世紀飛碟游樂設備安全性能設計改進探討

蔡志華

(湖南省特種設備檢驗檢測研究院 長沙 410117）

世紀飛碟是國內目前較新穎的大型游樂設備，此設備是將多種游藝機運動方式靈活性地綜合為單機的典范。各部位結構緊密，環環相系，運行特點由自轉、公轉的同時與快速升降相結合，構成了二元螺旋線旋轉的運動軌跡。世紀飛碟是公園及游樂場所備受歡迎的大型娛樂設備之一。作為一種高空游樂設備，其控制裝置及相關設備運行的安全可靠性相對尤為重要。為此，該設備的安全性能設計必須合理，所選用元氣件品質必須優良，安全保護措施必須完善、可靠。該設備的運轉由下述三個系統構成：

1）座艙升降系統：采用座艙旋轉大盤與配重通過兩組共10 根φ16 的曳引鋼絲繩懸掛，兩組曳引鋼絲繩分別與塔頂的兩組曳引輪摩擦傳動，升降電機通過齒輪減速機傳遞扭矩給兩組曳引輪從而實現座艙的升降。提升電機通過滑環在轉子繞組中串接電阻來改善電動機的機械特性，啟動時轉子回路作星形連接，分級切換啟動電阻器。隨著電動機轉速的升高，可變電阻逐級減小。啟動完畢后，可變電阻減小到零，轉子繞組串接電阻被直接短接，電動機便在額定狀態下運行。

2）座艙公轉系統：采用旋轉電機與回轉支承通過內嚙合齒輪傳動，旋轉電機固定在旋轉大盤之上，輸出軸上通過鍵銷與小齒輪緊密配合，旋轉大齒輪通過高強度螺栓與回轉支承固定部分連接，旋轉電機運轉時小齒輪自轉的同時帶動旋轉大盤旋轉。大盤旋轉電機采用交流鼠籠式異步電動機。大盤旋轉電機的起動均采用二級起動方式，即串全電阻降壓起動。

3）座艙自轉系統：座艙與旋轉電機通過行星齒輪減速機相連。共有10 套旋轉座艙，每套座艙配備一臺0.75kW、380V 的旋轉電機，每臺電機均自帶制動系統用于座椅停止運行的定位。5 臺座艙為1 組，共用一臺變頻器，10 臺座艙共用2 臺變頻器用來控制旋轉速度，速度控制分3 級由變頻器內部設定參數決定，旋轉座椅采用自動定位，運行由J6 靈敏繼電器控制。座椅安全壓杠采用常閉式氣缸控制，其閉鎖狀態由每臺旋轉座艙閉鎖檢測開關進行檢測，確保每臺座椅安全杠處于閉鎖狀態，產生閉鎖信號傳送至PLC 可編程控制器，任意一臺旋轉座椅未檢測到閉鎖信號時，設備將無法運行，用于保護乘客的安全。

1 設計改進

該臺游樂設備在安裝后進行試運行時，發現在設計上仍存在一些需要改進的地方。下面就改進的內容和方案提出個人的見解和觀點以供探討。

1.1 升降電機定子線圈供電主回路設計

旋轉大盤升降是靠兩組曳引鋼絲繩與兩組曳引輪摩擦傳動實現，但兩組曳引輪是通過齒輪減速機與同一臺升降電機傳遞扭矩。因此該臺升降電機的電氣保護系統是否可靠將影響到整個設備安全升降，所以升降電機的電氣保護裝置應完整、可靠，電動機的保護裝置在目前機電控制系統中一般有短路、過流、斷錯相、漏電、接地等方式的保護裝置。該設備目前未單接觸器設計，一旦電動機接觸器因某種意外原因導致接觸器機械性卡死、觸點熔粘等故障，造成曳引電機無法正常斷電，從而引發曳引輪與曳引繩出現“打滑”干摩擦的現象。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生高溫，局部高溫使曳引鋼絲繩產生退火，使其剛性變軟并加劇磨損，如果“打滑”干摩擦時間過長將有可能導致曳引鋼絲繩磨損斷裂，導致旋轉大盤和配重因鋼絲繩的斷裂而從高空直接墜落。

改進方案

1）增設啟動接觸器

在升降電機上升、下降主接觸器KM2 和KM3之前增設一個（如圖1 所示）同規格的啟動接觸器KM5。上升時需KM2 和KM5 同時吸合，下降時需KM3 和KM5 同時吸合，當其中任何一只接觸器因機械卡阻、觸點熔粘，另一接觸器也可以可靠切斷升降電機主回路電流。

圖1 主回路增設原理圖

2）增設PLC 端口及改進梯形圖

PLC 端口增設原理見圖2，改進梯形圖見圖3。梯形圖中M8002 為PLC 初始化脈沖，X1 為手動/自動轉換信號，M1 安全壓杠檢測繼電器，M2 緊急停止繼電器，M3 為PLC 內部安全繼電器。T1～T4 均為內部時間繼電器，T1 作為運行中上下行接觸器監測出錯時間繼電器，T2 作為停止時上下行接觸器監測出錯時間繼電器，T3、T4 作為啟動接觸器監測出錯時間繼電器。它們與M1、M2 等安全控輔助繼電器串聯在一起控制內部安全繼電器M3，內部安全繼電器M3 正常時它應該是吸合的，它的常開觸點串在幾乎所有的輸出回路中，當遇到異常情況時M3 釋放切斷所有輸出回路，使PLC 系統處于“保護停機”狀態。

