原子飞车乘客载荷特性分析与安全衣校核计算

赵九峰 周世军 赵霄雯 史继红

(1. 河南省特种设备安全检测研究院， 郑州 450000；2. 航空经济发展河南省协同创新中心， 郑州 450000)

0 前 言

原子飞车属于一类单轨滑行游乐设施，主要由滑行车、轨道、安全衣座舱等部件构成[1]。其中，滑行车被约束在相应倾角的单轨轨道上，以乘客自身重量为动力，借助轨道的高度差在重力作用下沿轨道自由下滑[2]。滑行车的下方吊装安全衣，乘客在安全衣的包裹下随着滑行车一起在轨道上运行，时而急速下滑，时而螺旋飞转。原子飞车游乐项目的出现，给乘客带来了极佳的刺激性娱乐体验，其技术保障及安全性也备受关注。在相关研究中，着重对游乐设施的运行参数和乘客受力情况进行了分析[2-4]，但较少对运行参数、乘客受力及乘客束缚装置进行系统性校核。

在原子飞车的运行过程中,如果施加于乘客的各项载荷超限，则有可能将乘客甩出而造成人身伤害事故[5]。原子飞车运行的速度大小和方向变化迅速，因此难以精确计算和测量乘客所受载荷。针对这种情况，本次研究将根据原子飞车的运行原理，运用机械能守恒定律等物理理论推导乘客载荷计算公式。同时，应用虚拟样机技术构建原子飞车轨道空间三维模型，对乘客实体模型进行运动学与动力学仿真分析[6]，从而得到乘客在整个运行周期内的最大载荷。在此基础上，通过仿真分析验证模型中数据的可靠性及施加约束载荷的合理性，为乘客安全衣的校核计算提供数据支持。

1 原子飞车运行受力分析

1.1 运行原理

原子飞车是一种无动力源的滑行车类刺激性游乐设施，一般由立柱、滑行车、轨道和安全衣座舱等主要部件构成，其结构如图1所示。在原子飞车的运行过程中，单根轨道通过钢丝绳悬挂于立柱上，滑行车限定在轨道上滑行[7]，乘客乘坐滑行车按设定路线高速滑翔，整个运行周期内只依靠惯性和重力完成滑行运动。其间，乘客和滑行车同时在高高的起点位置产生重力势能，在沿轨道下滑的过程中重力势能不断转化为动能[8]，从而沿着曲率半径不断变化的弯曲轨道在丛林中穿梭。伴随着高速下滑的冲击感和左右摇摆的拖拽力，滑行车的运行姿态随着轨道位置的不断变化而变化[9]，由此给乘客带来惊险刺激的游乐体验。

图1 原子飞车主体结构简图

1.2 载荷分析

原子飞车的设计中，利用了重力的作用，使其借助高度差变化产生的能量转化而实现无动力滑行。风载荷和摩擦力的影响忽略不计[10]，其整个运行过程中遵守了机械能守恒定律，如式(1)所示：

(1)

式中：m—— 乘客自身质量，kg；

g—— 重力加速度，取9.8 m/s2；

h—— 下滑轨道的落差，m；

v—— 至当前段末时的下滑速度，m/s。

根据物理运动学理论，当物体绕着某个中心点作圆周运动时，必然受到一个指向中心点且与线速度方向垂直的向心力作用[11]。在分析此类圆周运动问题时，需要选取不同的参考系，并在选取非惯性系时设定一个虚拟离心力[12]。以原子飞车为例，选取的是围绕弯曲轨道曲率中心转动的非惯性参考系。在此非惯性参考系中，假定乘客处于静止状态，在重力、惯性离心力和安全衣拉力等作用力下达到平衡[13]。此时，乘客在弯道附近的载荷分布如图2所示。

图2 乘客在弯道附近的载荷分布

当运行到轨道转弯处时，乘客受到一定的离心力(F1)作用，可用式(2)计算[14]：

F1=m·v2/r

(2)

式中：F1—— 离心力，N；

r—— 曲率半径，m。

在整个运行过程中，乘客始终受到重力(F2)的作用，可用式(3)计算：

F2=m·g

(3)

式中：F2—— 重力，N。

根据力的合成法则，乘客运行过程中受到的最大载荷(F3)可用式(4)计算：

(4)

