世紀(jì)飛碟游樂設(shè)備安全性能設(shè)計(jì)改進(jìn)探討

蔡志華

(湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 長(zhǎng)沙 410117）

世紀(jì)飛碟是國(guó)內(nèi)目前較新穎的大型游樂設(shè)備，此設(shè)備是將多種游藝機(jī)運(yùn)動(dòng)方式靈活性地綜合為單機(jī)的典范。各部位結(jié)構(gòu)緊密，環(huán)環(huán)相系，運(yùn)行特點(diǎn)由自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的同時(shí)與快速升降相結(jié)合，構(gòu)成了二元螺旋線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。世紀(jì)飛碟是公園及游樂場(chǎng)所備受歡迎的大型娛樂設(shè)備之一。作為一種高空游樂設(shè)備，其控制裝置及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性相對(duì)尤為重要。為此，該設(shè)備的安全性能設(shè)計(jì)必須合理，所選用元?dú)饧焚|(zhì)必須優(yōu)良，安全保護(hù)措施必須完善、可靠。該設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)由下述三個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：

1）座艙升降系統(tǒng)：采用座艙旋轉(zhuǎn)大盤與配重通過(guò)兩組共10 根φ16 的曳引鋼絲繩懸掛，兩組曳引鋼絲繩分別與塔頂?shù)膬山M曳引輪摩擦傳動(dòng)，升降電機(jī)通過(guò)齒輪減速機(jī)傳遞扭矩給兩組曳引輪從而實(shí)現(xiàn)座艙的升降。提升電機(jī)通過(guò)滑環(huán)在轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻來(lái)改善電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路作星形連接，分級(jí)切換啟動(dòng)電阻器。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，可變電阻逐級(jí)減小。啟動(dòng)完畢后，可變電阻減小到零，轉(zhuǎn)子繞組串接電阻被直接短接，電動(dòng)機(jī)便在額定狀態(tài)下運(yùn)行。

2）座艙公轉(zhuǎn)系統(tǒng)：采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)與回轉(zhuǎn)支承通過(guò)內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)固定在旋轉(zhuǎn)大盤之上，輸出軸上通過(guò)鍵銷與小齒輪緊密配合，旋轉(zhuǎn)大齒輪通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與回轉(zhuǎn)支承固定部分連接，旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)小齒輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)大盤旋轉(zhuǎn)。大盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用交流鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。大盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)的起動(dòng)均采用二級(jí)起動(dòng)方式，即串全電阻降壓起動(dòng)。

3）座艙自轉(zhuǎn)系統(tǒng)：座艙與旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)行星齒輪減速機(jī)相連。共有10 套旋轉(zhuǎn)座艙，每套座艙配備一臺(tái)0.75kW、380V 的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)均自帶制動(dòng)系統(tǒng)用于座椅停止運(yùn)行的定位。5 臺(tái)座艙為1 組，共用一臺(tái)變頻器，10 臺(tái)座艙共用2 臺(tái)變頻器用來(lái)控制旋轉(zhuǎn)速度，速度控制分3 級(jí)由變頻器內(nèi)部設(shè)定參數(shù)決定，旋轉(zhuǎn)座椅采用自動(dòng)定位，運(yùn)行由J6 靈敏繼電器控制。座椅安全壓杠采用常閉式氣缸控制，其閉鎖狀態(tài)由每臺(tái)旋轉(zhuǎn)座艙閉鎖檢測(cè)開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，確保每臺(tái)座椅安全杠處于閉鎖狀態(tài)，產(chǎn)生閉鎖信號(hào)傳送至PLC 可編程控制器，任意一臺(tái)旋轉(zhuǎn)座椅未檢測(cè)到閉鎖信號(hào)時(shí)，設(shè)備將無(wú)法運(yùn)行，用于保護(hù)乘客的安全。

1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

該臺(tái)游樂設(shè)備在安裝后進(jìn)行試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)上仍存在一些需要改進(jìn)的地方。下面就改進(jìn)的內(nèi)容和方案提出個(gè)人的見解和觀點(diǎn)以供探討。

1.1 升降電機(jī)定子線圈供電主回路設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)大盤升降是靠?jī)山M曳引鋼絲繩與兩組曳引輪摩擦傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但兩組曳引輪是通過(guò)齒輪減速機(jī)與同一臺(tái)升降電機(jī)傳遞扭矩。因此該臺(tái)升降電機(jī)的電氣保護(hù)系統(tǒng)是否可靠將影響到整個(gè)設(shè)備安全升降，所以升降電機(jī)的電氣保護(hù)裝置應(yīng)完整、可靠，電動(dòng)機(jī)的保護(hù)裝置在目前機(jī)電控制系統(tǒng)中一般有短路、過(guò)流、斷錯(cuò)相、漏電、接地等方式的保護(hù)裝置。該設(shè)備目前未單接觸器設(shè)計(jì)，一旦電動(dòng)機(jī)接觸器因某種意外原因?qū)е陆佑|器機(jī)械性卡死、觸點(diǎn)熔粘等故障，造成曳引電機(jī)無(wú)法正常斷電，從而引發(fā)曳引輪與曳引繩出現(xiàn)“打滑”干摩擦的現(xiàn)象。曳引輪與曳引繩“打滑”干摩擦很容易因曳引鋼絲繩局部磨損產(chǎn)生高溫，局部高溫使曳引鋼絲繩產(chǎn)生退火，使其剛性變軟并加劇磨損，如果“打滑”干摩擦?xí)r間過(guò)長(zhǎng)將有可能導(dǎo)致曳引鋼絲繩磨損斷裂，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)大盤和配重因鋼絲繩的斷裂而從高空直接墜落。

