悬崖过山车结构设计_谢印国.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期悬崖过山车结构设计谢印国黄羽尚珂李宝(北京中冶设备研究设计总院有限公司北京 100029)摘要以有限元仿真模拟分析的方法，分析了悬崖过山车的结构特点和功能特征，利用碰撞试验的方法验证了设备的安全性。悬崖过山车具有结构简单、占地面积小等结构特点，和安全性高、易于操作和维护、惊险刺激等功能特点;结果表明，悬崖过山车具有适合悬崖边以及高层建筑物上方安装、与传统过山车结构不同、乘坐体验不同、具有显著的竞争力等优点。该设备打破了国外技术垄断，填补国内技术空白，为行业的发展提供技术支撑，具有一定推广意义。关键词悬崖过山车碰撞试验仿真计算中图法分类号F719 5文献标识码BDoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.009Design of Cliff Roller Coaster StructureXie YinguoHuang YuShang KeLi Bao(Beijing Metallurgical Equipment Research Design Institute Co，Ltd，Beijing 100029)ABSTRACTIn this paper，the structural and functional characteristics of the cliff roller coaster areanalyzed by finite element simulation，and the safety of the equipment is verified by collision test The cliff rollercoaster has the advantages of simple structure，small footprint and other structural characteristics，and high safety，easy operation and maintenance，thrilling and exciting features;The results show that the cliff roller coaster has theadvantages of being suitable for installation on the edge of cliff and above high-rise buildings，different from thetraditional roller coaster structure，different riding experience and significant competitiveness This equipmentbreaks the foreign technology monopoly，fills the domestic technology gap，provides technical support for thedevelopment of the industry，and has certain promotion significanceKEYWORDSCliff coasteCrash testSimulation calculation1前言随着我国国民经济持续增长、人均收入快速增加及城镇化率的不断提高，居民消费观念随之转变和升级，不再局限于单纯的物质消费，旅游消费需求大幅提高1。目前国内投入运营的各种形式的传统的过山车大约有 300 多套，多见于主题乐园中，传统过山车由于占地面大，轨道立柱高，形式种类雷同，市场保有量多，对游客吸引力已逐步减弱。肖克实2，3 等对新型过山车结构以及运动学、动力学进行了分析，刘然4 等对先进复合材料减轻结构重量方面进行了分析，但对于新型过山车的结构创新和乘客感受提升方面都未提及。