式中：F3—— 最大载荷，N。

联立式(1) — (4)，可求得最大载荷：

(5)

由式(5)可知，在运行过程中，乘客所受载荷除了与额定载荷(F2)有关外，还与轨道转弯处的曲率半径和下滑轨道的落差有关。

2 实例分析

根据相关国家标准：对于大型游乐设施，当乘坐成人1～2人时，每位乘客所受载荷应不低于 750 N[15]；对于滑行车类游乐设施，每位成人乘客所受载荷应不低于750 N[16]。在此，我们按照每位乘客自身载荷750 N的设计值进行分析和计算。

按照原子飞车轨道转弯曲率将下滑轨道分为 4段(见图3)，其曲率半径和距起点落差如表1 所示。

表1 下滑轨道分段数据 单位：m

图3 原子飞车轨道运行平面图

通过式(5)计算滑行轨道第1、2、3、4段的乘客载荷，结果分别为875、888、1 015、1 352 N。

3 仿真分析

3.1 简化模型

轨道是原子飞车的重要组成部分和主要承载件，它又可按滑行过程分为倾斜直行段和螺旋转弯段，其结构为空间曲线结构。在此，应用ANSYS Workbench中的三维空间曲线(3D Curve)模块，建立原子飞车轨道简化模型及乘客模型，利用实体单元模拟单个乘客的运动。图4所示为原子飞车轨道与乘客简化模型。

图4 原子飞车轨道与乘客简化模型

3.2 载荷与约束

模型仿真的目的，是模拟乘客在重力作用下沿着轨道曲线运动的状态。在此，利用ANSYS Workbench中的点线约束功能(point on curve)约束乘客沿轨道曲线的下滑动作：在约束起始点位置建立局部坐标系，坐标系的x向与轨道曲线相切，轨道上部施加全约束(fixed)，向坐标的y轴负向施加等效重力加速度(9.8 m/s2)。图5所示为点线副约束示意图。

图5 点线副约束示意图

3.3 模拟结果

集成于Workbench环境的动力学分析模块(rigid dynamics)，在柔性体动力学分析的基础上采用了收敛检查和无需迭代计算的显式积分技术，可提供自动时间步功能，以及输出速度、加速度、反作用力等时间历程曲线[6]。

利用动力学分析模块的功能，对原子飞车的运行进行模拟分析。打开自动时间步，通过仿真获取乘客在整个运行周期内所受载荷的时间历程曲线(见图6)。可以看到，乘客在4个轨道转弯处所受载荷明显增大，这一点与理论分析结果相吻合。对比乘客最大载荷的理论值与仿真结果，发现4个转弯处的理论值与仿真值最大误差仅为5%(见表2)。这表明本模型设计合理，仿真结果可靠[17]。

图6 乘客所受载荷的时间历程曲线

表2 乘客最大载荷理论值与仿真结果

按照国家标准，滑行车类游乐设施上所配置编织物类滑行装备的负载应不小于10倍额定载荷[16]。在此，安全衣选用HX-A型，成人安全衣的拉力负载为15 kN。乘客的额定载荷为 750 N，整个运行周期内的最大负载仿真值为1 325 N。安全衣的安全系数取拉力负载与最大负载的比值，其值为11.3。此安全系数大于10，表明这款HX-A型安全衣的安全性满足设计要求。

4 结 语

原子飞车的实际运行工况比较复杂，准确计算乘客载荷是其安全运行的技术保障。针对原子飞车的运行原理和结构特点，我们推导了乘客载荷理论计算公式，并借助ANSYS Workbench软件中的刚体动力学分析模块进行了工况模拟。通过对比发现，乘客载荷理论值与仿真值的最大误差仅为5%，这表明模型设计合理且结果可靠。同时，基于仿真数据对乘客的安全衣进行了校核计算，结果表明此款HX-A型安全衣满足安全性要求。乘客载荷的大小与其自身重量、轨道曲率半径、轨道落差均有关，因此，在产品设计中需合理设置这些参数，以确保原子飞车的安全性。通过仿真分析，在设计阶段即可获取乘客在整个运行周期内的最大载荷，提高了计算效率，可为后续的轨道和滑行车安全评价提供数据支撑。