朱瑞銀，王正宇，張子文，蔣曦陽

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 211899）

1 前言

近年來，隨著國內(nèi)游樂行業(yè)的快速發(fā)展，大大小小的主題樂園如雨后春筍般逐年增加，其中過山車由于變速快、變向多、刺激強(qiáng)等特點(diǎn)，是主題樂園的熱門項(xiàng)目，隨著國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)游樂設(shè)施的安全要求越來越高，對(duì)現(xiàn)有過山車建立在線健康監(jiān)測大有必要。

目前，我國針對(duì)過山車的有效措施的方法還是通過檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和使用單位通過常規(guī)的檢驗(yàn)檢測手段進(jìn)行實(shí)施，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢規(guī)所進(jìn)行的檢驗(yàn)檢測也只是在當(dāng)時(shí)、非運(yùn)行狀態(tài)下的一些物理參數(shù)和幾何參數(shù)，即使在當(dāng)時(shí)檢驗(yàn)檢測狀態(tài)下合格，并不能保證設(shè)備其他時(shí)間運(yùn)行也是無故障、隱患的。由于環(huán)境因素、機(jī)械電氣因素、人為因素等影響，在特殊條件下可能會(huì)發(fā)生意料不到的故障或事故。通過健康監(jiān)測先進(jìn)技術(shù)的引入，從而對(duì)危險(xiǎn)性較大的過山車相關(guān)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，就可以時(shí)時(shí)掌握過山車的運(yùn)行狀況，從而迅速進(jìn)行故障預(yù)測與診斷，及時(shí)進(jìn)行糾正和關(guān)注。同時(shí)，如果做好了設(shè)備主要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)以后進(jìn)行的大數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)挖掘做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于國內(nèi)對(duì)過山車的健康監(jiān)測的研究較少，經(jīng)過對(duì)過山車在線健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及國內(nèi)過山車運(yùn)營情況進(jìn)行全面了解后認(rèn)為，在乘客身體安全的承受范圍內(nèi)，以加速度的允許值和結(jié)構(gòu)的疲勞安全系數(shù)為參考，使用虛擬樣機(jī)仿真建模并進(jìn)行有限元分析，將仿真數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)對(duì)比，可以為過山車健康監(jiān)測結(jié)論提供有效依據(jù)。

2 過山車健康監(jiān)測模型

對(duì)過山車進(jìn)行健康管理其實(shí)就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)全生命周期的管理，從過山車設(shè)計(jì)，到制造、到安裝、到改造，再到使用、維護(hù)、保養(yǎng)。針對(duì)以上各個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)不同類型過山車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定健康指標(biāo)，通過檢驗(yàn)檢測得到的數(shù)據(jù)從而開展健康評(píng)價(jià)。其流程如圖1 所示。

圖1 過山車健康管理流程

使用單位和制造單位都應(yīng)當(dāng)制定合理規(guī)范的流程，把健康管理的基本要素應(yīng)用到于過山車的設(shè)計(jì)、制造安裝、使用運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)和報(bào)廢等各個(gè)步驟中。檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)在檢驗(yàn)檢測環(huán)節(jié)中進(jìn)行健康監(jiān)測管理，對(duì)過山車的主要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，開展有效的健康評(píng)價(jià)。

3 過山車監(jiān)測數(shù)據(jù)

過山車主要被監(jiān)測的參數(shù)是速度與加速度，本文還是采用MTE-T8 無線振動(dòng)模塊，將該模塊與被測結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性固定，從而測試運(yùn)動(dòng)物體XYZ 三軸方向的加速度，通過快速傅里葉方法FFT 濾波后進(jìn)行積分運(yùn)算，可以獲得三個(gè)方向的速度。

車體加速度監(jiān)測：

加速度信號(hào)是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要信息，加速度振動(dòng)信號(hào)具有以下作用：當(dāng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)整體的振動(dòng)時(shí)，通過分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)定提供相關(guān)數(shù)據(jù)。通常主要監(jiān)測XYZ 三個(gè)方向的振動(dòng)。

為了能夠測量出過山車在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)振動(dòng)情況或者三軸加速度情況，必須將加速度傳感器固定到座位上，以模擬真人在位置上的加速度情況。而剛性固定需要有某一專用工具進(jìn)行。將設(shè)計(jì)的專用夾具通過螺母固定到剛性座位上，再將T8 加速度測試模塊固定連接在專用夾具上如圖2-1，同時(shí)，也需要將路由器固定在專用夾具上。為了方便記錄，還需要將與網(wǎng)關(guān)相連的PC 放置在座位安全地方，以便實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。接受的數(shù)據(jù)可以通過MatrixWell 軟件進(jìn)行處理。

圖2 測試過山車加速度的專用夾具

圖2 是在上海迪士尼樂園的一臺(tái)名叫“七個(gè)小矮人”的滑行類過山車進(jìn)行加速度測試的案例，其中有兩輛車互相交替使用，每臺(tái)車在車頭位置安裝圖2 樣式的固定夾具，其他位置安裝沙袋以模仿滿載情況。

