趙 強(qiáng) 宋偉科

(中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設(shè)施是指用于經(jīng)營目的，承載乘客游樂的設(shè)施，其范圍規(guī)定為設(shè)計(jì)最大運(yùn)行線速度大于或者等于2 m/s，或者運(yùn)行高度距地面高于或者等于2 m的載人大型游樂設(shè)施[1]。其作為特種設(shè)備的一個(gè)種類，因其較高的社會關(guān)注度，又被稱為“特種設(shè)備中的特種設(shè)備”。截至2020 年底，在用A 級大型游樂設(shè)施2 417 臺（套），其中滑行車類游樂設(shè)施636 臺（套），占A 級大型游樂設(shè)施比重達(dá)26.3%。通過事故分析統(tǒng)計(jì)，滑行車類游樂設(shè)施發(fā)生事故的概率高于其他類游樂設(shè)施，占事故總數(shù)的36%[2]。而滑行車類事故中，安全壓杠失效將直接導(dǎo)致乘客甩出等重大傷害事故，其事故后果往往是無法承受的。因此，安全壓杠及其鎖緊機(jī)構(gòu)是保障滑行車類游樂設(shè)施安全運(yùn)行的重中之重。

1 安全壓杠及工作原理

1.1 壓杠主要型式

安全壓杠是大型游樂設(shè)施中最常用、可靠性較高的一種乘客束縛裝置（如圖1 所示）。設(shè)備依靠安全壓杠壓緊身體來確保游客不會在運(yùn)行過程中被甩出車外，達(dá)到確保游客安全乘坐的目的。安全壓杠的主要型式有壓肩式、壓腿式和壓腹式3 種。為了保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全壓杠不會意外開啟，安全壓杠須設(shè)計(jì)有鎖緊機(jī)構(gòu)。安全壓杠的安全性直接關(guān)系游客的生命安全，也是設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)檢測和維護(hù)保養(yǎng)等工作的重點(diǎn)。

圖1 車體結(jié)構(gòu)圖

1.2 壓杠基本工作原理

大型游樂設(shè)施安全壓杠依靠鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。鎖緊機(jī)構(gòu)的主要型式有棘爪鎖緊、閉式油缸鎖緊等，其中以棘爪鎖緊結(jié)構(gòu)最為常見，其主要部件為棘爪和棘輪。一般情況下，棘爪靠彈簧彈力與棘輪嚙合，使壓杠保持鎖緊狀態(tài)。棘爪通過氣彈簧拉動鋼絲繩與棘輪分離（需克服彈簧彈力），使壓杠保持在打開狀態(tài)。另外，在無外力作用的情況下，棘爪在壓縮彈簧的作用下會保持嚙合的趨勢，使得設(shè)備在運(yùn)行過程中以及棘爪不受外力作用的情況下，安全壓杠不會自行打開。為便于讀者理解，本文以國內(nèi)某臺過山車的安全壓杠為例，對其工作原理進(jìn)行描述。

1.3 壓杠打開工作原理

壓杠打開狀態(tài)如圖2 所示：電動推桿縮回，通過鋼絲繩拉動壓杠轉(zhuǎn)軸，使撥塊撥動棘爪2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，克服彈簧彈力帶動棘爪1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使棘爪1 與棘輪分離，壓杠可自由動作。當(dāng)壓杠往上推到最高位置時(shí)，棘爪2 在壓縮彈簧作用下與棘輪嚙合，使壓杠固定，無法下壓。此時(shí)壓杠處于打開位置，以便乘客上下游樂設(shè)施。

圖2 壓杠打開狀態(tài)

1.4 壓杠鎖緊工作原理

壓杠鎖緊狀態(tài)如圖3 所示：電動推桿伸出，使鋼絲繩松弛。在氣彈簧的推力作用下，撥塊帶動棘爪2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使棘爪1 與棘輪嚙合，壓杠實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，撥塊在氣彈簧作用下保持與棘爪2 接觸。此時(shí)，氣彈簧和壓縮彈簧共同作用，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中壓杠保持閉鎖狀態(tài)。

圖3 壓杠鎖緊狀態(tài)

通過以上分析可以看出，壓杠及其鎖緊裝置中每一個(gè)部件的可靠性都會對壓杠的功能產(chǎn)生影響，因此需要對壓杠鎖緊裝置中的各零部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，以避免零部件失效造成壓杠鎖緊裝置功能不可靠而對游客乘用游樂設(shè)施產(chǎn)生不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

2 安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評估

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8408—2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》中明確規(guī)定了大型游樂設(shè)施在設(shè)計(jì)階段須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估[3]。游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評估的目的是在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)階段盡可能全面識別出有可能對游客造成人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)存在上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)對其進(jìn)行安全評價(jià)。通過信息收集、危險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)控制4 個(gè)過程從設(shè)計(jì)階段完善設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)備安全[4-6]。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評估方法的選擇

