飛行塔類游樂設備緩沖器的設計

梁培章

（中山市金馬科技娛樂設備股份有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

緩沖器在電梯、起重機、汽車等行業應用非常廣泛，起到緩解沖擊、避震等作用。在游樂設備行業，緩沖器的作用與電梯緩沖器[1]的作用類似，緩沖器是保證安全的最后一個環節。在飛行塔類游樂設備的風險評估中[2]，緩沖器在設備出現極端故障情況時起到緩解沖擊作用，使撞擊產生的加速度控制在GB 8408-2018加速度要求的范圍之內。

大型游樂設備均為單件小批量的產品，目前市面上沒有專用于游樂設備的緩沖器標準產品。并且，游樂設備的個性化比較強，沖擊重物的重量、速度等參數變化繁多，從其它行業的緩沖器中選用到合適的產品比較困難。即使其它行業緩沖器的參數剛好合適，其安全設計也未必能符合游樂設備的要求。因此，游樂設備廠家需要為自已的設備設計專用的緩沖器。

本文主要講述一種用于大型飛行塔類游樂設備的緩沖器的方案設計及計算。

1 緩沖器的設計

該緩沖器采用液壓缸+蓄能器的設計，緩沖原理為：先將重物的動能儲存起來，再緩慢釋放，最終將沖擊的能量轉化為熱能。圖1所示為該緩沖器的液壓原理圖。該緩沖器在使用前先用氮氣將蓄能器充至設計要求的壓力值[3]，工作過程為：當重物撞擊緩沖缸上的活塞時，緩沖缸上的液壓油經插裝式單向閥流向蓄能器，當緩沖缸壓縮至足夠的行程后，蓄能器的液壓油開始釋放，經過節流閥和單向閥重新緩慢地流回緩沖缸，緩沖過程結束。

行程開關及壓力傳感器為緩沖器必要的安全配置，可以有效提高設備的安全級別。行程開關能檢測活塞桿是否在正確位置，壓力傳感器能檢測緩沖缸的無桿腔壓力是否正常，設備的電控系統確認活塞桿在正確的位置，且確認緩沖缸的壓力正常后，設備方可啟動。這2個傳感器使緩沖器的安全性能與游樂設備主體的控制系統實現安全聯鎖，確保緩沖器安全性能正常的前提下，設備才能運行。在游樂設備主體運行過程中，如果緩沖器的狀態不正常，游樂設備主體也須停止運行。

圖1 緩沖器的液壓原理圖

2 緩沖器的計算

2.1 設計參數

（1）設備條件。升降平臺和車體總質量約13 t；2個緩沖器；沖擊速度約2 m/s。

（2）設計參數。蓄能器的初始狀態下氣體的體積V1=8.06×10-3m3；蓄能器的初始壓力為p1=9.3×106Pa；緩沖缸的缸徑為?0.12 m。

2.2 緩沖過程中人體最大加速度

在緩沖過程中，座艙運動的機械能主要包括以下2個部分。

（1）座艙開始撞擊緩沖器時的動能為Em：

（2）令最大緩沖行程為h，沖擊過程中座艙的勢能變化為E g：

結合式（1）和式（2），忽略摩擦力消耗的能量，緩沖過程中，緩沖器需吸收的總能量為E1：

緩沖過程中，蓄能器腔內的氣體被壓縮，從而吸收能量。因其壓縮時間極短，壓縮過程可以認為是絕熱過程，建立絕熱氣體方程，如式（4）[7]、式（5）所示。

式中：d為緩沖缸的缸徑；p為壓縮過程中蓄能器的氣體壓力；p1為蓄能器氣體的初始壓力；p2為最大緩沖行程時蓄能器氣體的壓力；V為緩沖行程中蓄能器內氣體的體積；V1為蓄能器內氣體的初始體積；V2為最大緩沖行程時蓄能器內氣體的體積；γ為比容熱比（又稱絕熱指數），取γ=1.4[4]。

將已知參數代入式（10）計算，得：

緩沖結束時，座艙的能量由蓄能器的氣體吸收。由于蓄能器壓縮過程屬于“機器對工質做功”[5]，故E2為負值。緩沖過程由2個緩沖器同時作用，能量守恒公式為：

對式（13）解方程，最大緩沖行程h=0.194 m

最大緩沖行程時：

2.3 緩沖過程中人體加速度的計算

緩沖過程中，緩沖器制動力F為：

緩沖過程中，蓄能器的氣體體積V為：

圖2 制動力F曲線圖

圖3 加速度a曲線圖

圖4 人體加速度a z曲線圖

因此，人體加速度為：

將上述計算公式及已知參數編入軟件進行計算，緩沖進程的制動力、加速度、人體加速度與緩沖距離的曲線如圖2～4所示。

3 結束語

本文介紹一種用于飛行塔類游樂設備[6]的緩沖器。其原理為：利用液壓蓄能器吸收重物的緩沖能量，然后緩慢釋放，最后將緩沖的能量轉化為熱能；在緩沖器上設置相應的行程開關和壓力傳感器，使緩沖器的安全性能與設備主體的控制系統實現安全聯鎖[7]。該緩沖器作用時，人體的最大加速度為2.6 g，符合GB 8408-2018的要求[8]。該緩沖器的設計靈活，通過調整不同的初始壓力、蓄能器容積、緩沖缸直徑等，可以設計成系列化的產品，滿足不同運動參數的游樂設備的要求。

安全性能是游樂設備的重要性能，緩沖器的設計，在保證機械設計和計算上達到設備主體的要求外，還須與設備主體實現安全聯鎖，這樣才能為游樂設備提供可靠的安全保護。