传统旋转娱乐设备改造设计及运动参数的安全性分析

李睿，郭枳邑，张晓峰，韩博



传统旋转娱乐设备改造设计及运动参数的安全性分析

李睿1*，郭枳邑2，张晓峰1，韩博3

（1.大连民族大学 机电工程学院，辽宁 大连 116600；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；3.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168）

针对传统旋转木马这种娱乐设备单调乏味的缺陷进行了改造设计，利用齿轮连杆机构实现了骑具复杂的运动轨迹和多变的速度与加速度，增加了娱乐设施的趣味性。该设计可以根据订单调节运动机构的各项参数。通过对运动机构的仿真分析，使位移速度以及加速度实现了可视化，并且根据数据曲线图对机构的安全性进行了分析。

娱乐设备；旋转木马；齿轮连杆机构；运动分析

随着当代社会人们对娱乐活动要求的日趋提高，旋转木马这项曾经风靡一时的游乐项目由于其机构运动形式的单调乏味，渐渐失去了对人们的吸引力。旋转木马只是骑具绕公共轴公转的同时，单个骑具在垂直方向的往复直线运动和匀速自转运动的复合，这种规律可预测的运动形式是造成游客失去游玩兴趣的主要因素，因此使该设备中骑具运动轨迹复杂化和加速度变化多样化成为改造设计的关键点。

通过研究发现，齿轮连杆机构可以产生无规则的运动路线和复杂多变的加速度。因此，本次改造设计在传统旋转木马的基础上，利用齿轮连杆机构作为骑具分运动的实现机构，并将马的形状改造为斗牛的形状，不仅可以实现该设备的改进，还可通过改变齿轮齿数和连杆长度定量地调节运动形式，这样更易于根据客户的需求进行定制型的改造[1-2]。这种可以忽上忽下左右不定的复杂随机轨迹运动与斗牛的旷野外形非常匹配，让游客难以预测，从而保证了新颖的娱乐特性。

1 整体机构方案设计

1.1 骑具公转运动机构设计

骑具的公转运动参考了现阶段产品即传统旋转木马的旋转机构的设计。公转运动由大圆盘带动各个骑具实现，圆盘上方均匀布置6个骑具，如图1所示，骑具由紧固件固定在大圆盘上。圆盘下方安装圆形大齿圈，齿圈的回转运动可以由4个电动机通过小齿轮带动实现，为了减少摩擦和保证传动平稳，圆盘下面安装车轮可以在圆形轨道上运动。

图1 骑具公转运动机构简图

1.2 骑具分运动机构设计

在满足运动要求的前提下，为了使机构尽量简单，节约设备成本，选择在骑具正中矢状面内做运动轨迹的设计研究，这样也易于更改方案而满足面向客户订单设计的需要[2]。骑具的分运动采用齿轮连杆机构，即两个互相啮合的齿轮上各铰接一根连杆。比如在图2（a）中1点和1'点处各铰接一个连杆，并在A处安放骑具，如图2（b）所示。

图2 骑具分运动机构简图

这种机构简单，却可以实现A点处复杂的运动轨迹，而且通过改变各部件的尺寸，可以控制轨迹的变化[3-4]。A点处运动轨迹、速度与加速度等运动指标可以通过调整齿轮的模数、齿数、传动比、连杆长度、连杆与齿轮铰接端到齿轮中心的距离等参数改变。其中，齿轮分度圆直径的大小影响整体机构尺寸和运动速度、加速度；齿轮传动比影响运动轨迹的循环周期；连杆一端到齿轮中心的距离，影响轨迹形状；连杆长度，影响整体机构的高度和轨迹形状。

2 机构的运动学分析

娱乐设备的设计轨迹要有一定的复杂性，周期要比较长，不能在短时间内重复运动以免乘客产生单调乏味的感觉。轨迹的尺寸即运动幅度应控制在一定的范围内，具体数值可以面向订单确定，骑具整体要有一定高度，尽量使乘客的身体距离地面一米左右，这样游乐性可以大大增强。

骑具运动速度方面的要求：不要突然改变速度方向，以免产生急停急走的感觉，速度曲线要平滑转变，并且速度的范围要尽量广泛，以满足各个人群与爱好的乘客使用[5]。

从游客乘坐舒适度的角度考虑限制运动的与向加速度，向的加速度向上和向下都不能过大，如果超过一个重力加速度，乘客会感到恐惧和不适，甚至眩晕跌落骑具。向下加速度如果超过，乘客会完全脱离骑具产生危险[5-6]。向加速度可根据实际情况适当选取，也可面向订单定制。

