神舟飞碟动力学仿真及乘客加速度计算

付华，刘华伟

（河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000）

0 引言

游乐设施作为特种设备中的一种，由于起步较晚，在生产与设计上还存在一些问题。国内发生的多起游乐设施事故大多与束缚装置有关[1]，2017年以来大型游乐设施40%以上伤亡事故与束缚装置有关[2]。神舟飞碟是国内较新颖的大型游乐设施，此设备座舱绕转盘公转的同时，沿着圆弧轨道按照惯性周期性左右滑行。飞碟在运行过程中,乘客受到重力、离心力、惯性力等作用，在一定条件下，这些力可以使乘客脱离座椅，束缚装置能够约束乘客在座椅上不被甩出，所以，乘客束缚装置选型的合理性，与乘客的人身安全密切相关[3]。结合神舟飞碟的实际运行情况，基于动力学分析理论建立神舟飞碟整机的模型以进行模拟仿真，计算设备运行周期内乘客的运行加速度，并与理论计算结果比较。依据乘客加速度的大小确定设计加速度的分区，对照相应的规范标准对乘客束缚装置进行选型和校验[4]。

1 加速度和束缚装置

1.1 乘客与座椅的作用力

游乐设施在运行过程中，乘客承受重力、离心力和惯性力等，这些力促使乘客压紧或脱离座椅。这些力在一定范围内，将乘客压紧座椅的力越大，乘客不易脱出座椅，相反脱离的力越大越危险，越需要乘客束缚装置。乘客与座椅的脱离趋势会导致乘客处于危险之中，因此分为以下几种情况进行说明：①乘客后背与座椅靠背之间，如果存在压紧力，相对安全，不易发生乘客束缚装置失效方面事故。如果力将二者分离，是危险的。②乘客臀部与椅垫面之间，如果有作用存在压紧力，相对安全，不易发生乘客束缚装置失效方面事故。如果有作用力将二者分离，是危险的。③考虑摩擦力与压力成正比。设备运行过程中，乘客自身的加速度和设备座椅之间存在的力学关系可以视作加速度及惯性加速，可以表示为设备使用过程中真实的加速度与其存在的重力加速度的比值，其力学方向与惯性加速及重力相一致，通过该力学关系可以显示出设备运行中乘客的受载状态以及运行的态势，从而能够获得束缚需求。

1.2 束缚装置选型依据

束缚装置包括安全压杠、安全带和挡杆等。当游乐设施运行时，乘客束缚装置确保乘客不会被甩出、滑出。设备在运行状态下，由于乘客自重原因将会形成一定的惯性力，并且将作用于束缚装置和设备座椅，在此过程中，若惯性力大于临界值不仅会造成束缚装置无法起到作用，严重时还会造成对乘客的伤害。因此，在进行束缚装置的选型时应严格按照相关规范标准，以保障装置的安全性以及乘客的人身安全。根据《大型游乐设施安全规范》(GB 8408-2018)规定，x、z方向的运动状态将呈现为加速组合的形式，并以不同加速度区等级与设施中束缚装置相互对应。在设施实际的运行当中，其危险程度随着加速度区域等级的增加而提升，而相对应的强化措施也应随之提高，从而为乘客提供最佳的保障[5]。

2 加速度的理论计算

2.1 飞碟运行原理

神舟飞碟制动后，乘客通过站台上下座椅，飞碟座椅固定在转盘边缘部位，乘客被安全压杠和安全带束缚在座位上。神舟飞碟运行是由滑行摆动和回转两种运行形式组成：①滑行摆动系统：轮架两侧通过4组轮系，支承整个摆动部件（包括轮架、转盘和座椅），滑行驱动部分由驱动电机、皮带轮、驱动轴、轮胎组成，轮架上安装驱动电机，电机端部安装主动皮带轮，通过带传动驱动安装在驱动轴上的轮胎转动。②转盘回转系统：转盘底部为轮架部件，转盘与轮架之间通过回转支承连接，回转驱动部分由电机、减速器、小齿轮、回转支承组成。回转支承外侧为齿圈结构，并与小齿轮啮合，电机、减速机安装在轮架上，通过驱动小齿轮驱动转盘旋转。

2.2 加速度计算

神舟飞碟工作时，乘客和座椅一边绕回转中心做旋转运动，同时在底部轮胎摩擦驱动下作往复摆动，运动过程中，重力加速度的方向始终向下，离心加速度方向背离旋转中心轴向外[6]。飞碟的摆动半径R=12m，回转稳定运行时，回转半径r=2.8m，回转角速度ω=0.73rad/s。运行过程中的加速度示意图如图1。

图1 加速度示意图

飞碟摆动时最大摆角θ=45°，飞碟转盘外侧乘客相对于摆动轴线的最大夹角α=25°。飞碟飞到最高点后，在进行下落运动时，其驱使原动件转动的力矩将不再做功，通过三角函数计算可得：

式中：R表示设施摆动部件的质心半径（单位：m）。由于设施的摆动部件在此状态下仅受到重力的作用，其机械能守恒可以表示为：

式中：m表示设施摆动部件以及乘客等自身的质量（单位：kg）；g表示标准重力加速度值（本研究中取值为：9.8m/s2）；v表示飞碟进行摆动时所在方向的瞬时线速度（单位：m/s）。飞碟在进行摆动运行时将围绕轨道圆弧中心线做圆周运动，此过程中其向心力可以表示为：

转盘摆动到摆角最大位置时，最上端的乘客和座椅是挤压趋势状态，此时x向加速度最大；最下端的乘客和座椅是脱离趋势状态，此时x向加速度最小，考虑高点和低点乘客受摆动轴线的夹角的影响，以及乘客转动离心加速度的影响，由三角函数可知：

3 束缚装置的选型

通过以上理论分析和动力学仿真计算可知，束缚装置锁紧位置要能固定或可调节，乘客或操作员可锁紧和打开。飞碟每个座舱有一套背部压杠装置和安全带，压杠的解锁装置位于座椅后下方，锁紧装置可以根据乘客体型进行调节，并通过相互独立的双棘齿啮合锁紧，仅操作人员才能用脚打开锁紧装置，安全带为冗余设置，增加了束缚装置的安全性。综上，飞碟的束缚装置设计选型满足规范要求。

4 结束语

本文以22座神舟飞碟为研究对象，在对飞碟运行特性进行详细理论分析基础上，根据机械能守恒定律，给出了神舟飞碟乘客三向加速度的计算结果，并运用有限元软件ANSYS Workbench软件建立神舟飞碟运行力学模型，通过仿真计算得出乘客三向加速度的时间历程曲线，并与理论计算结果进行对比。计算结果表明：①乘客加速度的仿真曲线与理论计算相比，最大误差小于7%，验证了建模、仿真的正确性和合理性。②用乘客x、z方向加速度作为分区和束缚装置选型依据，确定与飞碟乘客加速度对应的设计加速度的区域为区域2，根据标准规范，这表明飞碟的束缚装置满足设计要求。本文为其他游乐设施乘客加速度的计算和束缚装置的选型校验提供了参考。