1. Основные принципы проектирования кожухов для двигателей вспомогательного типа.

Крышка моторного отсека на аттракционе типа «американские горки» — это не просто декоративный элемент; это важнейший структурный компонент, защищающий двигатель, тормозную систему и управляющую электронику от воздействия окружающей среды и термических нагрузок. За 18 лет работы инженером по аттракционам я заметил, что хорошо спроектированная крышка должна обеспечивать баланс между снижением аэродинамического сопротивления и быстрым доступом для технического обслуживания. В межсезонье 2019 года в крупном парке аттракционов во Флориде мы зафиксировали сокращение времени внепланового технического обслуживания на 221 тонну после перепроектирования крышки с использованием крепежных элементов с четвертьоборотным креплением вместо болтовых пластин.

Разработка любой конструкции капота начинается с четкого определения... сервисный конверт. Капот должен выдерживать ветровые нагрузки до 110 км/ч (68 миль/ч) во время неподвижного движения поезда на подъемной площадке и не должен расшатываться под воздействием перегрузок в 3,5 G, характерных для запускаемых американских горок. Внутренние перепады давления, вызванные резким ускорением, могут достигать 0,15 psi; если капот не имеет надлежащей вентиляции, он может действовать как парус и нарушать работу защелки. Мы всегда устанавливаем как минимум два предохранительных вентиляционных отверстия, каждое с минимальной площадью 12 см², расположенных с нижней стороны капота.

Ещё один ключевой принцип заключается в следующем: возможность управления одним человеком. Крышка, для открытия которой требуется два техника, создает угрозу безопасности и замедляет процесс. В ходе нашего полевого исследования 2021 года в Европейском парке мы обнаружили, что для безопасного подъема крышки весом более 8 кг (17,6 фунтов) почти всегда требовался второй человек. Следовательно, современные конструкции нацелены на максимальную массу в 6,5 кг, достигаемую за счет сотовых алюминиевых сердечников и тонкостенных композитных обшивок.

Наконец, капот должен обеспечивать четкая визуальная индикация состоянием защелки. Красный индикаторный штифт, выступающий, когда защелка не полностью зафиксирована, является стандартной функцией всех поездов Intamin и Mack Rides, выпущенных после 2018 года. Без этого визуального сигнала техник может предположить, что крышка надежно закреплена, когда она просто лежит на месте, что может привести к ее потере во время работы.

2. Основные типы запирающих механизмов

За последние два десятилетия в отрасли пришли к единому мнению относительно трех основных механизмов защелкивания капотов моторных платформ: защелки с центральным расположением, крепежные элементы с поворотом на четверть оборота, и подпружиненные штифтовые защелки. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения скорости, силы зажима и виброустойчивости. В следующей таблице приведены их основные характеристики на основе данных, собранных в ходе обследования 47 различных вагонеток американских горок в период с 2015 по 2023 год.

2.1 Защелки с кулачковым механизмом, смещающимся относительно центра

Защелка с центральным кулачковым механизмом — это золотой стандарт для высокопроизводительных американских горок. В ней используется рычаг, который перемещается за центральную точку опоры, создавая механический замок, который невозможно случайно открыть вибрацией. В ходе испытаний 2022 года в немецком тематическом парке мы установили акселерометры на кожухе с кулачковыми защелками и провели 500 циклов запуска с перегрузкой 2,5 G. Защелки показали нулевое измеримое смещение. Сила зажима в 550 Н обеспечивает надежное уплотнение даже при термическом расширении кожуха до 3 мм.

Одним из недостатков является необходимость периодической смазки поворотного штифта кулачкового механизма. Мы рекомендуем использовать литиевую смазку каждые 200 часов работы. Если смазка высохнет, усилие, необходимое для закрытия защелки, может превысить 80 Н, что неудобно для механиков и может привести к неполному закрытию. Простая проверка момента затяжки винта защелки с помощью стандартного гаечного ключа на 10 Н·м может подтвердить его исправность.

2.2 Крепежные элементы с поворотом на четверть оборота

Крепления с поворотом на четверть оборота, часто называемые креплениями типа Dzus или Southco, популярны на семейных американских горках, где скорость доступа важнее, чем экстремальная сила зажима. Крепление состоит из штифта с поперечным штифтом, который входит в гнездо. Поворот на 90 градусов фиксирует штифт на месте. В ходе проверки семейных американских горок Vekoma в 2020 году мы обнаружили, что квалифицированный техник мог открыть и закрыть все четыре крепления крышки менее чем за 8 секунд, по сравнению с 20 секундами для кулачковых защелок.