为了使运动轨迹可视化，对于骑具机构的运动采用MATLAB软件进行仿真，将抽象的信息图形化，可以使数据信息非常容易理解，有利于更有效地探索机构运动规律。

本研究中采取了两组方案，如表1所示。对比分析不同机构参数下骑具的运动轨迹、速度和加速度的变化情况，大圆盘公转运动的转速由游乐场负责机构确定，转速通常比较低，所以以下只研究A点处骑具的相对运动参数。

表1 运动机构主要尺寸数据

2.1 A点的运动轨迹图像

从图3中可以看到，前后运动的范围在700 mm左右，适合小型旋转游乐设备的运动幅度，运动高低变化在350 mm左右，运动曲线比较复杂，属于包含小弧度与大弧度的结合光滑曲线。一个周期内在矢状面内的运动轨迹复杂且不重复，用于游乐设施会让乘客充满乐趣和好奇感。两个方案对比发现，方案一的纵向位移变化幅度大、变化频率较高，包含7个波峰，从50 mm变化到360 mm，方案二的纵向位移变化幅度稍小，从170 mm变化到400 mm，包含5个波峰。

图3 A点运动轨迹曲线图

2.2 运动速度分析

从图4（a）可看出骑具运动速率最大值不超过1000 mm/s，平均速率在350 mm/s，两种方案一个周期内速率变化曲线都包含6个波峰，说明速率变化多样又不至太快引起人体恐惧[7]。

从图4（b）（c）对比可以看出横向运动的速率变化没有纵向复杂，这样可以防止乘客产生晕车的感觉，并且有增添了娱乐的趣味性[8]。

2.3 计算加速度图像

图5可看出运动加速度在合理范围内，纵向加速度绝对值小于0.25 m/s2，保证乘客不会有类似失重的不适感，且身体不会脱离骑具[7]。

3 结论

本设计对旋转木马运动轨迹进行了详细的模拟设计，以达到更好的娱乐效果。给出了运动轨迹的设计立意、设计具体方法，以及仿真模拟办法。通过设计立意确定设计方案，通过模拟仿真优化设计方案的一系列内容。设计利用了MATLAB、SolidWorks等仿真建模软件，通过对运动参数尺寸的严格设计指导工程图纸的机构设计。

斗牛机构的轨迹设计有着很多可调参数，可以适应实际客户的需求，各个零件的设计，本着低成本、易于制造的原则。在三维建模之后给出实际可行的设计方案图纸。

本设计轨迹多变，具有极高的可定制性。采用开放性设计，易于改装加工，适合市场适用发展。

图4 运动速率曲线图

图5 运动加速度曲线图

[1]陈赛克，凌轩. 基于Solidworks齿轮连杆机构的运动仿真[J]. 食品与机械，2012，28（6）：177-179.

[2]郭佳，陈功玉. 面向订单生产对企业资源规划的挑战[J]. 南方经济，2010（12）：60-69.

[3]赵涛. 列车驱动斜齿轮有限元分析与结构优化设计[J]. 机械， 2017，44（2）：46-47.

[4]蔡仕哲. 一种空间三轴交叉的传动机构的通用设计[J]. 机械， 2018，45（3）：26-28.

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[6]庄春吉，王志荣，张新东. 大型游乐设施风险评估指标体系的构建与应用[J]. 中国特种设备安全，2017，33（4）：42-45.

[7]张新东，张煜，李向东，等. 基于事故统计的大型游乐设施危险性分析和安全防范措施研究[J]. 中国特种设备安全，2015，31（2）：21-25.

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[7]余沛，王玉雅，袁银书，朱瑞泉，孙旭平. 超大直径无轴式摩天轮桥轮一体化结构设计分析[J]. 建筑结构，2017，47（13）：16-19.

Modification Design of Traditional Rotary Recreation Equipment and the Safety Analysis of Motion Parameters

LI Rui1，GUO Zhiyi2，ZHANG Xiaofeng1，HAN Bo3

( 1.College of Electromechanical and Information Engineering, Dalian Minzu University, Dalian 116600, China; 2.School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 3.Shenyang Siasun Robot Automation Co.,Ltd, Shenyang, 110168, China)

The article in view of the traditional merry-go-round that the defect of tedious entertainment equipment retrofit design, using the gear linkage mechanism to realize the motion trajectory of riding with complex and changeable, velocity and acceleration of increase fun of entertainment facilities. The design can adjust the parameters of the sports organization according to the order of order. Through the simulation analysis of the motion mechanism, the displacement velocity and acceleration are visualized, and the security of the mechanism is analyzed according to the data curve diagram.

entertainment equipment；merry-go-round；gear connecting rod mechanism；geared linkage mechanism；motion analysis

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.009

1006－0316 (2018) 07－0036－04

2017－11－24

辽宁省教育厅项目（L2014545）

*通讯作者：李睿（1980－），女，辽宁鞍山人，博士，讲师，主要研究方向为机构动力学。