一种游乐六自由度轨道车的设计与安全性分析.pdf

新疆钢铁总第169期2024年第1期一种游乐六自由度轨道车的设计与安全性分析卢泊洋（上海恒润文化科技有限公司，上海 201400）摘要：设计了一种游乐六自由度轨道车，通过提出设备整体方案，针对行走机构及六自由度平台进行了安全性分析，建立了整机ANSYS仿真模型及电气控制原理的搭建，并以此为技术支撑进行了样机制作。样机的测试结果显示其安全可靠，适合在游乐园项目中推广使用。关键词：轨道车；六自由度；安全性DOI：10.20146/ki.1672-4224.2024.01.058中图分类号：TP391.9文献标识码：B文章编号：1672-4224（2024）01-0177-05Design and Safety Analysis of a Recreational 6-DOF Rail CarBoyang Lu(Shanghai Hengrun Culture Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201400)Abstract:A six degree of freedom rail car for amusement is designed.By proposing the overall scheme of the equipment,thesafety analysis of the walking mechanism and the six degree of freedom platform is carried out,the ANSYS simulation model ofthe whole machine and the construction of the electrical control principle are established,and the sample machine is madewith this as the technical support.The test results of the prototype show that it is safe and reliable,and suitable for popularization and use in amusement park projects.Key words:rail car;six degrees of freedom;security作者简介：卢泊洋，男，39岁，硕士，中级工程师，上海恒润文化科技有限公司。E-mail：引言游乐园一直以来都是人们休闲娱乐的主要去处，其中游乐轨道车因为刺激与快乐的体验而备受欢迎。随着游乐园行业的不断发展和扩大，更多新颖创意的游乐设备开始涌现。这也意味着游乐园中的设备种类不断增多，对游乐设备的需求也愈发多元化。游乐六自由度轨道车可以兼顾更多复杂的动作，更高的速度和更大的承载能力。在这个背景下，如何设计一种更加稳定、安全的游乐六自由度轨道车成为了研究的热点。因此，对于游乐六自由度轨道车的设计和安全性分析就变得尤为重要，以确保乘客的安全和游乐设备的可靠性。1游乐六自由度轨道车整体设计方案本方案中的游乐六自由度轨道车由底盘、六自由度平台、座舱和轨道组成，见图1。轨道车沿地面预设的轨道行驶前进。该轨道车具备前进和后退功能，座舱在六自由度平台的驱动下可以做出滚转、俯仰、偏航、上升、下降和侧移及复合运动的动作，同时沿途布置许多特效电影与机模特技，轨道车的复合动作精确的配合电影与特技，真实地模拟各种各样场景下的车辆需要的特技动作。轨道车主要设计参数见表1。1.1底盘设计方案轨道车底盘为“井字形”结构型材焊接构成，该结构刚度好，结构重量轻。两个驱动轮布置在轨道车两端，由伺服电机驱动。底盘四个角安装有万向行走轮，可以根据车辆行走轨迹自动适应改变自身角度。轨道车的两侧分别安装有控制柜和驱动柜，用于控制车辆的电气元件被集成在其中，通过线束与电机相连。轨道车尾部安装有供电及通讯装置，此装置通过集电器从轨道上的滑触线取电及通讯，见图2。1.2行走驱动机构设计轨道车行走机构的驱动轮与夹持轮分别布置在轨道的两侧。驱动轮侧配有行走轮，用于抵抗过弯1772024年第1期新疆钢铁总第169期时产生的侧向力对于驱动轮的冲击。两个夹持轮对应在驱动轮的轨道另外一侧。夹持轮为被动轮，安装在一组滑轨上，夹持轮的尾端由弹簧预紧，保证夹持轮始终与轨道贴合。