飞行塔类游乐设备缓冲器的设计

梁培章

（中山市金马科技娱乐设备股份有限公司，广东中山 528437）

0 引言

缓冲器在电梯、起重机、汽车等行业应用非常广泛，起到缓解冲击、避震等作用。在游乐设备行业，缓冲器的作用与电梯缓冲器[1]的作用类似，缓冲器是保证安全的最后一个环节。在飞行塔类游乐设备的风险评估中[2]，缓冲器在设备出现极端故障情况时起到缓解冲击作用，使撞击产生的加速度控制在GB 8408-2018加速度要求的范围之内。

大型游乐设备均为单件小批量的产品，目前市面上没有专用于游乐设备的缓冲器标准产品。并且，游乐设备的个性化比较强，冲击重物的重量、速度等参数变化繁多，从其它行业的缓冲器中选用到合适的产品比较困难。即使其它行业缓冲器的参数刚好合适，其安全设计也未必能符合游乐设备的要求。因此，游乐设备厂家需要为自已的设备设计专用的缓冲器。

本文主要讲述一种用于大型飞行塔类游乐设备的缓冲器的方案设计及计算。

1 缓冲器的设计

该缓冲器采用液压缸+蓄能器的设计，缓冲原理为：先将重物的动能储存起来，再缓慢释放，最终将冲击的能量转化为热能。图1所示为该缓冲器的液压原理图。该缓冲器在使用前先用氮气将蓄能器充至设计要求的压力值[3]，工作过程为：当重物撞击缓冲缸上的活塞时，缓冲缸上的液压油经插装式单向阀流向蓄能器，当缓冲缸压缩至足够的行程后，蓄能器的液压油开始释放，经过节流阀和单向阀重新缓慢地流回缓冲缸，缓冲过程结束。

行程开关及压力传感器为缓冲器必要的安全配置，可以有效提高设备的安全级别。行程开关能检测活塞杆是否在正确位置，压力传感器能检测缓冲缸的无杆腔压力是否正常，设备的电控系统确认活塞杆在正确的位置，且确认缓冲缸的压力正常后，设备方可启动。这2个传感器使缓冲器的安全性能与游乐设备主体的控制系统实现安全联锁，确保缓冲器安全性能正常的前提下，设备才能运行。在游乐设备主体运行过程中，如果缓冲器的状态不正常，游乐设备主体也须停止运行。

图1 缓冲器的液压原理图

2 缓冲器的计算

2.1 设计参数

（1）设备条件。升降平台和车体总质量约13 t；2个缓冲器；冲击速度约2 m/s。

（2）设计参数。蓄能器的初始状态下气体的体积V1=8.06×10-3m3；蓄能器的初始压力为p1=9.3×106Pa；缓冲缸的缸径为ϕ0.12 m。

2.2 缓冲过程中人体最大加速度

在缓冲过程中，座舱运动的机械能主要包括以下2个部分。

（1）座舱开始撞击缓冲器时的动能为Em：

（2）令最大缓冲行程为h，冲击过程中座舱的势能变化为E g：

结合式（1）和式（2），忽略摩擦力消耗的能量，缓冲过程中，缓冲器需吸收的总能量为E1：

缓冲过程中，蓄能器腔内的气体被压缩，从而吸收能量。因其压缩时间极短，压缩过程可以认为是绝热过程，建立绝热气体方程，如式（4）[7]、式（5）所示。

式中：d为缓冲缸的缸径；p为压缩过程中蓄能器的气体压力；p1为蓄能器气体的初始压力；p2为最大缓冲行程时蓄能器气体的压力；V为缓冲行程中蓄能器内气体的体积；V1为蓄能器内气体的初始体积；V2为最大缓冲行程时蓄能器内气体的体积；γ为比容热比（又称绝热指数），取γ=1.4[4]。

将已知参数代入式（10）计算，得：

缓冲结束时，座舱的能量由蓄能器的气体吸收。由于蓄能器压缩过程属于“机器对工质做功”[5]，故E2为负值。缓冲过程由2个缓冲器同时作用，能量守恒公式为：

对式（13）解方程，最大缓冲行程h=0.194 m

最大缓冲行程时：

2.3 缓冲过程中人体加速度的计算

缓冲过程中，缓冲器制动力F为：

缓冲过程中，蓄能器的气体体积V为：

图2 制动力F曲线图

图3 加速度a曲线图

图4 人体加速度a z曲线图

因此，人体加速度为：

将上述计算公式及已知参数编入软件进行计算，缓冲进程的制动力、加速度、人体加速度与缓冲距离的曲线如图2～4所示。

3 结束语

本文介绍一种用于飞行塔类游乐设备[6]的缓冲器。其原理为：利用液压蓄能器吸收重物的缓冲能量，然后缓慢释放，最后将缓冲的能量转化为热能；在缓冲器上设置相应的行程开关和压力传感器，使缓冲器的安全性能与设备主体的控制系统实现安全联锁[7]。该缓冲器作用时，人体的最大加速度为2.6 g，符合GB 8408-2018的要求[8]。该缓冲器的设计灵活，通过调整不同的初始压力、蓄能器容积、缓冲缸直径等，可以设计成系列化的产品，满足不同运动参数的游乐设备的要求。

安全性能是游乐设备的重要性能，缓冲器的设计，在保证机械设计和计算上达到设备主体的要求外，还须与设备主体实现安全联锁，这样才能为游乐设备提供可靠的安全保护。