圖2 PLC 端口增設原理圖

圖3 增設的梯形圖

1.2 升降電機上升、下降限位開關選用與動作碰刀形式設計

該臺游樂設備的上升、下降限位開關動作碰刀形式采用φ12 的圓鋼折彎制成，分別焊接在配重、旋轉大盤導向輪架上，在試運行過程中發現旋轉大盤到達升、降停止位置時，限位開關動作后KM2 或KM3 確實已斷開升降接觸器，但由于旋轉大盤上升、下降時慣性作用，旋轉大盤仍將繼續運行一小段距離才能停止（見圖4，此圖為旋轉大盤在下降停止位置）。

如果在上升停止位置時，操作人員誤按上升啟動按鈕，將導致升降電機上升啟動運行，但此時配重已經坐落在緩沖器上，驅動主機因在塔頂操作人員無法觀察。但此時曳引鋼絲繩與曳引輪已經在產生“打滑”干摩擦，如果時間過長將會導致曳引鋼絲繩磨損斷裂，導致旋轉大盤因鋼絲繩的斷裂而從高空直接墜落。同理，旋轉大盤在下降停止位置時，操作人員誤按下降啟動按鈕將導致配重因鋼絲繩的斷裂而從高空直接 墜落。

圖4 旋轉大盤下降停止位置

改進方案

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

圖5 形成開關示意圖

1.3 塔頂檢修平臺的停止裝置設計

一臺安全可靠游樂設備保護裝置不但要保證乘客的安全，還應最大限度地保障維護檢修人員的安全。由于該臺設備的特殊性，設備的操作控制柜設在站臺旁的操作室內，而驅動主機設置在塔頂，塔頂和站臺垂直相差30m，操作人員無法觀察到塔頂檢修平臺的狀況。因此，維護檢修人員如需在塔頂檢修平臺對驅動主機進行維護和檢修時，如果沒有可靠的安全停止裝置控制驅動主機，對于維護檢修人員的人身安全將構成潛在的威脅。

GB 8408—2008《游樂設施安全規范》第6.4.2條明確規定“在安裝、維護、檢修時，需要察看危險區域或人體某個部分（例如手臂）需要伸進危險區域的設施，應有防止誤起動控制裝置。”

改進方案

在塔頂檢修平臺驅動主機附近設置一個雙穩態型非自動復位安全開關可靠切斷提升電機主回路供電，或者在塔頂檢修平臺驅動主機附近設置一個如圖2 所示虛線框內的斷路開關SA 切斷提升電機供電回路，確保塔頂維護檢修人員的人身安全。

1.4 旋轉大盤吊掛軸間距設計

設備整體運行一年后進行設備首次定期檢驗時，發現吊掛軸與塔身導軌切點位置上曳引鋼絲繩有磨損的痕跡。因為旋轉大盤吊掛軸間距設計過小，且塔身立柱導軌和吊掛軸在同一軸線上，導致吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導軌面間隙非常小（實測最大值約5mm）。

旋轉大盤主要靠滾輪導向裝置（兩側）與塔身導軌進行定位和導向，旋轉大盤的上下提升采取與導軌同軸線上的兩個作用力點，所以導向裝置中的滾輪在旋轉大盤上下提升運動時不可避免的承受徑向和側向偏擺力，同一時間內兩側滾輪所承受的力大小、方向不經相同。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軌面間隙更加縮小，加之旋轉大盤上不平衡負載的影響，導致吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身導軌發生摩擦，造成吊掛軸上提升曳引鋼絲繩出現磨損痕跡。

改進方案

為了有效避免吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導軌之間產生摩擦的可能性，確保“世紀飛碟”安全可靠運行，應將旋轉大盤吊掛軸間距適當增大，保證旋轉大盤兩側吊掛軸上提升曳引鋼絲繩與塔身立柱導軌間隙在20mm～40mm。

2 結束語

游樂設施的型式很多，多種技術綜合應用使游樂設施表面上看來十分復雜，但歸納起來危險源只與設備、管理、操作(服務)人員、乘客有關。游樂設備本身的安全性能很大程度上取決于前期設備的設計，制造質量為提高游樂設備的整體安全保障能力，降低設備的事故風險，必須注重設計的科學合理性。

[1] GB 8408—2008 游樂設施安全規范[S].

[2] GB/T 18161—2008 飛行塔類游藝機通用技術條件[S].

[3] GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規范[S].

[4] 李建勇.機電一體化系統設計基礎[M].北京:中央廣播電視大學出版社，2009.

[5] 王立權.機電控制與可編程序控制器[M].北京： 中央廣播電視大學出版社，2002.