趙九峰

(河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000)

0 引言

游樂設(shè)施束縛裝置是為了保護(hù)乘客在乘坐某些游樂設(shè)備時(shí)的安全而設(shè)置在設(shè)備本體上的裝置,其作用是保證乘客處于失重狀態(tài)或被甩出時(shí)的安全[1]。近年來，國(guó)內(nèi)發(fā)生的多起大型游樂設(shè)施事故均與束縛裝置有關(guān)，2016年2月22日，澠池縣仰韶廣場(chǎng)，一乘客在乘坐“高空攬?jiān)隆睍r(shí)，安全壓杠根部焊縫斷裂，致使乘客從高處墜落，經(jīng)搶救無效死亡；2017年2月3日，重慶豐都縣朝華公園，一名女乘客乘坐 “遨游太空”高空墜落身亡，事故原因?yàn)榘踩珟嗔眩踩珘焊芪从行壕o。

游樂設(shè)施在運(yùn)行過程中,乘客受到重力、慣性力、離心力等作用，在一定條件下，這些力可以使乘客脫離座椅，束縛裝置的作用是保證約束乘客在座椅上不被甩出，因此游樂設(shè)施乘客束縛裝置的可靠有效與否直接決定著乘客的人身安全[2]。

1 乘客G加速度和束縛裝置

1.1 乘客G加速度

牛頓第二定律：物體加速度的大小跟作用力成正比、跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同[3]。牛頓第二定律的適用范圍為慣性系，而游樂設(shè)施中乘客大多處于速度不斷變化的非慣性系中，為了研究方便就在原系中憑空加上慣性力,將非慣性系轉(zhuǎn)化成慣性系來簡(jiǎn)化問題[4]。慣性力是指當(dāng)乘客隨著設(shè)備加速時(shí)，慣性會(huì)使乘客有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傾向，它是乘客與設(shè)備(包括束縛裝置和座椅)的相互作用力，它與加速度的關(guān)系為：

F=m0a.

(1)

其中：F為慣性力，N；m0為乘客的質(zhì)量，kg；a為乘客加速度，m/s2。

為了便于說明乘客加速度與座椅之間的相互作用力，游樂設(shè)施加速度采用的是G加速度，G加速度是實(shí)際加速度與重力加速度g的比值，實(shí)質(zhì)上是慣性加速度，與慣性力(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對(duì)設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，直接體現(xiàn)束縛裝置的需求。如運(yùn)行中的大型游樂設(shè)施剎車時(shí)，剎車加速度下的慣性力可能造成乘客與座椅的分離，突然起動(dòng)時(shí)，乘客在慣性力作用下擠壓座椅靠背。乘客和座椅之間如果存在壓緊力則相對(duì)安全，如果分離則相對(duì)危險(xiǎn)。游樂設(shè)施人體加速度以乘客軀干作為研究對(duì)象，建立固定在乘客胸部的人體坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 人體坐標(biāo)系示意圖

1.2 加速度分區(qū)與束縛裝置選型

由公式(1)可知，在乘客質(zhì)量恒定時(shí)，慣性力與乘客加速度成正比，加速度越大慣性力越大。乘客本身質(zhì)量在加速度作用下產(chǎn)生的慣性力會(huì)直接作用在束縛裝置和座椅上，當(dāng)慣性力超過一定限度，不但會(huì)對(duì)人身造成傷害，而且會(huì)造成束縛裝置功能的失效，所以有必要根據(jù)加速度值選擇合適的束縛裝置，以確保乘客的安全[6]。

由于游樂設(shè)施座椅兩邊和中間設(shè)置有座椅把手和欄桿等，其結(jié)構(gòu)型式在一定程度上保證了乘客左右方向的安全，因此僅以x、z方向加速度作為分區(qū)和束縛裝置選型依據(jù)。由《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》可知，按照運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將x、z方向加速度組合并分為1到5級(jí)加速度區(qū)，如圖2所示。

圖2 游樂設(shè)施設(shè)計(jì)加速度區(qū)域范圍

束縛等級(jí)要求與加速度分區(qū)等級(jí)一一對(duì)應(yīng)，游樂設(shè)施設(shè)計(jì)制造時(shí)，應(yīng)結(jié)合圖2的游樂設(shè)施加速度分區(qū)等級(jí)，從乘客加速度所在區(qū)域最高等級(jí)出發(fā)，參照《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》對(duì)應(yīng)束縛等級(jí)的每項(xiàng)配置要求，設(shè)置符合安全規(guī)范的乘客束縛裝置。隨著加速度區(qū)域由低級(jí)向高級(jí)遞增，危險(xiǎn)性不斷增大，應(yīng)逐漸采取強(qiáng)化措施，提高乘客束縛裝置的安全性可靠性[7]。

