关于游乐设施冲击系数选取的一点看法
1 关于动力学问题
结构动力学分析通过虚拟实验精确、快捷地预测产品的整机性能，解决产品的动力学、变形、强度、寿命等问题。在产品设计开发中，将分散的零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机上建造出产品的整机模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品整体设计，提高产品性能。使产品设计人员在各种虚拟环境中，真实模拟产品整体的运动及受力情况，分析其性能，更好地理解机械系统的运动，精确预测载荷变化。
在游乐设施设计计算方面，与动力学对应的标准是冲击系数，但冲击系数的选取，各个游乐设施的生产制造企业存在着不同意见，到底这个数据该如何取值呢？
2 旧版规范对冲击系数的规定
旧版《游乐设施安全规范》GB8408-2008中4.2.3.2规定：游乐设施在运动过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷（如滑行车类中，可能来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑），设计时一般无法准确计算，因此，该类游乐设施进行强度计算时，其载荷（永久载荷及活载荷）必须乘以冲击系数K(见表1)
由《游乐设施安全规范》释义第4.2.3.2节：同类别的游乐设施采用同一冲击系数，显然是不合理的，因此，以速度大小确定冲击系数是比较科学的；有的游乐设施其乘人部分有公转也有自转，还可能同时有升降，我们称之为组合运动，其速度的取值应取几种运动合成速度的最大值。
由以上分析可知，游乐设施的动载系数，是由其组合运动的最大速度决定的，表1中给出的冲击系数仅供参考，需要根据根据设备的最大组合速度通过插值去取。但大多数企业仅按照表1中给出的数据去取，就陷入了误区，而忽视了表1中给出的仅仅是冲击系数的下限值（“≥”而不是“=”）。而且冲击系数仅与永久载荷和活载荷有关，其它载荷是无需附加冲击系数的。
3 新版规范对冲击系数的规定
新版《大型游乐设施安全规范》GB8408-2018中6.1.2.15.1规定：游乐设施在运动过程中有可能出现冲击，从而产生冲击载荷（如滑行车类中，可能来自于轨道连接处或磨损后轨道形成的凹坑），则运动部件受到的载荷（永久载荷和活载荷以及所承受的惯性力）应乘以不小于k1=1.2的冲击系数。
6.1.2.15.2规定：如果该运动部件在实际运行过程中会有更大的冲击力而且不能将冲击力降到设计要求范围内，那么就需要相应地提高冲击系数来进行修改计算。
从新旧版规范的规定来看，看似降低了冲击系数的要求，实则不然。新版中加入惯性力，惯性力需要乘以冲击系数计入总载荷的。另外新版并未降低，大多数只看到了1.2的冲击系数，却忽视了前面的定语“不小于”。这种“降低冲击系数要求”的做法，可能会让生产制造企业在设计过程中，无所适从。到底冲击系数该取多少？
这些疑问或者称作困惑，可以借助动力学分析去解决。因为在设计阶段，产品的运动部件还没有处于“实际运行过程中”，如果要借助“实际运行过程中”去确定冲击系数，就会出现：设计→鉴定→制造→安装→运行→测试→再设计→.......，这样的循环过程中。增加了企业的开发周期，加大了企业的开发新产品成本，中国的游乐设施制造企业大多为民营企业，也没有多少企业真正去这样做。
动力学计算可以确定在动力载荷作用下，结构的内力、位移、反力等量值随时间变化的规律，从而找出最大值，以作为设计分析的依据。动力学分析能够较精确地计算出作用在零件上的载荷，对主要零件进行强度计算。并可根据计算结果反复地修改零件的结构尺寸，直到满足设计要求。所以对游乐设施进行动力学分析计算就显得尤为重要。
4 理论力学计算
自控飞机是自控飞机类游艺机中的一个品种，自控飞机是一种座舱绕中心轴旋转，飞机又可自行升降的游乐设备。是根据飞机交战情景设计的一种游乐设备。自控飞机的转盘，在回转电机作用下沿旋转盘的中心轴线做旋转运动。
自控飞机的旋转速度最大值为5m/s， 考虑上下起伏运动速度的影响，自控飞机冲击系数的最大值取1.4（由于新版规范对冲击系数的规定相对宽泛，仍依据旧版规范取值）。
气缸的推力与座舱和主臂之间存在杠杆平衡，当座舱力臂最大同时气缸力臂最小时，气缸的推力达到最大值，此时，主臂处于水平位置。如图1所示。
图1 气缸载荷示意图
由图纸可知，a=1.655m,b=2.06m，c=1.15m,则根据三角关系：
则可知，主臂水平位置时，气缸杆与主臂的水平夹角为76°。
则根据力臂平衡原理：
考虑1.4倍的冲击系数，可得气缸轴的载荷：17521×1.4=24529N
5 动力学计算
使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)18.0中的刚体动力学分析模块Rigid Dynamics，对自控飞机进行动力学分析。
为了模拟自控飞机的动力学响应。设定分析时间为50s。自控飞机的各运行部件从启动到运行整个运行过程中，连接部位的约束反力和反力矩，如图2所示。箭头表示约束部受的反作用力和反力矩。
图2 气缸轴连接支反力示意图
自控飞机在运行过程中，提取主臂气缸轴连接部位的反作用力的曲线，如图3所示。
图3 气缸轴连接支反力时间历程曲线
由图3可知，稳定运行时，气缸轴承受的压力载荷为17822N，与理论计算值17521N的误差为1.7%，由于升降运动受到的冲击载荷为27473N，与理论计算的冲击载荷24529N的误差为12%。为什么冲击载荷的误差会较大呢？主要是冲击系数选择偏小造成的，而实际的冲击系数27473/17822=1.5。
6 结论
由于游乐设施运行的特性，追求**，运行相对激烈，冲击载荷选取需要根据动力学分析去确定，或者根据规范按照插值去科学选取，而新版规范对此数据规定的相对宽泛。作为设计人员，需根据设备的运行工况，进行科学的计算。对自控飞机而言，有油缸提升和气缸提升两种形式，气缸运行相对激烈，冲击系数也应相应增大，而不能仅仅根据设备类别，取相对较小的值，这样对主臂、轴等关键部件的计算就会出现较大的误差。即使同类设备，也应该根据设备的级别、运行直径、速度、起升方式选择合理的冲击系数。
因此在游乐设施设计计算过程中，动力学的计算显得尤为重要！
作者：赵九峰，仿真秀专栏作者
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