《装备维修技术》2021年第10期
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研发
司志强
（上海合昊机电科技有限公司，上海 嘉定 201801）
引言
近年来随着游乐行业的蓬勃发展，场景故事线的综合性沉浸式娱乐体验项目由于其得天独厚的优势，加之结合了复杂的机械设备、智能控制、影音和特效等多种手段，已经受到越来越多的主题乐园投资商和中青少观众的认可和追捧。这其中，动感模拟座舱是许多大型主题乐园景点项目采纳的一种基于运动平台的封闭舱式项目娱乐形式。它由最初简单驾驶模拟舱形式已逐渐发展成为复杂的多自由度舱体与多媒体影音内容和环境包装相结合的沉浸式综合体验项目。
本文主要研究和阐述的是作者独自设计开发的某滨海科技馆”镇馆项目~宇宙漫游”沉浸式六自由度动感座舱乘骑设备。
1 六自由度动感座舱乘骑设备的组成和设计参数
1.1 六自由度动感座舱乘骑设备的组成
此设备由①座舱本体系统、②底座及六自由度运动平台系统、③登机廊桥系统、④控制台总控系统、⑤底座防护罩系统、⑥设备防护栏系统、⑦灯光、影音、特效、监控系统、等七大系统组成。 1.2 整体设备的运动设计参数如下表 表一 设备运动参数表
名称
六自由度运动平台运动性能指标 （1）有效载荷：4500kg。
（2）运动参数：
姿态
位移 速度 加速度
俯仰（α） ±14° ±15°/s 60°/s 2 滚转（β） ±14° ±15°/s 60°/s 2 偏航（γ） ±14° ±15°/s 60°/s 2 侧向位移(x) ±290mm 160mm/s 0.2g 纵向位移(y) ±310mm 160mm/s 0.2g 主要技术指标
垂直升降(z）
±295mm
240mm/s
0.25g
（1）系统响应频率：0.0HZ～20HZ。装机总功率：36KW，输入电压三相380V 其他技术指标
（2）防护等级：IP54
2 座舱的机构设计和有限元分析
2.1 座舱的机构组成
座舱由座舱骨架、外饰、内饰、座椅、投影和荧幕、排风系统、灯光、音响和监控系统等组成。
2.2 座舱的有限元分析 2.2.1结构设计描述
该座舱与底座平台采用空间板梁结构，具有重量轻、用料省、刚度大等优点。座舱采用框架式焊接结构设计，构造简单、制作方便，受力情况优良。在不同工作状态下，由于油缸长度的布置
不同，会导致油缸与底座平台连接位置载荷不同，这将影响座舱和底座平台进行刚强度校核时的载荷。因此，在进行座舱与底座平台强度校核之前，需要首先获取不同工作状态下，座舱与底座在油缸
连接位置的输入载荷。
考虑到娱乐体验设备因故事性和场景性导致的不可复制特性，加之设备原理性、结构性非常复杂，故而采用多体动力学仿真来获取油缸与座舱和底座平台连接位置的负载，作为座舱和底座有限元分析的输入条件。
2.2.2多体动力学模型建立
涂料用润湿分散剂多体动力学仿真一般以获取运动副负载为目的，因此对于各个零件一般以钢体考虑，若需要考虑在钢体运动过程中零部件强度的实时变化，亦可以将零部件以柔性体处理。
座舱、底座及油缸多体动力学建模主要有以下注意点： （1）座舱和底座使用柔性体建模；
（2）座舱和底座之间通过油缸连接、支撑；
（3）油缸与座舱、底座通过转动副连接，油缸本身存在移动副；
（4）成员座椅以质点描述，与上平台固定连接； （5）考虑重力作用效果。
以下为6个油缸位置示意图，为了加以区分，图中以M1-M6进行区分。为了一次性获取所有工作状态下的运动负载，将12个运动状态进行连续仿真24s，油缸仿真时间与位移量曲线如下。
图一 -油缸位置示意图
工装设计
消防演习
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图二 -6个油缸 仿真时间 vs.位移量 曲线
其中，时间对应为1s，3s，5s，7s，9s，11s，13s，15s，17s，19s，21s，23s，分别对应12个运动极限姿态。
2.2.3多体动力学仿真结果
多体动力学12个运动工况为：3个平移自由度的平移极限工况以及3个旋转自由度的旋转极限工况，在各极限状态下，提取M1-M6油缸与上下平台接附位置的载荷，用于座舱和底座的强度校核。
2.2.4座舱的强度校核 ①有限元模型的建立如下表:
表二 座舱建模参数表
座舱有限元模型
座舱
座舱采用Shell 单元，单元基准长度20mm；焊缝采用节点协调方式模拟；螺栓连接采用两端RBE2 Spider，中间RBE2的方式模拟；