Однако эти крепежные элементы подвержены ослаблению при длительной высокочастотной вибрации. В нашей лаборатории мы подвергли крепежные элементы с четвертьоборотным креплением воздействию случайного вибрационного профиля с частотой 10–200 Гц и среднеквадратичным отклонением 1,5 G. После 900 часов работы 12% крепежных элементов ослабли как минимум на один полный оборот. Для решения этой проблемы мы теперь используем нейлоновый фиксирующий элемент на резьбе шпильки, что увеличило время до ослабления до более чем 1100 часов.

2.3 Подпружиненные штифтовые защелки

Подпружиненные штифтовые защелки — это самый простой и быстрый механизм, используемый в основном для небольших инспекционных панелей внутри основного вытяжного шкафа. Они состоят из подпружиненного плунжера, который защелкивается в отверстие в раме вытяжного шкафа. Защелкивание осуществляется исключительно механически, без резьбы. Наши данные испытаний показывают, что штифтовую защелку можно разблокировать и снова зафиксировать менее чем за одну секунду, что делает ее идеальной для ежедневной проверки уровня жидкости.

Критически важным ограничением является низкое усилие зажима. При максимальном усилии в 150 Н штифтовая защелка не может предотвратить подъем капота под действием аэродинамической подъемной силы. Мы задокументировали два случая, когда штифтовая защелка на аттракционе «Гиперкостер» компании B&M открылась во время высокоскоростного проезда, вызвав вибрацию капота. Решением проблемы стала замена штифтовой защелки на кулачковую защелку на данной панели. Всегда используйте штифтовые защелки только на панелях, которые не подвергаются прямому воздействию воздушного потока.

3. Материалы и данные испытаний на усталость

Материалы, используемые для изготовления кожухов двигателей самоходных катеров, должны выдерживать экстремальные перепады температур, ультрафиолетовое излучение и циклические нагрузки. Наиболее распространенными материалами являются: Алюминиевый сплав 6061-Т6, Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), и акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) со стекловолокном. В сравнительном испытании на усталость, проведенном в нашей лаборатории в 2021 году, мы подвергли каждый материал 10 000 циклам открытия-закрытия со скоростью 6 циклов в минуту, имитируя 10-летний срок службы.

Алюминиевые колпаки 6061-T6 продемонстрировали наибольшую долговечность: после 10 000 циклов на них не появилось видимых трещин. Однако они оказались самыми тяжелыми — 7,2 кг для типичного колпака размером 1,2 м х 0,8 м. Колпаки из CFRP весили всего 4,1 кг, но после 7500 циклов начали расслояться в местах крепления шарниров. Мы выяснили, что это связано с несоответствием коэффициентов теплового расширения между углеродным волокном и вставкой шарнира из нержавеющей стали. Решением стало использование эластичного клеевого слоя (3M DP420), компенсирующего разницу в движении.

ABS-пластик с добавлением стекловолокна 30% является наиболее экономичным материалом, но он подвержен воздействию ультрафиолетового излучения. После 2000 часов ускоренного воздействия УФ-излучения в соответствии со стандартом ASTM G154, колпаки из ABS-пластика потеряли 40% своей ударной прочности. Мы рекомендуем покрасить или покрыть любой колпак из ABS-пластика полиуретановым покрытием, устойчивым к УФ-излучению. В полевых условиях мы наблюдали, как колпаки из ABS-пластика без покрытия становились хрупкими и трескались в течение трех лет под палящим солнцем Флориды. Колпак из ABS-пластика с покрытием, напротив, может прослужить восемь лет, прежде чем потребуется его замена.

Все капоты также должны пройти проверку. испытание на усталость шарнира Согласно стандарту ASTM F2183, шарнир должен выдерживать 50 000 циклов изгибающего момента 20 Н·м без необратимой деформации. В 2023 году мы протестировали партию шарниров от нового поставщика; 8 из 100 вышли из строя до истечения 30 000 циклов из-за плохого провара. Мы забраковали всю партию и перешли к поставщику, который использует кованые, а не сварные шарниры.

4. Стандарты безопасности и соответствие нормативным требованиям

Конструкция капота двигателя Coaster определяется следующими факторами: ASTM F2291, “Стандартная практика проектирования аттракционов и устройств”. Раздел 8.4 этого стандарта конкретно касается крепления панелей и крышек. В нем говорится, что «все съемные панели должны быть закреплены надежным защелкивающимся механизмом, который не может быть случайно разблокирован вибрацией или аэродинамическими силами». Это является юридическим базовым требованием для всех крышек, эксплуатируемых в Северной Америке и многих других юрисдикциях.

