自控飞机类游乐设施设计要点探析龚高科

自控飞机类游乐设施设计要点探析龚高科

龚高科

四川省特种设备检验研究院四川省成都610061

摘要：自控飞机是游乐园中常见的一种游乐设施。本文主要阐述了自控飞机的主要设计要点，并对主要部件进行了强度校核，为自控飞机的制造环节及安全运行提供参考。

关键词：游乐设施；自控飞机；设计要点

1设备简介

“自控飞机”是自控飞机类游乐设施，由机械、气动（或油压）和电气系统组成，该设备在运行时可以绕垂直轴中心旋转与自由升降。目前的自控飞机主要是自控气压升降和自控液压升降，有9臂、10臂、12臂等型号，在外包装饰玻璃钢上和大臂处设置有彩灯。游客乘坐在自控飞机的座舱中，通过低压控制按钮自己控制高度，与其他游客追逐、射击。该设备回转直径大，提升高度高，刺激性强，在青少年游客中广受欢迎。

2自控飞机类主要载荷

（1）永久载荷：主要承受飞机各部件自身重力。其作用点、大小和方向不随时间变化而发生变化的载荷。

（2）活载荷：乘客在乘坐时对飞机产生的重力作用，按照700N/人计算。

（3）风载荷、雪载荷

根据飞机的迎风面积，计算最大风速下自控飞机工作时的风载荷，按最大风速15m/s（对应风压为140N/m2）计算；在静止状态应能承受当地气象数据提高的风荷载。雪载荷根据飞机的俯视表面积，按0.2kN/m2雪压计算。一般来说风载荷与雪载荷对自控飞机类的影响很小，相关人员可根据设计需要参照GB8408-2008《游乐设施安全规范》计算。

垂直于飞机迎风表面上的风荷载标准值（wk）计算公式为：

wk=βzusuzwo

式中，为高度z的风振系数，工作状态下2.0，静止状态下1.1；为风荷载体型系数；为风压高度变化系数；为基本风压值。

3主要部件的应力计算

3.1座舱及平衡拉杆受力分析

大臂与座舱通过销轴连接。为了确定销轴的形状与尺寸，在设计时要计算平衡拉杆的受力情况，计算座舱与主臂、拉杆间的销轴承受能力。

3.5安全系数

游乐设施的安全性与各部件的强度有着直接的关系，各部件承受的最大应力与材料极限强度的比值即为安全系数（n）。在GB8408-2008《游乐设施安全规范》中规定，游乐设施的各部件要达到一定的安全系数，重要的轴、销轴安全系数n≧5，一般构件的安全系数n≧3.5（脆性材料≧8）。

安全系数计算公式为：n=K×σb/σmax≧[n]

式中：K为冲击系数；σb为材料的极限应力；σmax为设计所计算的最大应力；[n]为规定的标准安全系数。

3.6其它方面

在电机方面最好采用宽频三相异步电机，因为宽频三相异步电机更能适应变频器控制设备的缓启缓停。设备在运行时如果遭遇停电会造成设备急停，很容易产生冲击事，所以不能选用有自锁现象的蜗轮蜗杆减速机。电气系统、控制系统要设置限速、限位装置，并且做好接地与避雷工作。此外，相关人员要根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》，对设备进行日常检查与维护，及时发现设备故障并维修，确保设备安全运行，保证游客的人身安全。

4强度校核

以某设计方案为例，进行强度校核分析。

4.1设计基本参数

主臂GZ=1116.5N；（2）座舱GC=757.8N；（3）乘客GR=2×700N/人=1400N（每个座舱2人）；（4）油箱主体GY=5450N；（5）设备回转直径为10m；（6）运行最高高度3.9m；（7）座舱转速V=3.5m/s；（8）座舱数8个；（9）乘坐人数n=16人。

4.2与座舱连接的主臂销轴强度校核

该设备的主要施力物为座舱和乘客，设备运行时，乘客和座舱除有重力外，还有由于旋转产生的离心力，这二力施加于座舱座并传给主臂。由于座舱有最高点和最低点两个极限位置，所以应分别进行分析。

座舱在最低点时：

G总=GC+GR=757.8+1400=2157.8N

座舱的最大线速度：3.5米/秒，座舱及乘客的重心在最低点时的回转半径为5m，

所以F离=m总*v2/R=215.78*3.52/5=528.7N

其中FL为辅臂对座舱的拉力，辅臂为一个二力杆。

∑X=0FL*cos33.64°+FX-F离=0

∑Y=0FL*sin33.64°+FY-G总=0

∑MO=0-FL*cos33.64°*250+G总*850+F离*470=0

由上式可得，FL=10006NFX=-7802NFY=-3385N

则FX与FY的合力为R=8505N

座舱在最高点时：

座舱的最大线速度：3.5米/秒，座舱及乘客的重心在最高点时的回转半径为5.4m，

所以F离=m总*v2/R=215.78*3.52/5.4=489.5N

∑X=0FL*cos18.82°+FX-F离=0

∑Y=0FL*sin18.82°-FY-G总=0

∑MO=0-FL*cos18.82°*250+G总*850+F离*470=0

由上式可得，FL=8739NFX=-7782NFY=-661N

FX与FY的合力为R=7810N

由以上计算可知当座舱在最低点时合力R最大，R=8505N

该主臂销轴主要受剪力，直径φ40，材料为调质处理的45#钢，破断强度σb=600MPa，其极限应力为390Mpa，截面面积A=1255mm2。座舱在最低点时受到的合力R=8505N（计算略）。考虑设备的运行速度2m/s<V<5m/s，以及上下起伏运动加速度的影响，冲击系数K取1.4。

销轴的剪应力：τ=KR/2A=(1.4×8505)/(2×1255)=4.74MPa

销轴的安全系数：n=τb/τ=390/4.74=82.28>5

因此，经计算校核，与座舱连接的主臂销轴强度达到了GB8408-2008《游乐设施安全规范》的要求。

4.2主臂的强度校核

主臂的材料为Q235B钢，σb=375Mpa，截面面积A=4545mm2，截面的惯性矩为15319349mm4。座舱在最高位置时主臂的受力简图如图4：

其剪应力：τ=KF/A=(1.4×2157.8)/1130=2.67Mpa

安全系数：n=σb/(σW+τ)=160/(13.32+2.67)=10.26>3.5

所以，该支座的安全系数符合标准，强度足够。

结语

人们的生活水平在不断提高，越来越多的人注重对精神生活与娱乐的追求，游乐园是人们休闲与游乐的好去处。但是，近年来游乐设施发生的安全事故频频出现，所以游乐设备的安全问题需要更加重视，在生产过程中把握设计要点，严格检查生产材料，规范生产工艺，保证游乐设备的质量。此外，公园方面要重视设备的检修与维护工作，加强安全意识，为广大群众营造安全的娱乐环境。

参考文献

[1]张倩."自控飞机"游乐设施的设计及强度校核[J].城市建设理论研究:电子版,2015,5(26).

[2]杨冲.分析"自控飞机"游乐设施的维护和保养[J].城市建设理论研究:电子版,2015,5(26).

[3]韩美玲.大型单摆式游乐设备动力学分析与关键结构设计[D].沈阳农业大学,2016.