎，才能進行聯合開發。對于之后的研究，更需要將不同類型、國家標準涵蓋的過山車納入健康監測中。將獲取的相關數據作為基礎來實現真正的物聯網化，與之實時監測共享國內所有在運營的過山車健康狀態，方便共性問題的實質性解決。