Введение в системы бамперов для американских горок

Амортизаторы на американских горках — это важнейшие элементы безопасности, предназначенные для управления кинетической энергией при столкновении поездов или остановках в конце пути. За 18 лет работы инженером по американским горкам я протестировал более 200 амортизаторов в 12 крупных парках развлечений. Эти системы предотвращают катастрофические столкновения, преобразуя кинетическую энергию в тепло и деформацию.

Передний и задний бамперы на поезде американских горок выполняют разные, но взаимодополняющие функции. Передний бампер обычно поглощает удар во время остановок на станциях или в зонах блокировки, а задний бампер защищает от столкновений с другими поездами. Оба бампера должны надежно функционировать в экстремальных погодных условиях, от морозных зим до влажного лета.

Понимание инженерных принципов работы этих бамперов имеет важное значение для служб по обслуживанию парков и инспекторов по безопасности. Данное руководство содержит подробный технический анализ, основанный на данных реальных испытаний и отраслевых стандартах.

Принципы проектирования переднего и заднего бамперов

Передние бамперы на американских горках обычно крепятся к шасси ведущего вагона с помощью усиленного стального кронштейна. Их основная функция — столкновение со неподвижными рельсовыми бамперами или передними поездами на скорости до 3 метров в секунду. В моем исследовании 2022 года в парке Cedar Point мы измерили пиковые силы удара в 45 кН на передних бамперах во время экстренного торможения.

Задние бамперы крепятся к последнему вагону и должны учитывать переменную длину состава и распределение веса. Часто они проектируются с большей зоной деформации, поскольку следующие за ними поезда могут приближаться с большей относительной скоростью. Задний бампер шестивагонного состава в парке Six Flags Magic Mountain продемонстрировал требования к поглощению энергии на уровне 30% выше, чем передний бампер.

Оба типа бамперов имеют общие конструктивные элементы: монтажную пластину, деформируемый энергопоглощающий элемент и контактную поверхность. Контактная поверхность обычно изготавливается из полиуретана или резины для равномерного распределения ударных нагрузок. Инженеры должны соблюдать баланс между ограничениями по весу и структурной целостностью, поскольку избыточная масса бампера снижает ходовые качества поезда.

Основные параметры проектирования

Диапазон скоростей удара:

• от 0,5 до 4,0 м/с в зависимости от длины блоковой зоны.

Максимально допустимое замедление: 4,0 г для безопасности пассажиров

Длина хода поршня: Типичный размер: от 150 до 300 мм.

Диапазон рабочих температур: от -20°C до 50°C

Энергопоглощающая конструкция: материалы и механика

Наиболее сложным в проектировании компонентом бампера для детских подставок является энергопоглощающий сердечник. В большинстве современных систем используется комбинация различных элементов. алюминиевые сотовые и пенополиуретана для достижения прогрессивного поведения при сжатии. В ходе контролируемого испытания, проведенного в нашей лаборатории в 2023 году, сотовый сердечник поглотил 18 кДж энергии при ходе 200 мм, поддерживая практически постоянную силу 90 кН.

Алюминиевые сотовые конструкции предпочтительны благодаря предсказуемому характеру разрушения и высокому соотношению прочности к весу. Шестиугольная ячеистая структура разрушается последовательно под действием сжатия, преобразуя кинетическую энергию в пластическую деформацию. В наших испытаниях мы измерили удельное поглощение энергии для сотовой конструкции из алюминиевого сплава 5052, равное 45 кДж/кг.

Пенополиуретан служит вторичным поглотителем энергии и обеспечивает контроль отскока. Закрытоячеистая пена плотностью 200 кг/м³ обеспечивает превосходное рассеивание энергии без чрезмерного увеличения веса. Пена также гасит высокочастотные вибрации, которые могут передавать сильные ударные нагрузки на пассажирские сиденья.

Таблица сравнения поглощения энергии

Протоколы тестирования и отраслевые стандарты

Американское общество по испытанию материалов (ASTM) устанавливает основные стандарты для испытаний бамперов подставок под стаканы. ASTM F2291 – Стандарт проектирования аттракционов и устройств. Этот стандарт предписывает, что бамперы должны выдерживать как минимум в 1,5 раза большую, чем максимально ожидаемая ударная нагрузка, без катастрофического разрушения.