風(fēng)險(xiǎn)評估在各行業(yè)中都有較廣泛的應(yīng)用，方法也是多種多樣，按類別主要分為定性分析和定量分析兩大類。不同的風(fēng)險(xiǎn)評估方法針對的分析層面也不相同，合理選擇風(fēng)險(xiǎn)評估方法直接關(guān)系評估結(jié)果的可靠性。目前游樂設(shè)施設(shè)計(jì)制造單位普遍采用的是故障類型和影響分析法（FMEA），本文也采取該方法對安全壓杠的鎖緊機(jī)構(gòu)部位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。失效模式及后果分析FMEA (Failure Mode and Effects Analysis)是在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之前對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防和控制，對安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行危險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)控制，采取措施予以消除或使其處于有效控制之下，該方法目前在游樂設(shè)施設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用較為普遍。

2.2 基于零部件的FMEA

本文主要從設(shè)備的角度出發(fā)，來發(fā)現(xiàn)、評估和化解危險(xiǎn)狀態(tài)，以保證設(shè)備安全，間接保證游客人身安全。它主要是從失效嚴(yán)重度S(Severity)、失效發(fā)生可能性O(shè)(Occurrence)和失效發(fā)現(xiàn)可能性D(Detection)3 個(gè)維度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。根據(jù)滑行車類游樂設(shè)施事故與故障統(tǒng)計(jì)分析情況，設(shè)計(jì)了零部件的失效嚴(yán)重程度積分表（見表1）、失效發(fā)生可能性積分表（見表2）和失效發(fā)現(xiàn)可能性積分表（見表3）。

表1 失效嚴(yán)重程度S 積分表

表2 失效發(fā)生可能性O(shè) 積分表

表3 失效發(fā)現(xiàn)可能性D 積分表

等級積分RPN值為失效發(fā)生的可能性O(shè)、失效嚴(yán)重程度S及失效發(fā)現(xiàn)的可能性D三者之間的乘積，即RPN=失效發(fā)生可能性O(shè)×失效嚴(yán)重程度S×失效發(fā)現(xiàn)可能性D。本文僅利用FMEA 方法對安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，具體內(nèi)容見表4。

表4 安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)FMEA 分析表

2.3 對壓縮彈簧遭受意外沖擊情況的計(jì)算

除了上述對壓杠部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析外，還要考慮運(yùn)動過程中的意外情況。例如：當(dāng)車體處于滑行狀態(tài)時(shí)，若出現(xiàn)氣彈簧失效的情況，由于振動或其他因素導(dǎo)致?lián)軌K繞轉(zhuǎn)軸自由擺動，此時(shí)撥塊存在撞擊棘爪1 的情況，若沖擊力大于棘爪1 壓縮彈簧的彈力，則棘爪1 與棘輪會分離而使壓杠鎖緊失效，若沖擊力小于棘爪1 壓縮彈簧的彈力，則壓杠仍能保持閉鎖狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計(jì)選型，棘爪1 使用的壓縮彈簧在棘爪嚙合時(shí)的彈力為3 N，撥塊質(zhì)量為0.12 kg，撥塊沖擊棘爪1 時(shí)受力如圖4 所示，x方向最大加速度為1.65g，保守計(jì)算取沖擊系數(shù)為2，計(jì)算結(jié)果如下：

圖4 撥塊沖擊棘爪示意圖

撥塊對棘爪1 的沖擊力F1=kma=2×0.12×1.65×9.8×40÷59 N ≈2.6 N。

對棘爪1壓縮彈簧的作用力F2=F1×63÷55 N≈3 N。

因此，在氣彈簧失效的情況下，撥塊的慣性力剛好可打開壓杠鎖緊，此時(shí)壓杠鎖緊不可靠。為了保證完全規(guī)避此風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需對此裝置進(jìn)行優(yōu)化，不得讓撥塊自由擺動沖擊棘爪1。

3 改進(jìn)措施

針對上述風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)發(fā)現(xiàn)的問題，對此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1）在每個(gè)打開壓杠裝置增加1 處氣彈簧作為冗余設(shè)計(jì)，確保一處氣彈簧失效后仍有另一個(gè)氣彈簧可以使撥塊處于限制狀態(tài)而不會隨意擺動，確保撥塊不會撞擊棘爪1。

2）優(yōu)化壓縮彈簧選型設(shè)計(jì)，棘爪1 使用的壓縮彈簧在棘爪嚙合時(shí)的彈力增加至6 N 以上，確保撥塊在意外撞擊情況下不會打開棘爪1。

3）壓杠機(jī)構(gòu)上所有螺母改為防松螺母，避免螺栓在設(shè)備運(yùn)行過程中意外松動。

4）在產(chǎn)品使用維護(hù)說明書中增加對壓杠轉(zhuǎn)軸的維護(hù)保養(yǎng)和日常檢查要求，確保壓杠轉(zhuǎn)軸不會意外卡滯。

4 結(jié)論

1）通過對壓杠部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，安全壓杠的工作可靠性明顯加強(qiáng)，優(yōu)化后的壓杠工作可靠性更高。

2）設(shè)計(jì)制造單位在安全壓杠等涉及人身安全的重要零部件設(shè)計(jì)上盡量選用成熟可靠的設(shè)計(jì)。

3）對于新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)借助風(fēng)險(xiǎn)評估等方法對其進(jìn)行安全評估，并采取有效措施消除其潛在風(fēng)險(xiǎn)。