游樂設施安全壓杠鎖緊裝置的失效原因和對策

張宇光，李傳磊，沈 杰，趙攸樂

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062）

0 引言

近年來，越來越多的年輕人開始追求愈加刺激和驚險的游樂項目。在這些游樂設施花樣頻出，變得愈加驚險刺激的同時，其風險也在相應地增加。為提升游樂設施的本質安全水平，確保乘客束縛裝置的功能安全是十分重要的，而安全壓杠就是游樂設施最具特征的專用乘客束縛裝置。在游樂設施運行過程中，安全壓杠鎖緊裝置的作用是鎖緊安全壓杠，使安全壓杠與乘坐物一起形成封閉的束縛體將乘客限制在特定的范圍內，以防止乘客脫離乘坐物而發生危險。本文選取安全壓杠鎖緊裝置中一種比較常見的齒條棘爪鎖緊裝置為研究對象，結合檢驗工作實際，從設計、制造、使用等環節分析造成其失效的原因，并提出相應的對策，以提高其安全可靠性。

1 護胸壓肩式安全壓杠和齒條棘爪鎖緊裝置

1.1 護胸壓肩式安全壓杠

安全壓杠為剛性結構的乘客束縛裝置，根據不同的使用場合，安全壓杠主要有護胸壓肩式、壓腿式和壓背式3 種形式。其中護胸壓肩式安全壓杠常用于座艙翻滾、顛倒及人體上拋的游樂設施，如“過山車”、“魔術風車”等。此類設備具有離地面高、運行速度快、運動慣性大等特點，乘客在游玩這類游樂設施時可能會脫離座位甩出艙外而受到意外傷害。為防止乘客脫離座位，必須用護胸壓肩式安全壓杠將乘客約束坐在座位上[1]。護胸壓肩式安全壓杠結構簡圖如圖1所示。

護胸壓肩式安全壓杠主要由壓杠本體、座椅、鎖緊裝置、壓杠轉軸、鎖緊桿等部分組成[2]。安全壓杠本體用鋼管制成，外加軟包裝，壓在乘客的雙肩上。座椅是安全壓杠的安裝基座，也是乘客束縛裝置的組成部分。壓杠轉軸與座椅連接，安全壓杠能繞壓杠轉軸轉動。鎖緊桿被鎖緊裝置鎖定，而其本身也可以是鎖緊裝置的一部分，同時鎖緊桿與安全壓杠端部相連。鎖緊裝置通過鎖定鎖緊桿使安全壓杠閉鎖。

游樂設施在運行過程中，壓杠本體保持不動，與座椅一起形成封閉的束縛體將乘客限制在特定的范圍內，從而保護乘客不被甩出或掉落。為保證乘客在游樂設施運行時不被甩出或掉下，安全壓杠鎖緊裝置應可靠鎖緊，能在游樂設施停止運行前始終處于閉鎖狀態，使壓杠本體保持不動。而且，在鎖緊狀態下，安全壓杠端部的游動量應符合標準的規定。

1.2 齒條棘爪鎖緊裝置

齒條棘爪鎖緊裝置應用比較廣泛，在進口和國產游樂設施中均有采用[3]，如圖2所示。齒條棘爪鎖緊裝置的結構簡圖如圖3所示。

圖2 齒條棘爪鎖緊裝置

圖3 齒條棘爪鎖緊裝置結構簡圖

圖3 中，鎖緊桿上端與壓杠曲柄相連，鎖緊桿下端插入在缸體中，缸體下端與座椅連接。當壓杠下壓時，鎖緊桿向上抽出；當壓杠向上抬起時，鎖緊桿向下插入。齒條棘爪鎖緊裝置的工作原理是：當齒條棘爪鎖緊裝置鎖定鎖緊桿使安全壓杠閉鎖時，棘爪在壓緊彈簧的作用下緊貼齒條并插入齒面，阻止齒條和鎖緊桿向下運動，從而阻止壓杠上翻打開。當齒條棘爪鎖緊裝置松開鎖緊桿使安全壓杠打開時，從氣缸無桿腔輸入壓縮空氣，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力推動活塞運動，使活塞桿伸出推動打開搖桿轉動，打開搖桿使棘爪克服彈簧力脫離齒條，齒條和鎖緊就可以自由上下運動，從而壓杠也能自由上下運動。