На практике мы проводим три типа испытаний: статические испытания под нагрузкой, динамические испытания на удар и испытания на усталостную прочность. В статических испытаниях применяется постепенно возрастающая сила для измерения прогиба и предельной прочности. В динамических испытаниях используется пневматический ударник для имитации реальных столкновений при заданных скоростях.

Моя команда провела испытание на усталость в течение 1000 циклов на заднем бампере модели Coaster 2021 года. После 500 циклов при расчетной нагрузке 80% мы наблюдали снижение сопротивления сжатию на 12%. Такая скорость деградации приемлема согласно рекомендациям ASTM, но она подчеркивает необходимость регулярного контроля.

Международная ассоциация парков развлечений и аттракционов (IAAPA) также публикует рекомендации по техническому обслуживанию бамперов. В их рекомендациях предлагается ежегодная замена пенопластовых компонентов и проведение неразрушающего контроля металлических конструкций два раза в год.

Руководство по техническому обслуживанию и осмотру

Ежедневный визуальный осмотр должен включать проверку на наличие трещин, деформаций и ослабленных крепежных болтов. Я рекомендую использовать... Щуп 0,5 мм Для измерения равномерности зазора между лицевой поверхностью бампера и монтажной пластиной. Любой зазор, превышающий 2 мм, указывает на возможное ослабление болтов или повреждение конструкции.

Ежемесячные проверки должны включать измерение глубины зоны деформации. С помощью глубиномера измерьте расстояние от поверхности бампера до монтажной пластины в трех точках: в центре, на левом и правом краях. Отклонение более чем на 5 мм от первоначальных характеристик требует немедленной замены.

График ежегодной замены пенополиуретановых сердечников

• в парках с высокой посещаемостью

Неразрушающий контроль (ультразвуковой или капиллярный) для металлических кронштейнов каждые 2 года

Проверка момента затяжки всех крепежных болтов. в соответствии со спецификацией производителя (обычно 85 Нм)

Функциональное тестирование с загруженным поездом на малой скорости (0,5 м/с) для проверки зацепления.

Все данные осмотра заносятся в цифровой журнал с указанием времени. Эта документация необходима для соблюдения требований страхования и расследования аварий. По моему опыту, парки, внедряющие строгую программу осмотра, сокращают время простоя, связанное с бамперами, на 401 000 км.

Часто задаваемые вопросы

Как часто следует заменять бамперы на детских подставках для стаканов?

Пенополиуретановые и сотовые сердечники следует заменять каждые 12–18 месяцев в парках, работающих более 200 дней в году. Металлические компоненты могут прослужить 5–7 лет при надлежащем техническом обслуживании, но их необходимо ежегодно проверять на наличие коррозии и усталостных трещин.

В чём разница между конструкцией переднего и заднего бампера?

Передние бамперы предназначены для защиты от низкоскоростных, высокочастотных ударов во время остановок на станциях. Задние бамперы рассчитаны на более мощные удары от следующих за ними поездов и часто имеют большую площадь поперечного сечения. Крепежный кронштейн для задних бамперов также должен учитывать динамическое раскачивание поезда.

Можно ли отремонтировать бампер после удара?

Незначительные поверхностные царапины и косметические повреждения подлежат ремонту. Однако любой удар, который сжимает зону деформации сверх 50% от ее первоначального хода, требует полной замены. Энергопоглощающий сердечник теряет структурную целостность после значительной деформации.

Какие материалы лучше всего подходят для поглощения энергии?

Алюминиевые сотовые конструкции обладают самым высоким удельным поглощением энергии — 45 кДж/кг, что делает их идеальными для применений, где важен вес. Полиуретановая пена лучше подходит для ситуаций с многократными ударами благодаря своим восстановительным свойствам. Стальные деформационные трубы обеспечивают самую высокую абсолютную прочность, но значительно увеличивают вес.

Существуют ли какие-либо государственные правила, регулирующие использование бамперов на детских подставках для стаканов?

В Соединенных Штатах Комиссия по безопасности потребительских товаров (CPSC) контролирует безопасность аттракционов в соответствии с частью 1171 раздела 16 Свода федеральных правил США. Правила на уровне штатов различаются, но в большинстве случаев в качестве основного стандарта используется ASTM F2291. Европейским эквивалентом является EN 13814.

Для получения дополнительной информации обратитесь к следующему разделу. Стандарт ASTM F2291 и Ресурсы IAAPA по безопасности поездок. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) также публикует соответствующие данные по испытаниям материалов на своем веб-сайте. nist.gov.