单元总数为170330个，其中三角形单元数量小于1%。
②主要材料特性如下表：
表三 材料属性表
部件 材料 弹性模量（N/mm 2
）
泊松比 密度(t/mm 3
) 座舱、底座
Q235B
210000
0.3
7.85E-09
③座舱工况与边界条件描述
座舱与六个油缸连接位置为座舱载荷来源，根据多体动力学仿真提取的载荷，对座舱有限元模型进行12个姿态载荷的施加，共12个工况。加载位置包含M1-M6六个油缸与座舱铰接位置以及座椅与座舱固接位置，示意图见下方。由于座舱在12个姿态运动过程中只有载荷，没有约束条件，固仿真过程中使用惯性释放工况。
图三-座舱有限元建模
④座舱分析结果：
12种极限姿态下座舱的刚度、强度校核表如下：
表四 12种极限状态下的座舱的最大应力应变表
工况
最大变形(mm)
最大应力(Mpa)
第一自由度下移295mm 0.477 29.89 第一自由度上移295mm 0.476 27.65 第二自由度后移310mm 0.474 32.57 第二自由度前移310mm 0.477 29.28 第三自由度左移290mm 0.477 34.52 第三自由度右移290mm
0.477
34.55
第四自由度左摆14° 0.476 31.76 第四自由度右摆14°
0.676
31.79 第五自由度左上右下摆14° 0.481 33.59 第五自由度左下右上摆14° 0.482 33.62
第六自由度后上前下摆14°
0.660 38.79 第六自由度后下前上摆14°
0.541
31.63
3 底座的机构设计和有限元分析
3.1 底座的机构组成
底座由底座和六自由度电缸平台组成，其中底座为板材拼接的大框架焊接结构，对整个座舱起到稳定支撑作用。底座再通过化学螺栓和楼板或地面连接固定，从而保证座舱在运动过程中稳定和安全。
3.2 底座的强度校核
3.2.1 底座的有限元建模如下表
表五 底座建模参数表
底座有限元模型
底座
底座采用Shell 单元，单元
基准长度20mm ；焊缝采用节点协调方式模拟；螺栓连接采用两端RBE2 Spider ，中间RBE2的方式模拟；
单元总数为149941 个，其中三角形单元数量小于1%。
3.2.2 座舱工况与边界条件描述
底座与六个油缸连接位置为底座载荷来源，根据多体动力学仿真提取的载荷，对底座有限元模型进行12个极限姿态载荷的施
加，共12个工况，加载位置与方式示意图见下方。
图四 底座加载方式示意图
3.2.3 底座分析结果
12种极限姿态下底座的刚度、强度校核表如下：
表五 12种极限状态下的底座的最大应力应变表
工况
最大变形(mm)
最大应力(Mpa)
第一自由度下移295mm 0.851 44.71 第一自由度上移295mm 0.971 56.79 第二自由度后移310mm 0.736 54.46 第二自由度前移310mm
扇贝笼
1.144 76.01 第三自由度左移290mm 1.374 84.56 第三自由度右移290mm 1.260 77.76 第四自由度左摆14° 0.982 64.05 第四自由度右摆14° 0.920 61.20 第五自由度左上右下摆14° 0.899 55.16 第五自由度左下右上摆14° 0.913 5
2.12 第六自由度后上前下摆14° 0.922 48.44 第六自由度后下前上摆14°
0.895
56.04
4 结论
通过以上分析可知，各种工况下座舱和底座的最大变形和最大应力见表四与表五。零部件进行应力计算，材料极限应力与其
（下转第109页）
《装备维修技术》2021年第10期罗口袜
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图6 故障录波波形图 Tab.6 Fault oscillogram
BI 采集到的信号常为1。
3.1.6 更改保护装置BI 设置参数，在采集信号后加一个滤波时间100ms,BI 脉冲宽度为0及20ms 时，无保护动作信号，当BI 脉冲宽度为100ms
时，有保护动作信号。故障录波波形如下:
图7 故障录波波形图 Tab.7 Fault oscillogram
3.1.7 更改保护装置参数，把滤波时间改为40ms ,BI 脉冲宽度改为0ms，重新做上面试验，无保护动作信号，当BI 脉冲宽度为40ms 时，得到如上图同样的结果。
3.2 试验结论
