翻轉(zhuǎn)式飛行影院設(shè)備復(fù)位方案設(shè)計

梁培章，陳志洋，梁嘉洛，蘇穗江

（廣東金馬游樂股份有限公司，廣東 中山 528447）

0 引言

游樂行業(yè)發(fā)展至今，室內(nèi)大型的音視頻機(jī)電一體化游樂項目越來越受到游客的青睞，翻轉(zhuǎn)式飛行影院正是該類型產(chǎn)品的項目之一。隨著游樂項目和人們的交集越來越多，設(shè)備的安全性日益引起關(guān)注。2019年國慶長假期間，國內(nèi)某主題樂園的翻轉(zhuǎn)式飛行影院出現(xiàn)故障，設(shè)備無法復(fù)位，從而造成疏散困難，乘客高空滯留時間超過1 h，該項目被勒令整改。

乘客高空滯留超時是游樂項目的事故之一，在設(shè)備研發(fā)階段就須有一套可靠的解決方案。本文介紹一種翻轉(zhuǎn)式飛行影院設(shè)備復(fù)位方案的設(shè)計過程，按GB 8408《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》的要求對翻轉(zhuǎn)式飛行影院可能出現(xiàn)乘客高空滯留的危險事件進(jìn)行風(fēng)險分析，并對零部件或子系統(tǒng)進(jìn)行失效分析，分析其失效后是否可能造成設(shè)備故障從而導(dǎo)致乘客高空滯留。然后根據(jù)風(fēng)險分析和失效分析的措施要求對設(shè)備的控制原理和液壓救援回路進(jìn)行方案設(shè)計。在設(shè)備控制原理的方案設(shè)計中，先對設(shè)備的復(fù)位流程進(jìn)行分析，然后根據(jù)復(fù)位流程設(shè)計電氣控制原理框圖。在液壓救援回路的設(shè)計中，按互不干擾原則和復(fù)位時間的要求，設(shè)計單獨控制翻轉(zhuǎn)油缸的液壓回路。這個復(fù)位方案可使設(shè)備在各種極端情況下急停時仍可復(fù)位，且復(fù)位時間不大于5 min。游樂設(shè)備須有應(yīng)急救援預(yù)案，復(fù)位操作正是設(shè)備應(yīng)急預(yù)案的重要內(nèi)容。在設(shè)備應(yīng)急預(yù)案的指導(dǎo)下，疏散救援時間可控制在1 h以內(nèi)，乘客高空滯留的時間符合《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的要求。

該復(fù)位方案有助于解決翻轉(zhuǎn)式飛行影院乘客高空滯留的問題，在安全的前提下體驗該設(shè)備才能讓乘客放心享受歡樂，同進(jìn)也有助于翻轉(zhuǎn)式飛行影院設(shè)備在游樂市場的發(fā)展。

1 翻轉(zhuǎn)式飛行影院的工作原理

翻轉(zhuǎn)式飛行影院屬于觀覽車類大型游樂設(shè)施［1］。如圖1所示，設(shè)備共12個座艙，每個座艙8人，共96人。設(shè)備主要由座艙、大臂、主軸、立柱、翻轉(zhuǎn)油缸等部件組成。座艙鉸接在大臂部件上，大臂部件和主軸部件固接，主軸部件與立柱部件鉸接。大臂部件在翻轉(zhuǎn)油缸的作用下翻轉(zhuǎn)90°，翻轉(zhuǎn)后如圖2所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 設(shè)備運行狀態(tài)簡圖

2 關(guān)于乘客高空滯留的風(fēng)險分析

游樂設(shè)施風(fēng)險評估的根本理念是以系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，以“以人為本”為原則進(jìn)行危險識別、風(fēng)險評估和控制［2］。本章節(jié)按自上而下排除系統(tǒng)危險源的方法［2］，根據(jù)GB 8408《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》［3］、GB／T 34371－2017《游樂設(shè)施風(fēng)險評價》［4］、GB／T 16856－2015《機(jī)械安全風(fēng)險評估實施指南和方法舉例》［5］的要求進(jìn)行風(fēng)險分析。飛行影院高空滯留的風(fēng)險分析如表1所示，由表中序號1的分析可知，設(shè)備在突然斷電時，設(shè)備失去動力，無法復(fù)位，措施為設(shè)置一套UPS系統(tǒng)和設(shè)計一套獨立的液壓救援回路，當(dāng)設(shè)備突然斷電時，可用UPS系統(tǒng)及液壓救援回路進(jìn)行復(fù)位。由表中序號2的分析可知，設(shè)備在突然斷電時，主電控系統(tǒng)會丟失大臂的角度位置，造成電控系統(tǒng)無法自動復(fù)位，措施為設(shè)置UPS系統(tǒng)、在油缸上設(shè)置絕對值的線性位移傳感器、設(shè)置一套電控復(fù)位系統(tǒng)等，確保設(shè)備復(fù)位。