改進(jìn)方案

1）增設(shè)啟動(dòng)接觸器

在升降電機(jī)上升、下降主接觸器KM2 和KM3之前增設(shè)一個(gè)（如圖1 所示）同規(guī)格的啟動(dòng)接觸器KM5。上升時(shí)需KM2 和KM5 同時(shí)吸合，下降時(shí)需KM3 和KM5 同時(shí)吸合，當(dāng)其中任何一只接觸器因機(jī)械卡阻、觸點(diǎn)熔粘，另一接觸器也可以可靠切斷升降電機(jī)主回路電流。

圖1 主回路增設(shè)原理圖

2）增設(shè)PLC 端口及改進(jìn)梯形圖

PLC 端口增設(shè)原理見圖2，改進(jìn)梯形圖見圖3。梯形圖中M8002 為PLC 初始化脈沖，X1 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，M1 安全壓杠檢測(cè)繼電器，M2 緊急停止繼電器，M3 為PLC 內(nèi)部安全繼電器。T1～T4 均為內(nèi)部時(shí)間繼電器，T1 作為運(yùn)行中上下行接觸器監(jiān)測(cè)出錯(cuò)時(shí)間繼電器，T2 作為停止時(shí)上下行接觸器監(jiān)測(cè)出錯(cuò)時(shí)間繼電器，T3、T4 作為啟動(dòng)接觸器監(jiān)測(cè)出錯(cuò)時(shí)間繼電器。它們與M1、M2 等安全控輔助繼電器串聯(lián)在一起控制內(nèi)部安全繼電器M3，內(nèi)部安全繼電器M3 正常時(shí)它應(yīng)該是吸合的，它的常開觸點(diǎn)串在幾乎所有的輸出回路中，當(dāng)遇到異常情況時(shí)M3 釋放切斷所有輸出回路，使PLC 系統(tǒng)處于“保護(hù)停機(jī)”狀態(tài)。

圖2 PLC 端口增設(shè)原理圖

圖3 增設(shè)的梯形圖

1.2 升降電機(jī)上升、下降限位開關(guān)選用與動(dòng)作碰刀形式設(shè)計(jì)

該臺(tái)游樂設(shè)備的上升、下降限位開關(guān)動(dòng)作碰刀形式采用φ12 的圓鋼折彎制成，分別焊接在配重、旋轉(zhuǎn)大盤導(dǎo)向輪架上，在試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)大盤到達(dá)升、降停止位置時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作后KM2 或KM3 確實(shí)已斷開升降接觸器，但由于旋轉(zhuǎn)大盤上升、下降時(shí)慣性作用，旋轉(zhuǎn)大盤仍將繼續(xù)運(yùn)行一小段距離才能停止（見圖4，此圖為旋轉(zhuǎn)大盤在下降停止位置）。

如果在上升停止位置時(shí)，操作人員誤按上升啟動(dòng)按鈕，將導(dǎo)致升降電機(jī)上升啟動(dòng)運(yùn)行，但此時(shí)配重已經(jīng)坐落在緩沖器上，驅(qū)動(dòng)主機(jī)因在塔頂操作人員無(wú)法觀察。但此時(shí)曳引鋼絲繩與曳引輪已經(jīng)在產(chǎn)生“打滑”干摩擦，如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將會(huì)導(dǎo)致曳引鋼絲繩磨損斷裂，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)大盤因鋼絲繩的斷裂而從高空直接墜落。同理，旋轉(zhuǎn)大盤在下降停止位置時(shí)，操作人員誤按下降啟動(dòng)按鈕將導(dǎo)致配重因鋼絲繩的斷裂而從高空直接 墜落。

圖4 旋轉(zhuǎn)大盤下降停止位置

改進(jìn)方案

為確保上升、下降限位開關(guān)可靠動(dòng)作，消除操作人員誤操作的可能性。上升、下降限位開關(guān)應(yīng)選用如下圖5 所示帶滾輪的安全觸點(diǎn)型行程開關(guān)，動(dòng)作碰刀應(yīng)采用角鐵或其他型材制作成如圖5 所示型式，保證上升、下降限位開關(guān)在行程終端始終有效動(dòng)作。

