海盗船加速度计算及乘客束缚装置选型校验*

赵九峰

(河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000)

0 引言

游乐设施束缚装置是为了保护乘客在乘坐某些游乐设备时的安全而设置在设备本体上的装置,其作用是保证乘客处于失重状态或被甩出时的安全[1]。近年来，国内发生的多起大型游乐设施事故均与束缚装置有关，2016年2月22日，渑池县仰韶广场，一乘客在乘坐“高空揽月”时，安全压杠根部焊缝断裂，致使乘客从高处坠落，经抢救无效死亡；2017年2月3日，重庆丰都县朝华公园，一名女乘客乘坐 “遨游太空”高空坠落身亡，事故原因为安全带断裂，安全压杠未有效压紧。

游乐设施在运行过程中,乘客受到重力、惯性力、离心力等作用，在一定条件下，这些力可以使乘客脱离座椅，束缚装置的作用是保证约束乘客在座椅上不被甩出，因此游乐设施乘客束缚装置的可靠有效与否直接决定着乘客的人身安全[2]。

1 乘客G加速度和束缚装置

1.1 乘客G加速度

牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比、跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同[3]。牛顿第二定律的适用范围为惯性系，而游乐设施中乘客大多处于速度不断变化的非惯性系中，为了研究方便就在原系中凭空加上惯性力,将非惯性系转化成惯性系来简化问题[4]。惯性力是指当乘客随着设备加速时，惯性会使乘客有保持原有运动状态的倾向，它是乘客与设备(包括束缚装置和座椅)的相互作用力，它与加速度的关系为：

F=m0a.

(1)

其中：F为惯性力，N；m0为乘客的质量，kg；a为乘客加速度，m/s2。

为了便于说明乘客加速度与座椅之间的相互作用力，游乐设施加速度采用的是G加速度，G加速度是实际加速度与重力加速度g的比值，实质上是惯性加速度，与惯性力(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对设备的相对运动趋势，直接体现束缚装置的需求。如运行中的大型游乐设施刹车时，刹车加速度下的惯性力可能造成乘客与座椅的分离，突然起动时，乘客在惯性力作用下挤压座椅靠背。乘客和座椅之间如果存在压紧力则相对安全，如果分离则相对危险。游乐设施人体加速度以乘客躯干作为研究对象，建立固定在乘客胸部的人体坐标系，如图1所示。

图1 人体坐标系示意图

1.2 加速度分区与束缚装置选型

由公式(1)可知，在乘客质量恒定时，惯性力与乘客加速度成正比，加速度越大惯性力越大。乘客本身质量在加速度作用下产生的惯性力会直接作用在束缚装置和座椅上，当惯性力超过一定限度，不但会对人身造成伤害，而且会造成束缚装置功能的失效，所以有必要根据加速度值选择合适的束缚装置，以确保乘客的安全[6]。

由于游乐设施座椅两边和中间设置有座椅把手和栏杆等，其结构型式在一定程度上保证了乘客左右方向的安全，因此仅以x、z方向加速度作为分区和束缚装置选型依据。由《大型游乐设施安全规范》可知，按照运动状态将x、z方向加速度组合并分为1到5级加速度区，如图2所示。

图2 游乐设施设计加速度区域范围

束缚等级要求与加速度分区等级一一对应，游乐设施设计制造时，应结合图2的游乐设施加速度分区等级，从乘客加速度所在区域最高等级出发，参照《大型游乐设施安全规范》对应束缚等级的每项配置要求，设置符合安全规范的乘客束缚装置。随着加速度区域由低级向高级递增，危险性不断增大，应逐渐采取强化措施，提高乘客束缚装置的安全性可靠性[7]。

2 海盗船乘客加速度计算与束缚装置校验

“海盗船”是因为其外形仿古代海盗船而得名的一种观览车类游艺机，海盗船主要由立柱部件、悬臂部件、船体部件、驱动部件和站台护栏等部件组成，设备简图如图3所示。

1-立柱部件;2-悬臂部件；3-船体部件；4-站台护栏；5-驱动部件

船体通过悬臂悬挂在立柱横梁上，座椅沿船体骨架布置，乘客由站台上的客梯上船，坐在座位上将安全挡杆压到合适的位置，驱动部件与船体底部周期性的摩擦驱动，带动船体不断向上摆动，座椅组件随船体运动过程中，乘客通过安全带和安全挡杆束缚在座椅上，受到重力加速度和离心加速度的双重作用。把整个船体和乘客做质点考虑，载荷示意图如图4所示。

图4 质点的载荷示意图

以24座海盗船为计算对象，摆动时最大摆角θ=43°，船体两侧最后一排座椅相对于摆动轴线的夹角α=50°。

从最高点下落过程中，由三角函数可得下落高度：

H=R(cosθ-cos43°).

(2)

其中：R为摆动部分的质心半径，m。

下落过程中，整体系统仅受到重力的作用，根据机械能守恒有[8]：

(3)

其中：m为摆动部分(包括乘客)的质量，kg；g为标准重力加速度，9.8 m/s2；v为海盗船摆动方向的瞬时线速度，m/s。

海盗船在摆动过程中绕着悬臂横梁连接轴中心线做圆周运动，圆周运动的向心力为[9]：

(4)

沿悬臂中心线方向上，摆动部分受到重力和悬臂的拉力，则合力等于向心力：

F1-mgcosθ=F0.

(5)

其中：F1为摆臂的拉力，N。

联立式(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向加速度随着摆角的变化而变化。摆角θ=0°，即船体运动到最低点时，乘客受到的z向加速度最大，azmax=(3cos0°-2cos43°)g=1.54g，属于物理学中的超重现象；摆角θ=43°，即船体运动到最高点时，乘客受到的z向加速度最小，azmin=(3cos43°-2cos43°)g=0.73g，属于物理学中的失重现象。

海盗船运行过程中，乘客前后摆动，坐在船体首尾位置的乘客感受最为激烈，由于座椅在船体上对称布置，考虑首尾乘座椅相对于摆动轴线的夹角的影响，由三角函数可知：

axmax=gsinθ.

(8)

(9)

在海盗船的运行过程中，由于乘客y向无运动，则对应的y向加速度ay=0。

综上，海盗船的三向加速度为：ax=[-0.93g,0.68g]，ay=0，az=[0.73g,1.54g]

由图2可知海盗船的设计加速度在区域3，区域3对应3级束缚装置，其内容可参考文献[9]的具体要求。

海盗船的安全挡杆能够自动锁紧固定，另配有安全带，安全带锁紧可以由乘客自行调节，安全束缚装置存在冗余且相互独立，乘客无法自行打开挡杆的锁紧装置。综上可知，海盗船束缚装置满足区域3的要求。

3 结论

本文以海盗船为研究对象，在分析海盗船运行特点和载荷特性的基础上，利用力学和数学理论计算海盗船乘客加速度，确定设计加速度的分区，并通过加速度的分区来校验乘客束缚装置的选型。其计算方法和结果可为其他大型游乐设施乘客加速度的计算和束缚装置的设计选型提供参考。