在过弯时，夹持轮会随轨道弧度沿滑轨后退，此时弹簧被压缩。在轨道车驶出弯道后，弹簧会被释放从而将夹持轮顶回原位置，保证驱动轮可以与轨道保持良好接触。此套行走机构的优势在于可以通过自动调整压缩弹簧夹持力来满足轨道不同的转弯半径。行走阻力主要来自于行走轮与地面、驱动轮（夹持轮）与轨道面的摩擦力。轨道车行走的条件 F牵F阻其中，牵引力计算公式为F牵=橡胶Fc（1）公式（1）中 橡胶驱动轮包胶与轨道间摩擦系数，橡胶=0.36；Fc压缩弹簧夹持力。图1 游乐六自由度轨道车总成1.3六自由度运动平台设计六自由度运动平台是一种能够模拟物体在三维满载重量轨道车功率最大行走速度六自由度平台参数前后偏移左右偏移垂直升降移动速度移动加速度4t48 kw2.5 m/s200 mm200 mm165 mm300 mm/s3 m/s2承载人数供电电源座舱转速俯仰角度左右摆角偏航角度转动角速度转动角加速度8人/座舱AC380V，50HZ15rpm18182020/s100/s2表1 主要技术参数图2 底盘布置（仰视）178新疆钢铁总第169期2024年第1期空间中的六个自由度运动平台1。这种平台通常由一个上平台和一个下平台组成。两个平台之间装有六个独立的伺服电动缸，伺服电动缸由虎克铰连接。这种并联六自由度平台可以模拟滚转、俯仰、偏航、上升、下降和侧移各种运动状态。六自由度平台动作过程中，电动缸受到来自上平台（包括座舱及乘客）的载荷有重力载荷和惯性载荷。1.3.1重力载荷由平台上（包括座舱及乘客）自身重量引起的载荷，属于静载荷。用矩阵形式表示为公式（2）：G=FxFyFzMxMyMz=mg001-GyGx0（2）公式（2）中，m上平台（包括座舱及乘客）重量；g重力加速度，g=9.8 m/s2；Gx、Gy上平台（包括座舱及乘客）重心x，y坐标。1.3.2惯性载荷六自由度平台的突然启动（制动）时，都会有惯性载荷产生。惯性力可分为移动惯性力和转动惯性力，以下分别进行分析。移动惯性力用矩阵形式表示为公式（3）：F1=FxFyFzMxMyMz=mgaxayazazGy-ayGzaxGz-azGxayGx-azGy（3）公式（3）中，m上平台（包括座舱及乘客）重量；g重力加速度，g=9.8 m/s2。Gx、Gy、Gz上平台（包括座舱及乘客）重心x，y，z坐标；ax、ay、az平台前后偏移、左右偏移以及垂直升降加速度。转动惯性力用矩阵形式表示为公式（4）：F2=FxFyFzMxMyMz=mRxGy(2y+y)+RxGz(2z+z)mRyGx(2x+x)+RyGz(2z+z)mRzGx(2x+x)+RyGy(2y+y)Jxxx+m(G2y+G2z)Jyyy+m(G2z+G2x)Jzzz+m(G2x+G2y)（4）公式（4）中，m上平台（包括座舱及乘客）重量；g重力加速度，g=9.8m/s2；x、y、z平台左右摆动、前后俯仰以及垂直偏航角速度；x、y、z平台左右摆动、前后俯仰以及垂直偏航角加速度；Jxx、Jyy、Jzz上平台在重心位置沿x，y，z的转动惯量；Gx、Gy、Gz 上 平 台 重 心 x，y，z 坐 标；RyGx、RzGx平台绕x轴转动时，上平台重心到旋转中心距离的y、z分量；RxGy、RzGy平台绕y轴转动时，上平台重心到旋转中心距离的x、z分量；RxGz、RyGz平台绕z轴转动时，上平台重心到旋转中心距离的x、y分量。1.3.3小结根据达朗贝尔原理，作用在质点上的主动力、约束力以及惯性力组成一个平衡力系，得到公式F=G+F1+F2，根据平台位置和对应的动作参数，代入数据，即可求得每个电动缸的载荷，从而进行后续各零部件强度计算。2 有限元模型2.1仿真说明运用ANSYS有限元分析软件对六自由度轨道车进行受力仿真分析。主体结构采用以四边形网格为主，三角形网格为辅的壳单元网格，单元类型为Shell1812；电动缸采用三维实体单元，单元类型为Solid185；乘客、电机、减速机以及其他辅助零件则简化成一个在其重心位置的质量点，单元类型为Mass21，按实际质量进行赋值，质量点通过刚性连接单元与对应的安装位置连接起来。2.2整车模型整车模型载荷及约束如图3所示。四个行走轮支架上施加z方向（竖直方向）位移约束，同时为使底盘不会出现刚体位移，约束前端行走轮的x向（前后方向）位移约束，右侧行走轮施加y方向（左右方向）位移约束。建立有限元计算模型后，施加对应的约束及载荷进行仿真计算。