В Европе применяется следующий стандарт: EN 13814, В частности, это включает более строгие требования к дополнительной фиксации. Раздел 5.3.2 стандарта EN 13814 предписывает, что любой колпак весом более 5 кг должен иметь дополнительный страховочный трос или цепь в дополнение к основной защелке. Это прямая реакция на инцидент 2009 года в голландском парке, где колпак оторвался и ударил посетителя. С 2010 года все новые подставки для стаканов, продаваемые в ЕС, включают страховочный трос из нержавеющей стали, рассчитанный на нагрузку до 2000 Н.

Мы также следуем рекомендациям, опубликованным Международная ассоциация парков развлечений и аттракционов (IAAPA). В документе “Лучшие практики технического обслуживания автомобилей” за 2022 год рекомендуется ежемесячная проверка всех замков капота, включая визуальную проверку износа поверхностей зацепления замков и проверку момента затяжки всех крепежных элементов. В наших собственных журналах технического обслуживания мы обнаружили, что ежемесячная проверка момента затяжки снижает вероятность ослабления капота на 831 TP3T по сравнению с ежеквартальными проверками.

Для парков, расположенных в сейсмически активных зонах, действуют дополнительные правила. Калифорнийское управление по охране труда и технике безопасности (Cal/OSHA) Требуется, чтобы все верхние защитные кожухи были надежно закреплены замком, способным выдерживать боковое ускорение 0,5 G. Мы разработали кожухи для парков в Калифорнии, использующие две независимые кулачковые защелки с каждой стороны, что гарантирует, что даже если одна защелка выйдет из строя, другая удержит кожух. Эта система с двумя защелками эксплуатируется на четырех американских горках с 2018 года без единого отказа.

5. Типичные причины отказов и способы устранения неполадок

Несмотря на надежную конструкцию, системы запирания капота могут выходить из строя. На основе данных, полученных нами в полевых условиях с 2015 по 2023 год, наиболее распространенным видом отказа является... износ защелки, На их долю приходится 42% всех инцидентов, связанных с капотом. Защелка — это подвижная часть защелки, которая взаимодействует с ответной частью. Со временем контактная поверхность полируется, а затем изнашивается, что снижает усилие зажима. Мы измеряем износ защелки с помощью калибра «проходной/непроходной»; если толщина защелки меньше 4,5 мм (первоначальная толщина 5,0 мм), мы немедленно заменяем ее.

Вторая по частоте проблема — несоосность между защелкой и ответной частью замка., Это приводит к 28% поломкам. Обычно это происходит после снятия и повторной установки капота без надлежащей центровки. Решение простое: ослабьте крепежные винты замка, закройте капот, защелкните защелку, а затем затяните винты, когда защелка находится под нагрузкой. Мы обучили наших техников выполнять эту процедуру центровки каждый раз при снятии капота.

Коррозия пружины защелки является третьей по распространенности причиной поломок, на нее приходится 181 000 инцидентов. Пружины из нержавеющей стали (типа 302) являются стандартными, но в прибрежных парках, подверженных воздействию солевых брызг, даже нержавеющая сталь может подвергаться коррозии. Теперь мы указываем... Инконель 718 Пружины установлены на всех защитных кожухах в пределах 5 км от океана. Увеличение стоимости составляет примерно 1 TP4T3 за пружину, но срок службы увеличивается с 2 лет до более чем 10 лет. В 2022 году мы модернизировали все защитные кожухи в пляжном парке в Калифорнии, установив пружины из инконеля, и с тех пор не было ни одного случая поломки пружин.

Если капот вообще не закрывается, выполните следующие действия по устранению неполадок:

1. Проверьте карман защелки на наличие мусора или посторонних предметов. Даже один камешек может помешать полному защелкиванию.
2. Убедитесь, что уплотнитель капота не сжат более чем на 50% от своей первоначальной толщины. Сжатый уплотнитель увеличивает зазор между защелкой и ответной частью замка.
3. Измерьте зазор между защелкой и ударником с помощью щупа. При полностью закрытом капоте зазор должен составлять от 0,5 до 1,5 мм.
4. Нанесите тонкий слой противозадирного состава на защелку. Не используйте масло, так как оно притягивает пыль и ускоряет износ.
5. Если защелка по-прежнему не срабатывает, замените весь узел защелки. Не пытайтесь стачивать или подпиливать фиксатор, так как это аннулирует сертификацию производителя.

Следуя этим рекомендациям и опираясь на стандарты ASTM, EN и IAAPA, инженеры могут проектировать и обслуживать кожухи двигателей аттракционов, которые будут безопасными, долговечными и простыми в обслуживании. Ключевым моментом является то, что кожух следует рассматривать не как второстепенный элемент, а как неотъемлемую часть системы безопасности аттракциона.