梁培章
(中山市金馬科技娛樂設(shè)備股份有限公司,廣東中山 528437)
緩沖器在電梯、起重機(jī)、汽車等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛,起到緩解沖擊、避震等作用。在游樂設(shè)備行業(yè),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(gè)環(huán)節(jié)。在飛行塔類游樂設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中[2],緩沖器在設(shè)備出現(xiàn)極端故障情況時(shí)起到緩解沖擊作用,使撞擊產(chǎn)生的加速度控制在GB 8408-2018加速度要求的范圍之內(nèi)。
大型游樂設(shè)備均為單件小批量的產(chǎn)品,目前市面上沒有專用于游樂設(shè)備的緩沖器標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。并且,游樂設(shè)備的個(gè)性化比較強(qiáng),沖擊重物的重量、速度等參數(shù)變化繁多,從其它行業(yè)的緩沖器中選用到合適的產(chǎn)品比較困難。即使其它行業(yè)緩沖器的參數(shù)剛好合適,其安全設(shè)計(jì)也未必能符合游樂設(shè)備的要求。因此,游樂設(shè)備廠家需要為自已的設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備的緩沖器的方案設(shè)計(jì)及計(jì)算。
該緩沖器采用液壓缸+蓄能器的設(shè)計(jì),緩沖原理為:先將重物的動(dòng)能儲(chǔ)存起來,再緩慢釋放,最終將沖擊的能量轉(zhuǎn)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?dú)鈱⑿钅芷鞒渲猎O(shè)計(jì)要求的壓力值[3],工作過程為:當(dāng)重物撞擊緩沖缸上的活塞時(shí),緩沖缸上的液壓油經(jīng)插裝式單向閥流向蓄能器,當(dāng)緩沖缸壓縮至足夠的行程后,蓄能器的液壓油開始釋放,經(jīng)過節(jié)流閥和單向閥重新緩慢地流回緩沖缸,緩沖過程結(jié)束。
行程開關(guān)及壓力傳感器為緩沖器必要的安全配置,可以有效提高設(shè)備的安全級(jí)別。行程開關(guān)能檢測(cè)活塞桿是否在正確位置,壓力傳感器能檢測(cè)緩沖缸的無桿腔壓力是否正常,設(shè)備的電控系統(tǒng)確認(rèn)活塞桿在正確的位置,且確認(rèn)緩沖缸的壓力正常后,設(shè)備方可啟動(dòng)。這2個(gè)傳感器使緩沖器的安全性能與游樂設(shè)備主體的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖,確保緩沖器安全性能正常的前提下,設(shè)備才能運(yùn)行。在游樂設(shè)備主體運(yùn)行過程中,如果緩沖器的狀態(tài)不正常,游樂設(shè)備主體也須停止運(yùn)行。
圖1 緩沖器的液壓原理圖
(1)設(shè)備條件。升降平臺(tái)和車體總質(zhì)量約13 t;2個(gè)緩沖器;沖擊速度約2 m/s。
(2)設(shè)計(jì)參數(shù)。蓄能器的初始狀態(tài)下氣體的體積V1=8.06×10-3m3;蓄能器的初始?jí)毫閜1=9.3×106Pa;緩沖缸的缸徑為?0.12 m。
在緩沖過程中,座艙運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能主要包括以下2個(gè)部分。
(1)座艙開始撞擊緩沖器時(shí)的動(dòng)能為Em:
(2)令最大緩沖行程為h,沖擊過程中座艙的勢(shì)能變化為E g:
結(jié)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(nèi)的氣體被壓縮,從而吸收能量。因其壓縮時(shí)間極短,壓縮過程可以認(rèn)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?jí)毫?;p2為最大緩沖行程時(shí)蓄能器氣體的壓力;V為緩沖行程中蓄能器內(nèi)氣體的體積;V1為蓄能器內(nèi)氣體的初始體積;V2為最大緩沖行程時(shí)蓄能器內(nèi)氣體的體積;γ為比容熱比(又稱絕熱指數(shù)),取γ=1.4[4]。
將已知參數(shù)代入式(10)計(jì)算,得:
緩沖結(jié)束時(shí),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(jī)器對(duì)工質(zhì)做功”[5],故E2為負(fù)值。緩沖過程由2個(gè)緩沖器同時(shí)作用,能量守恒公式為:
對(duì)式(13)解方程,最大緩沖行程h=0.194 m
最大緩沖行程時(shí):
緩沖過程中,緩沖器制動(dòng)力F為:
緩沖過程中,蓄能器的氣體體積V為:
圖2 制動(dòng)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(jì)算公式及已知參數(shù)編入軟件進(jìn)行計(jì)算,緩沖進(jìn)程的制動(dòng)力、加速度、人體加速度與緩沖距離的曲線如圖2~4所示。
本文介紹一種用于飛行塔類游樂設(shè)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(zhuǎn)化為熱能;在緩沖器上設(shè)置相應(yīng)的行程開關(guān)和壓力傳感器,使緩沖器的安全性能與設(shè)備主體的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖[7]。該緩沖器作用時(shí),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(shè)計(jì)靈活,通過調(diào)整不同的初始?jí)毫?、蓄能器容積、緩沖缸直徑等,可以設(shè)計(jì)成系列化的產(chǎn)品,滿足不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)的游樂設(shè)備的要求。
安全性能是游樂設(shè)備的重要性能,緩沖器的設(shè)計(jì),在保證機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算上達(dá)到設(shè)備主體的要求外,還須與設(shè)備主體實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖,這樣才能為游樂設(shè)備提供可靠的安全保護(hù)。