表1 飛行影院高空滯留的風(fēng)險分析

3 關(guān)于乘客高空滯留的失效分析

本章按自底向上排除零部件危險源的方法［2］，根據(jù)GB／T 7826－2012《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和影響分析（FMEA）程序》［6］的要求進(jìn)行失效分析。從某個元器件失效從而導(dǎo)致設(shè)備不能復(fù)位的角度分析，液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的其中一個關(guān)鍵元器件失效就會導(dǎo)致設(shè)備停止在當(dāng)前位置，乘客高空滯留。飛行影院高空滯留的失效分析如表2所示，分析可知，液壓系統(tǒng)可能會因為某個液壓元件失效而無法正常工作，措施為設(shè)計一套獨立的救援回路，主液壓系統(tǒng)無正常工作時，可以液壓救援回路使設(shè)備復(fù)位；主電控系統(tǒng)可能會因為某個關(guān)鍵元器件失效而元法正常工作，措施為設(shè)置一套電控復(fù)位系統(tǒng)，當(dāng)主電控系統(tǒng)無法正常工作時，可用該電控復(fù)位系統(tǒng)使設(shè)備復(fù)位。

表2 飛行影院高空滯留的失效分析表

4 設(shè)備控制原理的方案設(shè)計

分析可知，要使設(shè)備在各種應(yīng)急情況下復(fù)位，需要增加UPS系統(tǒng)、油缸的絕對值線性位移傳感器、液壓救援回路、電控復(fù)位系統(tǒng)等。下面先對復(fù)位流程進(jìn)行分析，然后對設(shè)備控制原理進(jìn)行方案設(shè)計。

4.1 復(fù)位流程的分析

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)急停狀態(tài)時，設(shè)備就需要馬上進(jìn)入復(fù)位模式進(jìn)行疏散。復(fù)位操作可分3種模式：系統(tǒng)自動復(fù)位、手動復(fù)位、電控復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位等。系統(tǒng)自動復(fù)位是在設(shè)備無故障的情況下，電控系統(tǒng)能自動使設(shè)備復(fù)位的復(fù)位模式。手動復(fù)位是設(shè)備發(fā)生某種故障而不能自動復(fù)位，通過操作觸摸屏的手動控制面板使設(shè)備復(fù)位的復(fù)位模式。電控復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位是設(shè)備的電控系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)出現(xiàn)較嚴(yán)重的故障、突然斷電等情況下使用的復(fù)位模式。系統(tǒng)自動復(fù)位模式的用時最短，操作最為簡單，其次是手動復(fù)位，最后是電控復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位。因此，當(dāng)設(shè)備需要疏散救援時，設(shè)備復(fù)位模式優(yōu)先級的先后順序為：系統(tǒng)自動復(fù)位、手動復(fù)位、電控復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位。

設(shè)備在復(fù)位之前，均會處理急停的狀態(tài)。系統(tǒng)的急停可分為操作人員急停和設(shè)備自動急停。如圖3所示，操作人員急停時，按復(fù)位模式的優(yōu)先級選擇相應(yīng)的復(fù)位模式進(jìn)行復(fù)位即可。

圖3 復(fù)位流程1

如圖4所示，設(shè)備自動急停一般為突然斷電、液壓故障、電氣故障、機(jī)械故障、火警等。工作人員須根據(jù)電控系統(tǒng)的故障提示對設(shè)備急停原因進(jìn)行判斷，從而選擇相應(yīng)的復(fù)位模式進(jìn)行復(fù)位。突然斷電時，優(yōu)先選用系統(tǒng)自動復(fù)位模式進(jìn)行復(fù)位，如自動復(fù)位模式不能復(fù)位，再用電控復(fù)位系統(tǒng)模式進(jìn)行復(fù)位。液壓故障、電氣故障時直接進(jìn)入電控復(fù)位系統(tǒng)模式進(jìn)行復(fù)位。機(jī)械故障時須先由工作人員快速排除故障，再按復(fù)位模式的優(yōu)先級選擇適合的復(fù)位模式進(jìn)行復(fù)位。發(fā)生火警時，按設(shè)備復(fù)位模式的優(yōu)先級選擇適合的復(fù)位模式進(jìn)行復(fù)位。

圖4 復(fù)位流程2

4.2 電氣控制原理的設(shè)計

根據(jù)分析，設(shè)計出圖5所示的電氣控制原理框圖。該原理框圖主要由主液壓系統(tǒng)、液壓救援回路、液壓控制器、UPS、PLC、電控復(fù)位系統(tǒng)、顯示屏等組成。主液壓系統(tǒng)僅由主電源供電，除主液壓系統(tǒng)外，UPS系統(tǒng)均可為其他系統(tǒng)供電。在翻轉(zhuǎn)油缸上設(shè)置絕對值的位移傳感器，向液壓控制器反饋位置數(shù)據(jù)，即使發(fā)生電源故障時，該傳感器也不會丟失當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)［7］。