各零部件按其可能出现的最恶劣工况进行分析。3整车稳定性计算轨道车在工作过程中，由于偏心和惯性力的影响，存在倾翻风险。采用力矩法校核小车倾覆稳定性。在最恶劣的情形下，小车总的稳定力矩和总的1792024年第1期新疆钢铁总第169期倾覆力矩需满足。其中为倾覆稳定性安全系数，根据GB 8408-2018大型游乐设施安全规范 第6.2.6节3，=1.1，见图4。小车满载过弯道时，侧倾力矩为最大。此时小车侧向稳定力矩如公式（5）所示：M1=mg(W-e)=45707.5Nm（5）公式（5）中，m满载时整车重量，m=4040 kg；g重力加速度，g=9.8 m/s2；W左（右）侧行走轮距回转中心距离，W=1234 mm；e满载时整车重心到回转中心的偏心距，e=79.5 mm。过弯惯性力产生的倾覆力矩如公式（6）所示：M2=mv2RmmHz=8837.5Nm（6）图3 整车模型载荷及约束示意图图4 整车稳定性计算示意图180新疆钢铁总第169期2024年第1期公式（6）中，m满载时整车重量，m=4040 kg；v小车行走速度，v=2.5 m/s；Rmin最小轨道半径，Rmin=3.5 m；Hz满载时整车重心距地面高度，Hz=1225.4 mm。安全系数n=M1M2=45707.58837.5=5.21.1所以轨道车侧滑稳定性满足要求。4车辆控制系统原理轨道车通过滑触线供电模块从轨道上的供电的滑触线接入三相交流电。表演条件满足时，控制系统按照扫描工作周期，实时更新当前需要执行的动作脚本，通过数据总线向伺服驱动器发送运动控制数据，伺服驱动器收到目标运动位置数据后，进行运动规划，计算出当前时刻的速度、加速度，并生成一系列连续的脉冲信号输出到电机。电机将脉冲信号转化动能，驱使电动缸进行伸缩运动，持续反复的周期闭环控制运动，实现了轨道车在沿轨道的行走，六自由度平台X,Y,Z三个方向的移动及旋转,从而模拟出视频场景中刺激的动作。当轨道车按照预设的脚本执行完成后，停止表演控制模式，进入自动进站控制模式。该方案建立了车辆闭环控制，保证了游客在乘坐时的安全性要求，并可以后续扩展到轨道上多车交通控制。5样机测试按照六自由度轨道车参数要求进行了样机试制，图 5 为样机在车间疲劳测试。根据 GB 8408-2018 大型游乐设施安全规范 中要求进行耐久测试4。满载工况在座舱共放置 8个水人，每个水人75 Kg。连续测试80小时，每小时观察轨道车动作及监控电机参数及温度。期间轨道车运行平稳，测试结果符合预期，可以在游乐园项目中推广使用。图5 游乐六自由度轨道车样机测试6结论针对游乐六自由度轨道车的参数需求，进行合理设计方案，并对六自由度平台载荷及车辆稳定性进行了计算分析，通过有限元模型建立为样机制作提供理论基础和技术支持。这些设计原则的合理应用将对轨道车的安全性和整体性能提升有一定的参考意义，作为新一代的游乐设备，也将为游客提供更加安全、愉快的乘车体验。参考文献1 张尚盈，赵慧，韩俊伟.六自由度运动平台实时控制的正/反解算法 J.机床与液压，2003（03）：133-135+123.2 邢静忠，李军.ANSYS的建模方法和网格划分 J.中国水运（学术版），2006，6（9）：116-118.3 张勇，刘然，沈功田.GB 84082018 大型游乐设施安全规范 修订简介及解析 J.中国特种设备安全，2019，35（06）：1-3.4 项辉宇，李磊，冷崇杰等.基于仿真的游乐设施模型优化与加速度测量 J.计算机仿真，2021，38（09）：257-261.科普知识“双碳”政策下的交通运输低碳化地球是全人类赖以生存的家园，但人类活动对全球气候变化带来了严重影响。因此，控制碳排放，减缓全球气候变暖已经成为重要性全球议题之一。从2020年提出“双碳”目标以来，中国基本构建起“1+N”政策体系，碳达峰碳中和工作扎实有序推进，实现良好开局。有关部门和各地方正在根据方案部署和要求陆续制定具体行业和具体地区的碳达峰实施方案、碳中和战略研究，全国上下动员起来落实碳达峰、碳中和战略。优化交通运输结构方面，实施意见提出，要加快建设综合立体交通网；大力发展多式联运，提高铁路、水路在综合运输中的承运比重，持续降低运输能耗和二氧化碳排放强度。在增强交通运输绿色转型新动能方面，实施意见提出，要强化绿色低碳发展规划引领，将碳达峰碳中和交通运输工作目标要求全面融入各地区交通运输中长期发展规划。（摘编自中国科学技术协会官网）181