悬崖过山车结构新颖独特，既可安装于城市高楼之顶，又可坐落于景区高山悬崖之畔，乘坐时列车可沿轨道快速冲出悬崖，悬停在悬崖外侧，带给游客全新的有惊无险的刺激体验。目前世界上只有一台悬崖过山车坐落于美国拉斯维加斯云霄04作者简介:谢印国，男，1980 年生，硕士，高级工程师，邮箱:10125312163 com塔观景台的顶层，为当地吸引了大量游客。随着我国国民经济持续增长，旅游消费需求大幅提高，旅游业的快速发展及居民消费观念的升级将进一步提升，文旅行业迎来了飞速发展的黄金时期，为悬崖过山车的推广创造了很好的条件。国内外悬崖过山车市场前景广阔，且有国家旅游装备国产化的政策支持。因此，迫切需要研制出具有自主知识产权的悬崖过山车成套设备。2性能参数以及特点21性能指标与美国拉斯维加斯悬崖过山车对比如下表 1。表 1与美国悬崖过山车主要参数比较主要技术参数美国拉斯维加斯高层建筑楼顶过山车云阳悬崖过山车对比结果轨道长度20.7m27m轨道长度更长轨道摆动角度约 30+10约 35+10轨道摆动角度更大列车数量一列一列相同乘客人数8 人8 人相同最大运行速度30km/h45km/h最大运行速度更快安装位置270 米高层建筑楼顶700 米高悬崖边位置更高安全保障措施机械、电气机械、液压、气动、电气安全性提高22技术特点及优势(1)研制出世界上轨道最长、速度最快的悬崖过山，填补了国内技术空白，打破国外技术垄断。悬崖过山车整体运动形式类似于跷跷板，列车依靠自重随轨道摆动上下起伏及滑行俯冲，运动形式新颖，与环境结合为广大游客提供了惊险刺激的体验，引领我国文旅行业向高品质方向发展。(2)轨道结构造型美观，结构强度大、刚性高，采用分段结构，便于运输安装。(3)增设车架 C 形钩安全冗余装置，保证列车运行安全;研发出新型安全压臂及冗余保护措施的乘客安全束缚装置，充分保障乘客安全。(4)列车制动应用非接触式永磁制动技术，制动缓冲性能好、制动平稳可靠，不受天气状况影响。a)永磁制动装置采用固定制动板结合可升降制动板。列车俯冲时升降制动板升起参与制动;列车返回站台升降制动板降下不参与制动，提高运行效率。b)研发设计四连杆平动机构及内置压簧的自动复位气缸，保证升降制动板升降可靠。3悬崖过山车的结构组成及其工作原理31结构组成悬崖过山车的结构组成5 主要包括:悬崖过山车主要由轨道、列车、支撑底座、站台等组成，如图 1 所示。图 1结构原理图1 站台;2 支撑底座;3 轨道;4 列车32工作原理首先轨道初始角度为 10，列车靠停在摆动站台处，摆动站台升起摆动到角度 10，乘客在摆动站台上车。乘客就位后，摆动站台降下。由内、外两个液压缸驱动，轨道摆动到角度 35，列车在重力势能驱动作用下沿倾斜轨道向下俯冲，列车俯冲达到最大速度，通过轨道外端永磁制动装置减速后由轨道外侧油压缓冲器及机械止挡制动，停靠在轨道外端。列车随轨道在 35和 2之间上下摆动，乘客体验超重与失重的惊险刺激。结束时，轨道摆动到角度 10，列车靠自身重力势能驶回站台并通过内侧永磁制动装置减速后由内侧油压缓冲器制动，最终停在摆动站台处。最后摆动站台升起，摆动到角度 10，乘客在摆动站台下车。4关键技术研究装备研发的主要内容包括:轨道结构研究、列车结构研究、永磁制动装置研究、受力分析及仿真计算。41轨道结构研究轨道主体由轨道梁和轨道梁摆动支架组成。轨道梁由两根 H 型钢组成，中间每隔一段距离，上下用连接钢板、中间用“回”字型钢板进行焊接连接，构成箱型结构，如图 2 所示。14谢印国等:悬崖过山车结构设计2022 年 12 月第 6 期轨道梁两端各设有两组油压缓冲器，在轨道梁远离站台一端设有一组机械止挡装置。当列车运行站台一端时，由于摆动角度小，速度低，两组油压缓冲器即可使列车安全停靠。当列车运行到远离站台一端时，油压缓冲器和机械止挡装置同时作用可以保证列车安全，如图 3 所示。