姜 洋 尼瑪扎西 李加申

（1.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所 拉薩 850000）

1 研究背景

觀光塔是由鋼絲繩吊掛乘人吊艙，沿垂直地面方向上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一類游樂設(shè)備。一般每個(gè)座艙可承載乘客4～6人，游客在乘坐過程中可體驗(yàn)登高遠(yuǎn)望及上下運(yùn)動(dòng)過程中加速度變化帶來的刺激感。該設(shè)備屬于飛行塔類游樂設(shè)施，其結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 觀光塔類游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理圖

據(jù)筆者調(diào)查在國內(nèi)外曾多次發(fā)生過座艙墜地導(dǎo)致乘客受傷的事故。朝陽公園、太原迎澤公園觀光塔座艙與地面碰撞造成乘客腿部與腰椎不同程度受傷，日本熊本縣一游樂園的該類設(shè)備也發(fā)生了座艙與地面碰撞導(dǎo)致4名乘客受傷的嚴(yán)重事故。事故設(shè)備照片見圖2。

圖2 事故設(shè)備照片

為避免同類事故的發(fā)生，對(duì)此類事故的原因研究是有必要的，本文主要分析該類事故的發(fā)生原因、解決對(duì)策及檢驗(yàn)過程中應(yīng)該注意的重點(diǎn)。

2 座艙墜地主要失效模式分析

觀光塔的運(yùn)行概要如圖3所示，座艙首先加速運(yùn)行一段時(shí)間達(dá)到規(guī)定速度后保持勻速運(yùn)行，達(dá)到減速點(diǎn)后減速上升最后停止于設(shè)備端部停止點(diǎn)，然后開始下降并在某一位置減速下降，最后停止于設(shè)備底部。一般此類循環(huán)會(huì)根據(jù)游樂時(shí)間反復(fù)幾次。設(shè)計(jì)人員往往會(huì)根據(jù)乘客乘坐的最佳感覺設(shè)置設(shè)備運(yùn)行的最佳速度曲線。實(shí)現(xiàn)這一控制功能的手法目前主要采用PLC與交流電機(jī)變頻器邏輯控制曳引電機(jī)的方法。

圖3 觀光塔類游樂設(shè)施運(yùn)行概要圖

根據(jù)以往事故案例分析觀光塔類游樂設(shè)施發(fā)生座艙墜地的原因主要有以下兩種。第一種是由于控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致座艙在應(yīng)該減速時(shí)并未有效減速，導(dǎo)致座艙到達(dá)停止位置時(shí)依然保持較高的初速度，座艙會(huì)在這種情況下與地面發(fā)生碰撞導(dǎo)致游客傷亡。第二種是控制系統(tǒng)工作正常但是執(zhí)行制動(dòng)功能的機(jī)械或電氣部件失效，導(dǎo)致無法有效對(duì)座艙進(jìn)行減速導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。以下筆者分別針對(duì)以上兩種失效模式進(jìn)行具體的分析。

發(fā)生在朝陽公園的觀光塔墜地事故的原因是，當(dāng)時(shí)設(shè)備當(dāng)中設(shè)置了一個(gè)減速用接近開關(guān)，當(dāng)座艙到達(dá)減速位置時(shí)觸發(fā)減速開關(guān)動(dòng)作，PLC識(shí)別減速信號(hào)后命令變頻器執(zhí)行電機(jī)減速程序。但由于設(shè)備往復(fù)運(yùn)行過程中鋼絲繩張緊及載荷條件出現(xiàn)變化，傳感器擋板相對(duì)于傳感器感應(yīng)面產(chǎn)生部分間隙。導(dǎo)致感應(yīng)板通過接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)未被觸發(fā)，座艙通過減速段后依然高速下降最終導(dǎo)致座艙墜地事故發(fā)生。

發(fā)生在日本熊本縣的另一起觀光塔座艙墜地的原因則是由于實(shí)施減速制動(dòng)的變頻器內(nèi)部電容老化，導(dǎo)致制動(dòng)力不足而最終發(fā)生了座艙墜地事故［1］。目前依據(jù)我國部分游樂設(shè)施使用單位經(jīng)驗(yàn)，采用變頻控制的游樂設(shè)施變頻器的使用年限大致為10年左右，這是由于內(nèi)置電容往往由于頻繁的充放電會(huì)造成電容內(nèi)電解質(zhì)下降而容量降低。一般情況下工作溫度越高，變頻器內(nèi)置電容的損耗越大。