2 齒條棘爪鎖緊裝置失效原因和對策

2.1 存在問題

此種齒條棘爪鎖緊裝置存在的主要問題有兩個：一是壓緊彈簧變形失效或壓緊彈簧斷裂失效，無法壓緊棘爪，棘爪就不能有效嵌入齒條，阻止齒條的運動，從而使鎖緊裝置失效；二是棘爪和齒條齒面磨損，造成棘爪和齒條嚙合面減小，嚙合有效性減弱，使鎖緊裝置可靠性降低。

2.2 失效原因分析

（1）造成壓緊彈簧變形失效或壓緊彈簧斷裂失效可能的原因是：壓緊彈簧安裝在棘爪工作面的另一端，當棘爪在壓緊彈簧的作用下旋轉，推動棘爪工作面一側插入齒條齒面時，壓緊彈簧呈直線狀態；當打開搖桿在氣缸的推動下，繞旋轉軸轉動并帶動棘爪脫離齒條齒面時，壓緊彈簧就呈彎曲狀態。在齒條棘爪鎖緊裝置頻繁地開啟、閉合過程中，壓緊彈簧時而處于直線狀態，時而處于彎曲狀態，壓緊彈簧就處于不斷折彎拉直過程中，會因疲勞性能不斷減弱，最終導致失效。

（2）造成棘爪和齒條齒面磨損可能的原因是：隨著壓緊彈簧性能的減弱，棘爪與齒條間的嚙合也不再緊密可靠，接合面位置不穩定，使接觸面受力不均勻且受到的沖擊載荷增多，進而造成棘爪和齒條齒面的磨損。另外，棘爪和齒條齒面的型號規格、材料的選擇不當也會造成棘爪和齒條齒面磨損。

2.3 解決方法與措施

齒條棘齒鎖緊裝置出現的問題，反映了設計、材料及加工工藝存在不足[4]。應針對失效產生原因，從設計、制造以及使用、檢查和維護保養等方面進行提高和改進，減少失效發生幾率，提高鎖緊裝置的安全可靠性。

為了避免壓緊彈簧變形失效或壓緊彈簧斷裂失效，使用說明書中應詳細說明彈簧失效的具體判定方法，使維保人員能夠清晰判斷彈簧是否失效。維保人員應提高責任心和業務水平，做好維護保養工作，及時發現壓緊彈簧失效問題。從設計和制造方面，也可修改推動棘爪嚙合的方式，改棘爪轉動為棘齒來回推動，避免壓緊彈簧工作中時而處于直線狀態，時而處于彎曲狀態，因疲勞性能不斷減弱，最終導致失效的情況發生。

為了避免棘爪和齒條齒面磨損，應保證壓緊彈簧性能良好，能使棘爪與齒條間的嚙合緊密可靠，避免因接觸面受力不均勻和沖擊載荷較多造成棘爪和齒條齒面的磨損。使用說明書中應詳細說明棘爪和齒條齒面磨損的具體判斷方法，使維保人員能夠清晰判斷棘爪和齒條齒面是否磨損。為避免棘爪和齒條齒面磨損，設計、制造單位在型號規格、材料的選擇方面，齒條應采用較大模數的齒形，以提高抗沖擊能力；在保證不會齒根折斷的前提下，選用較高硬度的材料，提高齒面硬度，減緩齒面磨損，同時注意齒條齒面與棘爪齒面應選擇不同硬度的材料，較易更換的棘爪齒面應選擇較低硬度的材料。

此外，GB 8408-2018《大型游樂設施安全規范》中第6.8.2.2.4條要求[5]：“安全壓杠行程應可調節，壓杠在壓緊狀態時端部的游動量不大于35 mm。”檢驗檢測機構檢驗人員應當按照法規、標準規定，認真、嚴謹開展檢驗工作，及時提醒運營使用單位做好設備安全維護。

3 結束語

本文分析了安全壓杠中齒條棘爪鎖緊裝置的失效情況和失效原因，并提出了相應的解決方法和措施，幫助設計、制造單位通過改進設計，提高齒條棘爪鎖緊裝置的本質安全和可維護性，運營使用單位、維護保養單位做好棘爪鎖緊裝置的檢查和維護保養工作，及時發現齒條棘爪鎖緊裝置的安全隱患。通過設計、制造單位、運營使用單位、維護保養單位的共同努力，提高安全壓杠中齒條棘爪鎖緊裝置的可靠性，規避設備運行風險，切實降低游樂設施事故發生的概率。