图 2悬崖过山车轨道断面图图 3悬崖过山车轨道结构图1 轨道梁;2 轨道梁摆动支架;3 升降制动板装置;4 固定制动板;5 机械止挡装置;6 油压缓冲器42列车结构研究悬崖过山车列车作为乘客的直接载体，其结构强度、刚性、乘客束缚装置等直接关系到设备和乘客的安全。列车在随轨道摆动而上下起伏及滑行过程中，要求列车能够有效束缚乘客，在减速制动过程中，乘客束缚装置对乘客具有保护、缓冲作用，使乘客不脱离座椅，且不承受较大冲击及振动;同时，列车车轮始终紧贴轨道，通过轮系的约束作用，使列车顺畅地沿轨道滑行而不脱离轨道。列车的设计还要求造型美观，乘坐舒适。根据以上要求，对列车结构进行划分，其主要由过山车车架、轮系、座椅、乘客安全束缚装置、C形安全钩等部分组成。列车为单节车，每列车可乘坐 8 人，共分四排，每排两人，效果如图 4 所示。1)车架结构形式车架为列车主承力结构，座椅、安全压臂、轮系、机械止挡、C 形安全钩、永磁制动装置永磁体等均安装在车架上，要求车架有足够强度和刚性。同时，由于列车的重量影响永磁制动装置制动效果，要求列车结构尽量轻便。因此，车架选用方管焊接成长方形框架结构如图 5 所示。图 4列车效果图1 乘客安全束缚装置;2 座椅;3 轮系;4 C 形安全钩;5 永磁体;6 车架图 5车架结构图1 车架;2 机械止挡;3 C 形安全钩2)轮系结构过山车轮系承载列车沿轨道滑行及约束列车与轨道始终贴合而不脱离轨道。若使列车不与轨道脱离，则轮系应三面包围轨道，因此轮系由轮架、行走轮轮系、侧导轮轮系、倒挂轮轮系等组成，其中轮架为轮系连接及受力机构，行走轮与轨道H 型钢翼板上表面接触，倒挂轮与 H 型钢翼板下表面接触，侧导轮与 H 型钢腹板外表面接触，四组轮系相互配合，使列车只能沿轨道前进或后退。另外，在列车经永磁制动装置减速后，轮架上侧导轮撞板与轨道上的油压缓冲器配合可使列车缓慢停下，起到缓冲作用。轮系结构图如图 6 所示。图 6轮系结构图1 轮架;2 行走轮系;3 倒挂轮系;4 侧导轮系;5 轨道;6 侧导轮撞板3)C 形安全钩在极端情况下，当轮系出现故障时，列车有侧翻及脱离轨道的风险。为充分保障列车安全，在车架下部设置安装 4 个 C 形安全钩，如图 5 所示。4 个 C 形安全钩左右包住 H 型钢轨道翼板，其上242022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备下表面与 H 型钢轨道翼板的上下表面间隙分别为 10mm，在轮系正常工作情况下，C 形安全钩不与轨道接触。当轮系出现故障引起轮轴断裂或轮架变形，导致轮系不能正常保护列车时，C 形安全钩与轨道接触，因其三面包围结构，使列车不会侧翻或脱离轨道。4)乘客安全束缚装置乘客安全束缚装置同时采用安全压臂与安全带两种方式，将乘客安全舒适地约束在座椅上。安全压臂为压腹式棘轮棘爪机构，由抱枕、扶手、压臂杆、腿部止挡、棘轮、双棘爪、棘爪打开机构、销轴、底座等部分组成，如图 7 所示。工作时，压臂压下，抱枕压至乘客腹部，腿部止挡限制乘客小腿，二者与座椅一起，将乘客安全地约束在座椅上，使乘客不会脱离座椅。乘客安全束缚装置安全保证措施如下。图 7安全压臂结构图1 抱枕;2 扶手;3 腿部止挡;4 压臂杆;5 棘轮;6 棘爪;7 棘爪打开机构棘轮棘爪机构设有两套棘爪，二者互为冗余，两个棘爪分别与棘轮不同部位咬合。当一套棘爪失效时，另一套棘爪也能单独承受乘客的作用力。当安全压臂需要打开时，通过固定在轨道上的气缸顶升棘爪打开机构档杆，使棘爪脱离棘轮，进而打开压臂。抱枕及腿部止挡设计成为相对柔软的发泡材料，对乘客腹部及腿部形成缓冲保护作用，降低列车刹车时压臂装置对乘客的冲击。压腹扶手附近挡杆处设有安全带，与座椅连接，安全带锁紧信号与发车信号连锁。座椅上设置四点式安全带，作为安全压臂的冗余设计。综上，乘客安全束缚装置采用多种冗余设计，确保乘客能够舒适、安全地束缚在座椅上。