3.2.1 220VAC 交流电串入220VDC 控制电源回路，会在保护装置BI 开入中产生干扰信号，其最小时长为20ms，随BI 脉冲宽度的变化而变化，一般为脉冲宽度加20ms。
3.2.2 220VAC 交流电串入220VDC 控制电源回路，会在保护装置BI 开入中产生干扰信号，当干扰信号的脉宽大于采集信号后的滤波时间时可导致综保出口动作，断路器跳闸。
当干扰信号的脉宽小于采集信号后的滤波时间时，不会导致综保出口动作。
3.2.3 220VAC 交流电串入220VDC 控制电源回路，产生的干扰信号是离散性的，接一定的规律间歇性置位复位，而正常的保护动作信号则是一个连续的波形，直到信号源发出到信号复归才消失。
3.3 试验建议
3.3.1 在综合保护装置非电量跳闸开入BI 输入端做优化，把
BI 保持脉冲设为20 ms，同时增加滤波功能，其设置时间为150ms。
4 整改方案及间隔设计
4.1整改方案
4.1.1 在综合保护装置非电量跳闸开入BI 输入端做优化，把BI 保持脉冲设为20 ms，同时增加滤波功能，其设置时间为150ms。
4.1.2 更换受损电缆，将电容器组电磁锁由交流电源供电改为直流电源供电，不得采用一根电缆内部既有交流电又有直流电。
旗杆模型4.1.3 规范变电所直流屏运行方式，“两段直流母线+联络开关”的直流屏，正常生产时联络开关应断开，并挂标识牌提醒。
4.1.4 加强职工培训，做好应急事故演练，尤其是变电所失电方面的事故演练，提高职工的应急处置能力。
4.2间隔设计
转轴设计4.2.1 在控制电源与综保之间加装220V DC 转220V DC 隔离
电源模块，使两者互不干扰。如图8
。
图8 间隔设计图 Tab.8 Spacing plan
5 结束语
当交流电串入直流系统时，综合保护继电器等二次设备会承受交流分量与直流分量的叠加值，引起误动作或烧毁。本文分析了220VAC 交流电串入220VDC 控制电源回路中干扰信号对保护装置开入量的影响及其特性，针对此次事件，进行了模拟实验，得出结论并提出整改方案和间隔设计。进一步完善了防范措施[3]，具有一定的实际应用价值，如何将干扰因素杜绝与间隔设计进一步扩展应用还需进一步研究。
参考文献：
[1]GB/T14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京：中国标准出版社,2006.
[2]REF542保护功能手册.厦门ABB 自动化设备有限公司.2003. [3]丁晓兵等.防止交流串入直流导致母线保护误动的措施[J].电力系统保护与控制,2008,36 (22) :97-99.
（上接第102页）
承受的最大应力的比值为安全系数，安全系数n 应满足以下
要求：
式中：
σb 料的极限应力，单位为兆帕(Mpa)； σmax 最大应力，单位为兆帕(Mpa)； [n]安全系数。
已知座舱与底座均采用Q235B，其材料的抗拉极限应力为440Mpa。根据GB8408-2018《大型游乐设施设计安全规范》要求，零件的许用安全系数应大于5，即座舱与底座Q235钢的计算最大
应力应满足下式要求。
根据表四所示，座舱在12个姿态的仿真结果中，应力最大值为38.79Mpa，远小于88Mpa，表明座舱应力安全系数远大于GB8408-2018中的5倍要求；另外座舱最大变形量为0.676mm，亦满足设备钢结构的变形要求。
根据表五所示，底座在12个姿态的仿真结果中，应力最大值为84.56Mpa，小于88Mpa，表明底座应力安全系数大于中的5倍要求；另外底座最大变形量为1.374mm，亦满足设备钢结构的变形要求。
结论表明，该设备结构设计合理，强度与变形量分析结果符合设计技术要求。另外从该设备安装调试后，一年来一直运营正常，是一款广受游客喜爱的娱乐体验项目。
参考文献：
[1]GB 8408-2018 大型游乐设施安全规范.
[2]殷伟荣.机械设备设计研发过程中的问题研究[J].引文版：工程技术，2016（4）：203-203.
[3]高建峰.基于Stewart 结构的六自由度并联稳定平台技术研究[D].济南：山东大学,2018.
[4]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，哈尔滨工业大学.
作者简介：
司志强（1981—），男，河南焦作博爱人，现供职于上海合昊机电科技有限公司，职称：机械工程师（中级），学位：工程硕士，研究方向：机械装备的设计开发。
