过山车健康监测模型与评价技术研究

朱瑞银，王正宇，张子文，蒋曦阳

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 211899）

1 前言

近年来，随着国内游乐行业的快速发展，大大小小的主题乐园如雨后春笋般逐年增加，其中过山车由于变速快、变向多、刺激强等特点，是主题乐园的热门项目，随着国家标准对游乐设施的安全要求越来越高，对现有过山车建立在线健康监测大有必要。

目前，我国针对过山车的有效措施的方法还是通过检验机构和使用单位通过常规的检验检测手段进行实施，根据相关标准检规所进行的检验检测也只是在当时、非运行状态下的一些物理参数和几何参数，即使在当时检验检测状态下合格，并不能保证设备其他时间运行也是无故障、隐患的。由于环境因素、机械电气因素、人为因素等影响，在特殊条件下可能会发生意料不到的故障或事故。通过健康监测先进技术的引入，从而对危险性较大的过山车相关运行参数进行实时监测，就可以时时掌握过山车的运行状况，从而迅速进行故障预测与诊断，及时进行纠正和关注。同时，如果做好了设备主要参数的实时监控，对以后进行的大数据处理、大数据挖掘做好数据基础。由于国内对过山车的健康监测的研究较少，经过对过山车在线健康监测技术的发展现状以及国内过山车运营情况进行全面了解后认为，在乘客身体安全的承受范围内，以加速度的允许值和结构的疲劳安全系数为参考，使用虚拟样机仿真建模并进行有限元分析，将仿真数据与检测数据对比，可以为过山车健康监测结论提供有效依据。

2 过山车健康监测模型

对过山车进行健康管理其实就是对整个系统全生命周期的管理，从过山车设计，到制造、到安装、到改造，再到使用、维护、保养。针对以上各个环节，进行风险分析，根据不同类型过山车的结构特点确定健康指标，通过检验检测得到的数据从而开展健康评价。其流程如图1 所示。

图1 过山车健康管理流程

使用单位和制造单位都应当制定合理规范的流程，把健康管理的基本要素应用到于过山车的设计、制造安装、使用运行、维护保养和报废等各个步骤中。检验检测机构在检验检测环节中进行健康监测管理，对过山车的主要参数进行监测，开展有效的健康评价。

3 过山车监测数据

过山车主要被监测的参数是速度与加速度，本文还是采用MTE-T8 无线振动模块，将该模块与被测结构进行刚性固定，从而测试运动物体XYZ 三轴方向的加速度，通过快速傅里叶方法FFT 滤波后进行积分运算，可以获得三个方向的速度。

车体加速度监测：

加速度信号是结构振动的主要信息，加速度振动信号具有以下作用：当监测结构整体的振动时，通过分析结构的动力学特性，为结构安全评定提供相关数据。通常主要监测XYZ 三个方向的振动。

为了能够测量出过山车在运行过程中实时振动情况或者三轴加速度情况，必须将加速度传感器固定到座位上，以模拟真人在位置上的加速度情况。而刚性固定需要有某一专用工具进行。将设计的专用夹具通过螺母固定到刚性座位上，再将T8 加速度测试模块固定连接在专用夹具上如图2-1，同时，也需要将路由器固定在专用夹具上。为了方便记录，还需要将与网关相连的PC 放置在座位安全地方，以便实时接收数据。接受的数据可以通过MatrixWell 软件进行处理。

图2 测试过山车加速度的专用夹具

图2 是在上海迪士尼乐园的一台名叫“七个小矮人”的滑行类过山车进行加速度测试的案例，其中有两辆车互相交替使用，每台车在车头位置安装图2 样式的固定夹具，其他位置安装沙袋以模仿满载情况。

图3 是得到测试的数据在MatrixWell 中显示的结果。横坐标为时间，纵坐标为加速度，加速度用重力加速度g 的倍数来表示。三条曲线分别为XYZ 三个方向的加速度值。

图3 加速度测试结果

4 过山车转向架制动装置模态分析

4.1 有限元模型的建立

过山车制动器在进行高速运行时会产生较大的振动，并通过支持架传到夹钳本体。在Hypermesh 中的三维模型如图4 所示。

图4 转向制动装置实体模型

材料属性定义为：弹性模量为211GPa，泊松比取0.30，密度为：7.9g/cm3，单元类型采用四面体单元，分别建立三维有限元模型和制动器有限元模型。

4.2 系统的有限元模态分析结果

HyperMesh 是一款实用的前处理软件，可以用来建立相关约束和施加载荷，接着通过计算器OptiStruct进行计算分析，最后从后处理模块HyperVeiw 中进行观察。用得到的模态参数代替复杂的有限元模型。图5 是模态分析结果。

把主要关注的7-12 阶模态频率提取出来，分析各子结构所得到的后6 阶频率结果分别如表1、表2 和表3 所示。

表2 支持架7-12 阶频率表

表3 安装座7-12 阶频率表

该系统前6 阶频率： 振型阶次7 模态频率184.7； 振型阶次8 模态频率259.5；振型阶次9模态频率347.4；振型阶次10 模态频率363.5；振型阶次11 模态频率493.1；振型阶次12 模态频率628.5。

5 过山车健康评估流程

图6 是过山车健康评估流程图，在该图中重点是二级指标中Ⅳ、Ⅲ等级的判断，当出现Ⅳ、Ⅲ等级的二级指标，需停止评估，进行相应的整改措施，最终需要出具整改前、整改后两套评估报告。在评估报告中给出合理维护保养建议。

图6 过山车健康评估流程图

6 结语

本文首先介绍了课题研究的背景及意义，探讨了进行该课题研究所需要的关键技术及其国内研究现状。重点从种类繁多的过山车中确定了危险程度大的几台典型过山车进行检测参数的选取。根据各种类别过山车的运动特点和结构特点，进行了检测系统的整体设计，其中对环境、温度、桁架变形、应力应变、结构振动、车体速度与加速度相关的监测技术进行了研究。同时，对如何确立过山车的剩余使用寿命进行了详细研究，采用基于疲劳损伤理论的剩余寿命评估方法。通过有限元法确立零部件或者焊缝的危险部位即应力最大处，结合过山车的运行特点获得载荷谱，根据S-N 曲线通过FE-Fatigue 软件进行仿真；研究了钢丝绳寿命计算的方法；对过山车的重要零部件制动器进行了模态分析。对于不能实时进行检测的参数，可以采用有限元方法进行有效的计算，获得的数据可以参与后面健康评估。将检测的参数与通过计算的参数结合，对于种类繁多的过山车，提炼出六大一级指标，并对一级指标进行二级划分。通过加权计算，专家打分等方法最后可以得到某台设备的健康等级，并提出有效可行的整改建议，为过山车健康监测管理系统的开发奠定理论基础和技术支撑。

基于本文研究的过山车健康监测相关技术，软件系统的后期开发，还需要同过山车设计制造单位与使用单位联合调研，只有获知实际需求并以此为基础，才能进行联合开发。对于之后的研究，更需要将不同类型、国家标准涵盖的过山车纳入健康监测中。将获取的相关数据作为基础来实现真正的物联网化，与之实时监测共享国内所有在运营的过山车健康状态，方便共性问题的实质性解决。