游乐设施智能放行器的设计与安全验证

1 引言

1.1 研究背景与意义

游乐设施作为特种设备，其安全性能直接关系到游客生命财产的安全，其设计与制造必须完全达到安全、有效的目的。放行器（又称“锁紧装置”或“安全压杆”）是游乐设施中约束乘客身体、防止倾覆的核心部件，其可靠性直接影响设备运行安全。据统计，近 5 年国内游乐设施事故中，因游乐设施中放行器失效，所导致的占比达 32% ，其主要失效问题，经分析包括：机械疲劳断裂、传感器误报、控制系统响应滞后等因素。因此，设计高可靠性、智能化的游乐设施放行器已成为行业迫切需求。

1.2 国内外研究现状

目前，仅国外对游乐设施放行器的研究起步较早，已实现电磁锁止、液压驱动等技术应用，但其结构复杂、成本高昂；国内近年来通过引进消化吸收、设计改良等手段，也逐步实现了国产化，但在多工况适应性、智能诊断等方面仍有一定差距。现有游乐设施放行器设计与研究多聚焦于单一功能的优化阶段（如锁紧力提升），缺乏对整体“感知 - 决策 - 执行”全链路协同设计方面的关注，以及力学分析方面和电子讯号处理方面整体性能的欠缺。

2 游乐设施放行器需求分析与设计目标

2.1 游乐设施放行器功能需求

a. 约束功能：在设备运行时，放行器锁定乘客身体，并能承受垂直 / 水平冲击载荷（如过山车启动时的惯性力）；b. 释放功能：设备停稳，放行器即快速解锁，保证响应时间 ⩽0.5s ；c. 检测功能：利用数显电子传感器进行实时监测锁紧状态、机械疲劳、温度异常等参数值，并同步于控制室内同步显示，并在实际部位设有监控系统，相对于实际环境及机构部位保证直观而且降低观测成本；d. 安全冗余：当智能放行器单系统失效时，仍能利用二次机械锁止保障智能放行器系统维持约束，避免二次事故。

2.2 智能放行器性能指标

锁紧力： ⩾20kN （静态）、 ⩾15kN （动态冲击）；

响应时间：解锁 ⩽0.2s ，锁止 ⩽0.3s ；

工作温度： -20^∘C^～60^∘C ；

故障自检覆盖率： ⩾95% 。

3 游乐设施智能放行器总体设计包含：

3.1 机械结构设计

该游乐设施智能放行器整体设计，采用“集成模块化 + 轻量化”的构建思路，其主体结构包括如下：a. 机械锁止机构：由楔形锁块、复位弹簧、电磁推杆组成，通过斜面自锁原理，实现在无电状态下仍能保证机械的锁止（冗余设计）；b. 传动结构：采用高强度铝合金（6061-T6）框架为基础，相对应关键受力部位（如锁块接触端）环形堆焊司太立合金以提升耐磨和防锈性能，并要求进行超声波探伤检测，探伤合格等级III 级， 100% 目视检测；c. 导向装置：主运动机构采用直线导轨 + 滚珠丝杠副，确保机构组件锁止动作的直线度（偏差控制 ⩽0.lmm^⋅ ）。

3.2 智能放行器控制系统设计包含内容如下：

基于智能放行器电子系统采用“双 CPU 冗余 + 多传感器融合”架构进行布

局设计：

a. 信号反馈感知层：集成压力传感器（测量锁紧力）、倾角传感器（监测设备姿态）、温度传感器（监测电机发热）、霍尔传感器（检测电磁推杆位移）等，多角度及多部位进行数据采集汇总；b. 综合控制层：主控制器（STM32H7）负责实时数据处理，备用控制器（STM32F4）实时同步数据，当放行器主控制器故障时 0.1s 内切换；并实时传送至主控室内显示器上显示，直观且易于第一时间内进行处理或存档。c. 执行层：电磁推杆（解锁） + 伺服电机（复位）双驱动，确保单一驱动失效时仍可使操作员进行手动应急操作。

4 智能放行器关键技术验证

4.1 智能放行器静态负载测试

实验数据采集：通过万能试验机施加 20kN 静态载荷（观测时间：持续24h），放行器锁止机构无明显塑性变形，相对位移量 ⩽0.2mm （符合 GB 8408游乐设施设计规范要求）。

4.2 智能放行器动态冲击测试

实验数据采集：模拟过山车启动工况（5g 加速度，持续 0.5s），锁紧力峰值达18kN（高于设计阈值15kN），结构未出现松动或异响。

4.3 智能放行器故障注入测试

实验数据采集：在智能放行器测试时，人为切断智能放行器主控制器电源、并堵塞压力传感器接口，测得：该智能放行器系统均能保证在0.1s 内触发报警并切换至放行器机械锁止模式，充分验证了该智能放行器冗余设计的准确性和有效性。

5 结论与展望

本次所研究设计的游乐设施用智能放行器，不但更新迭代了机械结构优化、双冗余控制及多传感器融合方面的应用，并且在可靠性、响应速度和安全保障能力上显著优于传统游乐设施放行器的案例。未来更进一步，在可持续研究方向可探索研究基于 AI 的智能放行器状态预测应用（如利用 LSTM 网络，进行预测机械疲劳寿命预判及可控化管理），并探索与游乐设施主控系统的实时传导信号控制（如 CAN 总线协议），实现放行器全流程智能化安全管理模态，以最大化降低管控维护成本。

参考文献：

[1] GB 8408-2018, 大型游乐设施安全规范 [S]. 北京 : 中国标准出版社 ,2018.

[2] 李阳, 等. 大型过山车安全压杆的有限元分析与优化[J]. 机械工程学报 , 2020, 56(12): 189-196.