圖5 形成開關(guān)示意圖

1.3 塔頂檢修平臺(tái)的停止裝置設(shè)計(jì)

一臺(tái)安全可靠游樂設(shè)備保護(hù)裝置不但要保證乘客的安全，還應(yīng)最大限度地保障維護(hù)檢修人員的安全。由于該臺(tái)設(shè)備的特殊性，設(shè)備的操作控制柜設(shè)在站臺(tái)旁的操作室內(nèi)，而驅(qū)動(dòng)主機(jī)設(shè)置在塔頂，塔頂和站臺(tái)垂直相差30m，操作人員無(wú)法觀察到塔頂檢修平臺(tái)的狀況。因此，維護(hù)檢修人員如需在塔頂檢修平臺(tái)對(duì)驅(qū)動(dòng)主機(jī)進(jìn)行維護(hù)和檢修時(shí)，如果沒有可靠的安全停止裝置控制驅(qū)動(dòng)主機(jī)，對(duì)于維護(hù)檢修人員的人身安全將構(gòu)成潛在的威脅。

GB 8408—2008《游樂設(shè)施安全規(guī)范》第6.4.2條明確規(guī)定“在安裝、維護(hù)、檢修時(shí)，需要察看危險(xiǎn)區(qū)域或人體某個(gè)部分（例如手臂）需要伸進(jìn)危險(xiǎn)區(qū)域的設(shè)施，應(yīng)有防止誤起動(dòng)控制裝置?！?/p>

改進(jìn)方案

在塔頂檢修平臺(tái)驅(qū)動(dòng)主機(jī)附近設(shè)置一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)型非自動(dòng)復(fù)位安全開關(guān)可靠切斷提升電機(jī)主回路供電，或者在塔頂檢修平臺(tái)驅(qū)動(dòng)主機(jī)附近設(shè)置一個(gè)如圖2 所示虛線框內(nèi)的斷路開關(guān)SA 切斷提升電機(jī)供電回路，確保塔頂維護(hù)檢修人員的人身安全。

1.4 旋轉(zhuǎn)大盤吊掛軸間距設(shè)計(jì)

設(shè)備整體運(yùn)行一年后進(jìn)行設(shè)備首次定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)吊掛軸與塔身導(dǎo)軌切點(diǎn)位置上曳引鋼絲繩有磨損的痕跡。因?yàn)樾D(zhuǎn)大盤吊掛軸間距設(shè)計(jì)過(guò)小，且塔身立柱導(dǎo)軌和吊掛軸在同一軸線上，導(dǎo)致吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導(dǎo)軌面間隙非常?。▽?shí)測(cè)最大值約5mm）。

旋轉(zhuǎn)大盤主要靠滾輪導(dǎo)向裝置（兩側(cè)）與塔身導(dǎo)軌進(jìn)行定位和導(dǎo)向，旋轉(zhuǎn)大盤的上下提升采取與導(dǎo)軌同軸線上的兩個(gè)作用力點(diǎn)，所以導(dǎo)向裝置中的滾輪在旋轉(zhuǎn)大盤上下提升運(yùn)動(dòng)時(shí)不可避免的承受徑向和側(cè)向偏擺力，同一時(shí)間內(nèi)兩側(cè)滾輪所承受的力大小、方向不經(jīng)相同。因此加劇了滾輪的磨損。使得吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導(dǎo)軌面間隙更加縮小，加之旋轉(zhuǎn)大盤上不平衡負(fù)載的影響，導(dǎo)致吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身導(dǎo)軌發(fā)生摩擦，造成吊掛軸上提升曳引鋼絲繩出現(xiàn)磨損痕跡。

改進(jìn)方案

為了有效避免吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導(dǎo)軌之間產(chǎn)生摩擦的可能性，確保“世紀(jì)飛碟”安全可靠運(yùn)行，應(yīng)將旋轉(zhuǎn)大盤吊掛軸間距適當(dāng)增大，保證旋轉(zhuǎn)大盤兩側(cè)吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導(dǎo)軌間隙在20mm～40mm。

2 結(jié)束語(yǔ)

游樂設(shè)施的型式很多，多種技術(shù)綜合應(yīng)用使游樂設(shè)施表面上看來(lái)十分復(fù)雜，但歸納起來(lái)危險(xiǎn)源只與設(shè)備、管理、操作(服務(wù))人員、乘客有關(guān)。游樂設(shè)備本身的安全性能很大程度上取決于前期設(shè)備的設(shè)計(jì)，制造質(zhì)量為提高游樂設(shè)備的整體安全保障能力，降低設(shè)備的事故風(fēng)險(xiǎn)，必須注重設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性。

[1] GB 8408—2008 游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

[2] GB/T 18161—2008 飛行塔類游藝機(jī)通用技術(shù)條件[S].

[3] GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].

[4] 李建勇.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:中央廣播電視大學(xué)出版社，2009.

[5] 王立權(quán).機(jī)電控制與可編程序控制器[M].北京： 中央廣播電視大學(xué)出版社，2002.