43永磁制动装置研究永磁制动装置主要由永磁体、固定制动板、升降制动板装置等组成，采用双列永磁体和固定加可升降制动板布置，双列永磁体安装在列车车架下部，固定加可升降制动板固定在轨道上。1)永磁体和制动板的确定在相同外部条件下，影响制动板制动效果的主要因素为负载重量、运行速度、制动板温度变化，由于制动板相对永磁体较轻，因此制动板安装在列车上较为合理;但是考虑制动板切割磁感线产生阻力时会产生大量的热能，而永磁体温度基本不变，若制动板安装在列车上，则列车减速时制动板产生热量不能及时释放，制动板温升较大，影响后续制动效果，且长期使用会影响制动板材料性能。因此，综合考虑各因素，本项目制动板安装在轨道上，永磁体安装在列车车架下部，见图 8。图 8永磁体安装位置示意图2)制动力仿真计算根据影响永磁制动力的相关参数、利用永磁制动仿真软件进行制动力及列车制动速度理论计算，并根据计算结果确定制动板和永磁体的数量及布置形式。通过初步计算:单列制动板不能满足本项目要求，因此采用双列制动板形式;列车俯冲时需四组制动板方可使满载列车减速至较低速度。制动板布置于轨道两端，伸出悬崖外一端轨道 4 组，其中 3 组制动板设计成可以升降的;远离悬崖一端轨道 2 组，其中 1 组制动板设计成可以升降的。列车俯冲时升降制动板升起参与制动，列车返回站台升降制动板降下不参与制动，提高运行效率。其仿真计算结果如下。(a)模型建立输入条件列车空车重量(不含永磁体装置):1760kg;乘客重量:8 750N=6000N;永磁体装置重量:6 132.5N=795kg;34谢印国等:悬崖过山车结构设计2022 年 12 月第 6 期环境温度:0 40;车轮摩擦系数:0.018。永磁体布置方案永磁体布置方案见图 9。图 9永磁体布置方案制动板布置制动板布置方案示意图见图 10。列车俯冲及返回站台时制动板使用情况见图 11 及图 12。图 10制动板布置方案示意图1 固定制动板;2 升降制动板图 11列车俯冲时轨道外端四组制动板参与制动1 固定制动板;2 升降制动板图 12列车返回站台时轨道内端两组制动板参与制动1 固定制动板;2 升降制动板(b)计算结果列车满载 35下滑时性能如图 13。由图 13 可知，最大减加速度:11m/s2，最大速度 45.1km/h。列车满载 10返回时性能如图 14。由图 14 可知，最大减加速度:8.6m/s2，最大速度 19.9km/h。4)碰撞实验6 实验的目的本碰撞实验模拟悬崖过山车的升降制动板未升起，只有悬崖端两组固定制动板制动最极端情况下列车撞击时的工况，验证车架、轮架轮系、C形安全钩、座椅(简化模型)、轨道梁、油压缓冲器、聚氨酯缓冲器在高速撞击情况下损坏情况，验证列车不会飞出轨道和侧翻。实验结果分析及安全评估模拟碰撞实验后，轮系的轮架严重变形，车架上 C 型钩有变形，但车架上部的座椅(简化模型)无明显损坏，列车也不会飞出轨道和侧翻。图 13列车 35俯冲时速度曲线 a)及加速度曲线 b)图 14列车 10返回站台时速度曲线 a)及加速度曲线 b)5关键零部件受力分析及计算51设备受力分析442022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备首先对悬崖过山车进行受力分析及载荷计算，以便根据载荷大小、速度快慢，对液压缸进行选型计算并确定液压缸的缸径、杆径、行程、流量，对设备零部件进行强度计算确定其具体的结构形式和相应的几何尺寸。液压缸主要起支撑轨道及轨道梁支架的作用，以轨道处于 0 度为例，分析液压缸受力情况，如图 15 所示。整个部件主要受 5 种力的影响:列车及乘客的重力 G车+人(质心坐标为 X1，Y1)，单位为 N，需考虑冲击系数，当速度40km/h 时，取冲击系数为 1.5，当速度 40km/h 时，取冲击系数为 1.25。