基于加速度的游樂設施乘客束縛裝置應用研究

徐銳　項輝宇　張勇　周哲人

【摘 要】游樂設施乘客束縛裝置選型的合理與否直接關系到乘坐者的人身安全。當前乘客束縛裝置設計選用主要是基于經驗，為更好地保障乘坐安全，對安全壓杠、安全帶等束縛裝置的功能進行分解，將加速度作為束縛裝置選擇的依據，提出基于設計加速度的束縛裝置準則應用方法。通過一過山車作為應用實例證明了方法可行有效。

【關鍵詞】游樂設施;加速度;乘客束縛裝置;選型

中圖分類號：X941 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0008-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.003

Research and Application of Patron Restraint Devices in Amusement Facilities Based on Acceleration

XU Rui1 XIANG Hui-yu1 ZHANG Yong2 ZHOU Zhe-ren1

（1.School of Materials and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China;

2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029，China）

【Abstract】Type selection of patron restraint devices in amusement facilities is directly related to the safety of the patrons.At present，design and selection of the restraint devices are mainly based on experience.For a better protection of ride safety，acceleration is chosen as the basis for the selection of patron restraint devices.On the basis of studying the design criteria of the restraint device in GB 8408-2018，the function of restraint device is decomposed.And an application method of restraint device criterion based on design acceleration is proposed.The example of a roller coaster proved that the method is feasible and effective.

【Key words】Amusement Ride;Acceleration;Patron Restraint Devices

0 引言

游樂設施通過項目體驗滿足人們休閑娛樂需要，成為越來越多的游客釋放工作和生活壓力的選擇。與此同時，游樂設施安全是公眾關注的熱點，關系到我國每年數以億計的廣大乘客尤其青少年兒童的生命安全。近年來新的游樂設施紛紛涌現，不同設備的運動形式不同，乘坐方式多樣，運行參數、規模差別大，需要根據設備情況設置合適的束縛裝置，保障游樂設施安全[1]。

美國、歐盟的游樂設施標準選擇從加速度出發，對乘客束縛裝置選型提出要求[2-3]。新頒布的GB 8408-2018《大型游樂設施安全規范》中也增加了根據游樂設施設計加速度為乘客束縛裝置選型的要求。新標準頒布不久，行業對其中新概念的理解還不夠深入，為此本文從標準出發，對束縛裝置的功能進行分解，提出了基于加速度的乘客束縛裝置選型設計方法。

1 基于加速度的乘客束縛裝置

1.1 游樂設施人體加速度

加速度反映了乘客受載，可以衡量乘客對設備的相對運動趨勢，直接體現束縛需求。如某滑行車設備運行中乘客相對座艙以ax=-0.91g減速0.6s，此時乘客若未被安全束縛，軀體會明顯前傾，有脫出座椅、發生碰撞造成危險的可能。

游樂設施人體加速度以乘客軀干作為研究對象。建立固定在乘客胸部的人體坐標系如圖1，其中“頭-骨盆”方向為+az方向，“胸-背”方向為+ax方向，與此平面正交的右-左方向為+ay方向，用與重力加速度g的比值來表示。

1.2 加速度選型依據

在考慮乘客束縛裝置選型時，選擇ax，az加速度作為選型依據。由于當設備有俯沖、翻轉、躍升等動作，乘客前傾和滑出的趨勢較大，一旦束縛裝置存在隱患，乘客最可能向XZ方向前傾、碰撞、摔出，X、Z方向加速度反映了設備的關鍵運動狀態下的乘客束縛需求。而Y方向加速度不作為主要依據，一方面是因為在依照X、Z方向加速度進行束縛裝置選型后，裝置同時具備保障乘客左右方向乘坐安全的束縛能力;另一方面，標準中規定乘人裝置的座位和型式、乘客座椅面兩邊和中間應設置攔擋結構，適當增加座椅角度等。乘載系統的結構型式設計一定程度上保證了乘客左右方向的安全。因此以X、Z方向加速度作為選型依據較為合適。按照運動狀態將X、Z方向加速度組合并分為1到5級加速度區如圖2。

1.3 乘客束縛裝置分級配置要求

以往進行乘客束縛裝置選型設計時，游樂設施設計人員往往依靠經驗，從設備的載荷和運行狀態出發，參考同類設備設計制造乘客束縛裝置。新標準[4]從安全壓杠、安全帶、壓桿等廣泛應用的乘客束縛裝置出發，總結其結構特點、配置功能等，提取其關鍵要素，對游樂設施束縛裝置的選型設計提出了以下8項配置要求：

（1）束縛裝置的配置

（2）每套束縛裝置保護乘客的數量

（3）束縛裝置的鎖緊位置

（4）束縛裝置的鎖緊和釋放方式

（5）鎖緊機構的鎖緊類型

（6）鎖緊機構的釋放類型

（7）鎖緊裝置冗余

（8）外部指示

對不同的設備各項配置要求不同。設計制造時結合圖2的游樂設施加速度分區，從設備加速度所在區域最高等級出發，參照對應束縛等級的每項配置要求，設置符合安全規范的乘客束縛裝置。另外通過對設備乘載分析也可以設置一個更高級別的束縛裝置。