2 海盜船乘客加速度計(jì)算與束縛裝置校驗(yàn)

“海盜船”是因?yàn)槠渫庑畏鹿糯１I船而得名的一種觀覽車類游藝機(jī)，海盜船主要由立柱部件、懸臂部件、船體部件、驅(qū)動(dòng)部件和站臺(tái)護(hù)欄等部件組成，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖3所示。

1-立柱部件;2-懸臂部件；3-船體部件；4-站臺(tái)護(hù)欄；5-驅(qū)動(dòng)部件

船體通過懸臂懸掛在立柱橫梁上，座椅沿船體骨架布置，乘客由站臺(tái)上的客梯上船，坐在座位上將安全擋桿壓到合適的位置，驅(qū)動(dòng)部件與船體底部周期性的摩擦驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)船體不斷向上擺動(dòng)，座椅組件隨船體運(yùn)動(dòng)過程中，乘客通過安全帶和安全擋桿束縛在座椅上，受到重力加速度和離心加速度的雙重作用。把整個(gè)船體和乘客做質(zhì)點(diǎn)考慮，載荷示意圖如圖4所示。

圖4 質(zhì)點(diǎn)的載荷示意圖

以24座海盜船為計(jì)算對(duì)象，擺動(dòng)時(shí)最大擺角θ=43°，船體兩側(cè)最后一排座椅相對(duì)于擺動(dòng)軸線的夾角α=50°。

從最高點(diǎn)下落過程中，由三角函數(shù)可得下落高度：

H=R(cosθ-cos43°).

(2)

其中：R為擺動(dòng)部分的質(zhì)心半徑，m。

下落過程中，整體系統(tǒng)僅受到重力的作用，根據(jù)機(jī)械能守恒有[8]：

(3)

其中：m為擺動(dòng)部分(包括乘客)的質(zhì)量，kg；g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，9.8 m/s2；v為海盜船擺動(dòng)方向的瞬時(shí)線速度，m/s。

海盜船在擺動(dòng)過程中繞著懸臂橫梁連接軸中心線做圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為[9]：

(4)

沿懸臂中心線方向上，擺動(dòng)部分受到重力和懸臂的拉力，則合力等于向心力：

F1-mgcosθ=F0.

(5)

其中：F1為擺臂的拉力，N。

聯(lián)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向加速度隨著擺角的變化而變化。擺角θ=0°，即船體運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，乘客受到的z向加速度最大，azmax=(3cos0°-2cos43°)g=1.54g，屬于物理學(xué)中的超重現(xiàn)象；擺角θ=43°，即船體運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，乘客受到的z向加速度最小，azmin=(3cos43°-2cos43°)g=0.73g，屬于物理學(xué)中的失重現(xiàn)象。

海盜船運(yùn)行過程中，乘客前后擺動(dòng)，坐在船體首尾位置的乘客感受最為激烈，由于座椅在船體上對(duì)稱布置，考慮首尾乘座椅相對(duì)于擺動(dòng)軸線的夾角的影響，由三角函數(shù)可知：

axmax=gsinθ.

(8)

(9)

在海盜船的運(yùn)行過程中，由于乘客y向無運(yùn)動(dòng)，則對(duì)應(yīng)的y向加速度ay=0。

綜上，海盜船的三向加速度為：ax=[-0.93g,0.68g]，ay=0，az=[0.73g,1.54g]

由圖2可知海盜船的設(shè)計(jì)加速度在區(qū)域3，區(qū)域3對(duì)應(yīng)3級(jí)束縛裝置，其內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[9]的具體要求。

海盜船的安全擋桿能夠自動(dòng)鎖緊固定，另配有安全帶，安全帶鎖緊可以由乘客自行調(diào)節(jié)，安全束縛裝置存在冗余且相互獨(dú)立，乘客無法自行打開擋桿的鎖緊裝置。綜上可知，海盜船束縛裝置滿足區(qū)域3的要求。

3 結(jié)論

本文以海盜船為研究對(duì)象，在分析海盜船運(yùn)行特點(diǎn)和載荷特性的基礎(chǔ)上，利用力學(xué)和數(shù)學(xué)理論計(jì)算海盜船乘客加速度，確定設(shè)計(jì)加速度的分區(qū)，并通過加速度的分區(qū)來校驗(yàn)乘客束縛裝置的選型。其計(jì)算方法和結(jié)果可為其他大型游樂設(shè)施乘客加速度的計(jì)算和束縛裝置的設(shè)計(jì)選型提供參考。