轨道及轨道梁支架的自重 G重(质心坐标为X2，Y2);右侧液压缸推力 F右;左侧液压缸拉力 F左;中心转轴对轨道梁支架的支持力 F轴;图 15轨道及轨道梁支架质心坐标图由于整个机构绕中心转轴转动，根据力矩方程得7:F右L3+F左L4 G车+人L1 G重L2=J;式中:F右右侧液压缸推力，N;F左左侧液压缸拉力，N;G车+人小车及乘客的重力，N;G重轨道及轨道梁自重，N;L1，L2，L3，L4力臂长度，m;J转动惯量，单位 kgm;角加速度，单位 N/s2。为角加速度，设计要求系统最大角速度需满足，1 秒内旋转 5，角速度由 0 达到 10/s，根据公式 2=2，因此角加速度 =22。列车在右侧，液压缸右伸左缩向上时:F左拉F右推=D22 d22D12;列车在左侧，液压缸右拉左伸向下时:F左推F右拉=D22D12 d12;其中右侧液压缸缸直径 D1，单位为 mm，杆直径 d1，单位为 mm，左侧液压缸缸直径 D2，单位为mm，杆直径 d2，单位为 mm。下面分别取列车位于左右两端，对应 35 度和 10 度，四种典型极限位置进行分析。支撑轨道及轨道梁支架的中心转轴受力情况如图 16、图 17所示。图 16轨道摆动到 35 度时受力示意图图 17轨道摆动到 10 度时受力示意图对 X、Y 方向分别列平衡方程可得:F轴Y=F左sinB F右sinA+G重+G车+人;F轴=F2轴X+F2轴槡Y;35 度时，F轴X=F右cosA F左cosB;10 度时，F轴X=F右cosA+F左cosB。52关键零部件强度计算:(1)列车架仿真计算车架受力主要包括4 种力:自身的重力 G 重、刹车力 F 刹、轨道对列车的支持力 N。车架的应力在允许范围内，满足强度要求8。图 18 为车架约束和加载示意图。通过有限元分析，得到车架应力分布如图 19，座椅架应力分布如图 20。(2)轨道梁支架仿真计算轨道及轨道梁受力包括:车和人的重力、液压缸推力和拉力、刹车板受到最大刹车力、油压缓冲54谢印国等:悬崖过山车结构设计2022 年 12 月第 6 期器部位受到的制动力。图 18车架约束和加载示意图图 19车架应力云图图 20座椅架应力云图(3)轨道梁摆动支架通过有限元分析，得到轨道梁支架应力分布如图 21 道梁摆动支架的应力在允许范围内，满足强度要求。6结论(1)采用仿真、现场试验等手段，设计并研制了悬崖过山车，并已通过第三方的验收，产品完全符合相关行业安全技术规范。图 21轨道梁摆动支架应力云图(2)悬崖过山车设置了防脱轨装置，采用了先进的电磁制动技术，具有制动性能好，磨损小，无噪音，乘客感受好和安全可靠等特点。(3)碰撞试验表明，制动措施失效仍能保护乘客安全，具有一定的推广价值。参考文献 1 付什 基于供给侧改革背景的国内大型游乐产业发展战略研究 J 企业改革与管理，2021(17):221 222 2 肖克实 新型过山车结构分析D 河北:石家庄铁道大学，2019 3 王坤 过山车简化建模及运动学、动力学分析D 河北:石家庄铁道大学，2020 4 刘然，张鹏飞，沈功田，等 先进复合材料在大型游乐设施的应用与评价设想J 中国特种设备安全，2021，37(11):30 33+71 5成大先 机械设计手册M 北京:化学工业出版社，2016 6 尚珂，李宝 跷跷板过山车碰撞实验J 冶金设备，2020(S1):25 26+78 7 胡芳，孟洁，李宝，等 基于 ANSYS 的轨道梁支架结构分析 J 冶金设备，2020(1):36 38 8 GB8408 2018，大型游乐设施安全规范 S(收稿日期:2022 09 30檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱)欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告邮箱:yjsb1979126 com网址:www mccet com642022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备