圖4 變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電容老化的直接影響是導(dǎo)致變頻器直流母線的輸出電壓降低。當(dāng)座艙進(jìn)入減速下降區(qū)段時(shí)變頻器會(huì)承受減速所需的回生電壓，由于變頻器往往都帶有回生電力過壓保護(hù)功能，在回生電壓大于母線電壓時(shí)變頻器會(huì)采取通過控制輸出頻率而實(shí)現(xiàn)抑制回生電力的方法避免過電壓的影響。但這一動(dòng)作則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間加長，使用座艙總載荷越大減速制動(dòng)時(shí)間會(huì)隨之變長，當(dāng)電容老化程度越高則直流母線電壓下降越大，如果與超載現(xiàn)象疊加則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間過長，在座艙進(jìn)入停止位時(shí)依然沒有實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)從而導(dǎo)致座艙墜地事故的發(fā)生。

3 解決方案

為防止第一類事故的發(fā)生要考慮避免傳感器漏檢的方法，如增加控制系統(tǒng)冗余措施與提高使用電器件的可靠性等級(jí)。如在圖1中的驅(qū)動(dòng)滾輪處加裝可靠性高的安全編碼器，實(shí)時(shí)檢測(cè)座艙的位置與運(yùn)行速度。同時(shí)還可以增設(shè)一處冗余用減速位置傳感器，兩套檢測(cè)裝置相互比較可以提高安全性。并在控制程序中設(shè)置安全聯(lián)鎖程序，實(shí)時(shí)掃查座艙的位置與速度。在檢測(cè)到減速無效或下降超速時(shí)，立即觸發(fā)圖1中驅(qū)動(dòng)裝置的制動(dòng)器，起動(dòng)緊急停止功能防止座艙墜地事故發(fā)生。通過這一措施可以將控制系統(tǒng)的安全性能等級(jí)如圖5所示。

圖5 變更前后的回路構(gòu)架類別變化

同時(shí)在進(jìn)行輸入、邏輯與輸出器件選型時(shí)，可依據(jù)ISO 13849-1.2006標(biāo)準(zhǔn)，選取平均診斷范圍中級(jí)以及平均無危險(xiǎn)故障時(shí)間中級(jí)以上的器件，可以有效防止由于控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致墜地事故的發(fā)生。

其次為防止由于變頻器內(nèi)置電容降低導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間變長的隱患，可采取使用能顯示變頻器內(nèi)置電容容量，以及可顯示累計(jì)使用時(shí)間的新型變頻器。且將直流母線低壓報(bào)警與PLC通訊直接連接，如設(shè)置直流母線低壓報(bào)警則停止設(shè)備運(yùn)行的連鎖功能。并在日常的自檢過程中對(duì)電氣設(shè)備加大檢驗(yàn)頻度，并采取有效的變頻器散熱措施以延長變頻器內(nèi)置內(nèi)容的使用壽命。使用過程中嚴(yán)格控制乘客的合計(jì)重量不能超過額定載荷的有效方法。此外，在設(shè)計(jì)過程中考慮到變頻器電容老化功能降低的情況，在設(shè)計(jì)選型階段適當(dāng)加大變頻器的容量選擇，以提高使用年限。

4 總結(jié)

基于以上分析，合理增加觀光塔類設(shè)備制動(dòng)減速控制系統(tǒng)的安全性能等級(jí)，以及在設(shè)計(jì)鑒定以及使用階段考慮到由于變頻器內(nèi)置電容老化帶來的制動(dòng)時(shí)間延長問題，可有效降低觀光塔類游樂設(shè)施座艙發(fā)生墜地事故的概率。期望本文能對(duì)觀光塔類游樂設(shè)施的設(shè)計(jì)、維護(hù)、檢驗(yàn)單位起到一定的參考作用。

［1］ 向殿政男.熊本縣內(nèi)觀光塔事故報(bào)告[EB/OL].日本東京：社會(huì)資本審議會(huì)升降機(jī)等事故調(diào)查委員會(huì).2014，（引用日期2016年12月16日）.

［2］宋偉科，林偉明，郭俊杰.大型游樂設(shè)施典型案列[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

［3］李加申，李海庭，柴彬.日本大型游樂設(shè)施安全管理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2016.

［4］付恒生，林明，梁朝虎.大型游樂設(shè)施設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2 015.