圖5 設(shè)備的控制原理

系統(tǒng)自動復(fù)位時，電控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序控制主液壓系統(tǒng)，使翻轉(zhuǎn)油缸伸出，從而使設(shè)備自動復(fù)位。當(dāng)設(shè)備突然斷電時，UPS系統(tǒng)會切換成蓄電池供電，即電控復(fù)位系統(tǒng)由UPS系統(tǒng)單獨供電。由于UPS為在線式UPS，當(dāng)設(shè)備突然斷電時，UPS能無縫切換到蓄電池供電，主電控系統(tǒng)不會掉電關(guān)機(jī)，主電控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)、翻轉(zhuǎn)油缸的位置數(shù)據(jù)等不會丟失［8］。主電控系統(tǒng)停止對主液壓系統(tǒng)的控制，轉(zhuǎn)而控制液壓救援回路，使翻轉(zhuǎn)油缸伸出，從而使設(shè)備復(fù)位。

手動復(fù)位時，在顯示屏中選擇手動模式，然后在手動控制面板上進(jìn)行手動操作，控制主液壓系統(tǒng)，使翻轉(zhuǎn)油缸伸出，從而使設(shè)備復(fù)位。

電控復(fù)位系統(tǒng)是獨立于主電控系統(tǒng)的手動控制系統(tǒng)，且可由主電源或UPS供電。電控復(fù)位系統(tǒng)須與液壓控制器聯(lián)鎖，當(dāng)電控復(fù)位系統(tǒng)啟動后，液壓控制器便停止對主液壓系統(tǒng)及液壓救援回路的控制，電控復(fù)位系統(tǒng)直接控制液壓救援回路，使翻轉(zhuǎn)油缸伸出，從而使設(shè)備復(fù)位。

5 液壓系統(tǒng)救援回路的液壓原理設(shè)計

分析可知，系統(tǒng)須設(shè)計一套液壓救援回路，當(dāng)突然斷電、主要零部件失效時提供壓力油給翻轉(zhuǎn)油缸，使設(shè)備復(fù)位。根據(jù)GB／T 3766《液壓傳動系統(tǒng)及其元件的通用規(guī)則和安全要求》［9］的要求對液壓救援回路進(jìn)行設(shè)計，救援回路的液壓原理圖如圖6所示。液壓救援回路和主液壓系統(tǒng)回路均可單獨向翻轉(zhuǎn)油缸提供壓力油，兩個回路可安裝在同一個液壓站上，共用同一個油箱。設(shè)備正常工作時，救援回路的電機(jī)1、電磁閥4、電磁閥6均處于失電狀態(tài)。液控單向閥11的控制壓力油由主液壓系統(tǒng)提供，由主液壓系統(tǒng)控制其打開及關(guān)閉。當(dāng)設(shè)備發(fā)生應(yīng)急情況需要用液壓救援回路使設(shè)備復(fù)位時，先啟動電機(jī)1，接著啟動電磁閥4進(jìn)行加壓［10－11］，最后啟動電磁閥6使翻轉(zhuǎn)油缸伸出，從而使設(shè)備復(fù)位。4個液控單向閥8及4個液控單向閥11既可以組成油缸的鎖緊回路［10］，又可以避免與主液壓回路互相干擾。液控單向閥8及液控單向閥11均裝配在翻轉(zhuǎn)油缸的缸體上，可以起到防爆管的作用，當(dāng)救援回路或主油路的油管發(fā)生爆裂時，液控單向閥8及液控單向閥11可鎖緊油缸，避免油缸因失壓而產(chǎn)生失速動作。

圖6 液壓救援回路的液壓原理

設(shè)備正常運行時，設(shè)備翻轉(zhuǎn)的時間約為15 s，主液壓系統(tǒng)的驅(qū)動功率超過120 kW?？紤]到設(shè)計的可行性、合理性和經(jīng)濟(jì)性，救援時翻轉(zhuǎn)的時間控制在5 min內(nèi)，電機(jī)1的功率在20 kW以內(nèi)即可，以便于用UPS驅(qū)動電機(jī)1。

6 結(jié)束語

本文對翻轉(zhuǎn)式飛行影院在乘客高空滯留方面進(jìn)行風(fēng)險分析和失效分析，然后按降低風(fēng)險的措施設(shè)計設(shè)備控制原理框圖和液壓救援回路。UPS系統(tǒng)、電控復(fù)位系統(tǒng)、液壓救援回路等用于復(fù)位的子系統(tǒng)，在設(shè)備正常工作時與設(shè)備的主運行系統(tǒng)互不干擾，當(dāng)設(shè)備在各種極端情況下急停時能使設(shè)備復(fù)位。設(shè)備復(fù)位的時間控制在5 min之內(nèi)，為疏散乘客爭取了更多的時間，使乘客高空滯留的時間控制在1 h之內(nèi)，符合《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的要求。