2 束縛裝置選型

對設計階段運動學仿真得到其設計加速度，確定束縛裝置級別要求，進而選型設置。設備束縛裝置的選型可以按照如圖3步驟進行：

（1）模型運動學分析

對設備運行過程進行運動學分析。其中測量點固定在椅面向上600mm處的設備上。坐標軸方向可結合座椅面和靠背平面等支承面選取[5]。為保證結果準確性建議模擬時間步長不大于0.05s。

（2）運動加速度、姿態角輸出

輸出測量點局部坐標系下運動加速度，以及局部坐標系相對全局坐標的航向角φ、俯仰角θ、橫滾角γ三個姿態角，作為束縛裝置選型必要的參數。

（3）游樂設施人體加速度轉化

模擬得到的運動加速度不能直接用于加速度分區判斷。需要在局部坐標疊加1g重力加速度[6-7]如式（1），轉化為游樂設施人體加速度。

其中φ、θ、γ分別為設備運行的航向角、俯仰角和橫滾角，[ax ay az]和[ax' ay' az']分別是某時刻游樂設施人體加速度和運動加速度。

（4）繪制XZ加速度組合曲線

判定加速度分區采用X、Z方向游樂設施人體加速度，將同一時刻X、Z方向加速度以（ax，az）的形式表示在平面直角坐標系中，并按照時間順序連線。

（5）獲取加速度區等級

將（4）中連線繪制在圖2中，以設計加速度點和連線落在的最大區域等級作為設備加速度分區等級。

（6）確定束縛等級

加速度分區等級與束縛等級要求一一對應，從加速度分區等級出發，確定對應束縛裝置等級，從而確定此設備束縛裝置的具體配置要求。

（7）依照等級設置束縛裝置

若設備未預先選擇束縛裝置，則根據（6）確定的束縛裝置等級對應的要求進行選型設計;若設備已預先設置了束縛裝置方案，按照其束縛裝置等級，檢查當前束縛裝置是否滿足標準中該等級的要求，若不滿足，則重新選擇束縛裝置，直到束縛裝置滿足該等級要求。

另外，在為設備設計束縛裝置時，還應考慮一些特殊狀況，如安全空間，乘載系統中其他裝置和結構如座位、靠背、靠頭、護墊、約束物等的設計，乘客特殊狀態，加速周期和大小，側向加速度較大、風載等因素[1]。

3 案例應用

為驗證應用方法的有效性，本文從某五環過山車設計模型出發設計符合安全規范的束縛裝置。

（1）進行模型運動學分析，將軌道和設備幾何模型導入Adams中，選取X軸與車輛運行方向一致建立局部坐標系如圖4，進行運動學分析。

（2）游樂設施人體加速度轉化：數值模擬輸出所需的運動學參數，包括運動加速度和方向角，附加重力加速度后，轉化為游樂設施人體加速度，如圖5：

（3）繪制XZ加速度組合曲線并獲取加速度分區等級：將XZ加速度數據點描繪在圖6中，可以看出設備設計加速度點和連線落在的區域的最高等級為5區，因此確定此設備加速度分區等級為5級。

（4）最后確定束縛裝置等級并設計束縛裝置：設備原本設計了齒條鎖定型安全壓杠作為束縛裝置如圖7（a），按5級及5級冗余要求檢查其選型是否符合安全規范如表1，檢查結果表明該設計不滿足安全規范的要求。

因此在齒條鎖定型安全壓杠的基礎上，加上兩點式腰帶作為第二套獨立束縛裝置，如圖7（b），再次檢查其是否符合5級及5級冗余要求如表1，符合安全規范。

通過此方法確定了設備處于5加速度區，明確了應按照標準中5級、5級冗余束縛要求為設備選擇合適的束縛裝置，最后束縛裝置的選型是符合安全規范的，方法可行有效。

4 結論

（1）提出了基于設計加速度的乘客束縛裝置準則應用方法，包括數據處理、確定束縛等級要求并選型等內容。

（2）以某過山車為例說明應用此方法設計游樂設施束縛裝置是可行有效的。

【參考文獻】

[1]張新東.關于游樂設施人體束縛裝置的思考[J].中國特種設備安全，2017，33（05）：9-13+18.

[2]EN 13814-1，Safety of amusement rides and amusement devices—Part 1：Design and manufacture[S].2015.

[3]F2291-13，Standard Practice for Design of Amusement Rides and Devices[S].2013.

[4]GB 8408-2018，大型游樂設施安全規范[S].2018.

[5]F2137-15，Standard Practice for Measuring the Dynamic Characteristics of Amusement Rides and Devices[S].2015.

[6]于波.慣性技術[M].北京航空航天大學出版社，1994.

[7]梁朝虎，沈勇，丁克勤，等.過山車動態仿真建模方法研究[J].系統仿真學報，2006（S1）：280-282.