圖3 是得到測試的數(shù)據(jù)在MatrixWell 中顯示的結(jié)果。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度，加速度用重力加速度g 的倍數(shù)來表示。三條曲線分別為XYZ 三個(gè)方向的加速度值。

圖3 加速度測試結(jié)果

4 過山車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置模態(tài)分析

4.1 有限元模型的建立

過山車制動(dòng)器在進(jìn)行高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，并通過支持架傳到夾鉗本體。在Hypermesh 中的三維模型如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)向制動(dòng)裝置實(shí)體模型

材料屬性定義為：彈性模量為211GPa，泊松比取0.30，密度為：7.9g/cm3，單元類型采用四面體單元，分別建立三維有限元模型和制動(dòng)器有限元模型。

4.2 系統(tǒng)的有限元模態(tài)分析結(jié)果

HyperMesh 是一款實(shí)用的前處理軟件，可以用來建立相關(guān)約束和施加載荷，接著通過計(jì)算器OptiStruct進(jìn)行計(jì)算分析，最后從后處理模塊HyperVeiw 中進(jìn)行觀察。用得到的模態(tài)參數(shù)代替復(fù)雜的有限元模型。圖5 是模態(tài)分析結(jié)果。

把主要關(guān)注的7-12 階模態(tài)頻率提取出來，分析各子結(jié)構(gòu)所得到的后6 階頻率結(jié)果分別如表1、表2 和表3 所示。

表2 支持架7-12 階頻率表

表3 安裝座7-12 階頻率表

該系統(tǒng)前6 階頻率： 振型階次7 模態(tài)頻率184.7； 振型階次8 模態(tài)頻率259.5；振型階次9模態(tài)頻率347.4；振型階次10 模態(tài)頻率363.5；振型階次11 模態(tài)頻率493.1；振型階次12 模態(tài)頻率628.5。

5 過山車健康評(píng)估流程

圖6 是過山車健康評(píng)估流程圖，在該圖中重點(diǎn)是二級(jí)指標(biāo)中Ⅳ、Ⅲ等級(jí)的判斷，當(dāng)出現(xiàn)Ⅳ、Ⅲ等級(jí)的二級(jí)指標(biāo)，需停止評(píng)估，進(jìn)行相應(yīng)的整改措施，最終需要出具整改前、整改后兩套評(píng)估報(bào)告。在評(píng)估報(bào)告中給出合理維護(hù)保養(yǎng)建議。

圖6 過山車健康評(píng)估流程圖

6 結(jié)語

本文首先介紹了課題研究的背景及意義，探討了進(jìn)行該課題研究所需要的關(guān)鍵技術(shù)及其國內(nèi)研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)從種類繁多的過山車中確定了危險(xiǎn)程度大的幾臺(tái)典型過山車進(jìn)行檢測參數(shù)的選取。根據(jù)各種類別過山車的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，其中對(duì)環(huán)境、溫度、桁架變形、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)、車體速度與加速度相關(guān)的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了研究。同時(shí)，對(duì)如何確立過山車的剩余使用壽命進(jìn)行了詳細(xì)研究，采用基于疲勞損傷理論的剩余壽命評(píng)估方法。通過有限元法確立零部件或者焊縫的危險(xiǎn)部位即應(yīng)力最大處，結(jié)合過山車的運(yùn)行特點(diǎn)獲得載荷譜，根據(jù)S-N 曲線通過FE-Fatigue 軟件進(jìn)行仿真；研究了鋼絲繩壽命計(jì)算的方法；對(duì)過山車的重要零部件制動(dòng)器進(jìn)行了模態(tài)分析。對(duì)于不能實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測的參數(shù)，可以采用有限元方法進(jìn)行有效的計(jì)算，獲得的數(shù)據(jù)可以參與后面健康評(píng)估。將檢測的參數(shù)與通過計(jì)算的參數(shù)結(jié)合，對(duì)于種類繁多的過山車，提煉出六大一級(jí)指標(biāo)，并對(duì)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行二級(jí)劃分。通過加權(quán)計(jì)算，專家打分等方法最后可以得到某臺(tái)設(shè)備的健康等級(jí)，并提出有效可行的整改建議，為過山車健康監(jiān)測管理系統(tǒng)的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

基于本文研究的過山車健康監(jiān)測相關(guān)技術(shù)，軟件系統(tǒng)的后期開發(fā)，還需要同過山車設(shè)計(jì)制造單位與使用單位聯(lián)合調(diào)研，只有獲知實(shí)際需求并以此為基礎(chǔ)，才能進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)。對(duì)于之后的研究，更需要將不同類型、國家標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的過山車納入健康監(jiān)測中。將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)化，與之實(shí)時(shí)監(jiān)測共享國內(nèi)所有在運(yùn)營的過山車健康狀態(tài)，方便共性問題的實(shí)質(zhì)性解決。