翻轉式飛行影院設備復位方案設計

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

游樂行業發展至今，室內大型的音視頻機電一體化游樂項目越來越受到游客的青睞，翻轉式飛行影院正是該類型產品的項目之一。隨著游樂項目和人們的交集越來越多，設備的安全性日益引起關注。2019年國慶長假期間，國內某主題樂園的翻轉式飛行影院出現故障，設備無法復位，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，在設備研發階段就須有一套可靠的解決方案。本文介紹一種翻轉式飛行影院設備復位方案的設計過程，按GB 8408《大型游樂設施安全規范》的要求對翻轉式飛行影院可能出現乘客高空滯留的危險事件進行風險分析，并對零部件或子系統進行失效分析，分析其失效后是否可能造成設備故障從而導致乘客高空滯留。然后根據風險分析和失效分析的措施要求對設備的控制原理和液壓救援回路進行方案設計。在設備控制原理的方案設計中，先對設備的復位流程進行分析，然后根據復位流程設計電氣控制原理框圖。在液壓救援回路的設計中，按互不干擾原則和復位時間的要求，設計單獨控制翻轉油缸的液壓回路。這個復位方案可使設備在各種極端情況下急停時仍可復位，且復位時間不大于5 min。游樂設備須有應急救援預案，復位操作正是設備應急預案的重要內容。在設備應急預案的指導下，疏散救援時間可控制在1 h以內，乘客高空滯留的時間符合《特種設備安全監察條例》的要求。

該復位方案有助于解決翻轉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備才能讓乘客放心享受歡樂，同進也有助于翻轉式飛行影院設備在游樂市場的發展。

1 翻轉式飛行影院的工作原理

翻轉式飛行影院屬于觀覽車類大型游樂設施［1］。如圖1所示，設備共12個座艙，每個座艙8人，共96人。設備主要由座艙、大臂、主軸、立柱、翻轉油缸等部件組成。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。大臂部件在翻轉油缸的作用下翻轉90°，翻轉后如圖2所示。

圖1 設備結構簡圖

圖2 設備運行狀態簡圖

2 關于乘客高空滯留的風險分析

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

表1 飛行影院高空滯留的風險分析

3 關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GB／T 7826－2012《系統可靠性分析技術失效模式和影響分析（FMEA）程序》［6］的要求進行失效分析。從某個元器件失效從而導致設備不能復位的角度分析，液壓系統和電控系統的其中一個關鍵元器件失效就會導致設備停止在當前位置，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，液壓系統可能會因為某個液壓元件失效而無法正常工作，措施為設計一套獨立的救援回路，主液壓系統無正常工作時，可以液壓救援回路使設備復位；主電控系統可能會因為某個關鍵元器件失效而元法正常工作，措施為設置一套電控復位系統，當主電控系統無法正常工作時，可用該電控復位系統使設備復位。

表2 飛行影院高空滯留的失效分析表

4 設備控制原理的方案設計

分析可知，要使設備在各種應急情況下復位，需要增加UPS系統、油缸的絕對值線性位移傳感器、液壓救援回路、電控復位系統等。下面先對復位流程進行分析，然后對設備控制原理進行方案設計。

4.1 復位流程的分析

當設備出現急停狀態時，設備就需要馬上進入復位模式進行疏散。復位操作可分3種模式：系統自動復位、手動復位、電控復位系統復位等。系統自動復位是在設備無故障的情況下，電控系統能自動使設備復位的復位模式。手動復位是設備發生某種故障而不能自動復位，通過操作觸摸屏的手動控制面板使設備復位的復位模式。電控復位系統復位是設備的電控系統或液壓系統出現較嚴重的故障、突然斷電等情況下使用的復位模式。系統自動復位模式的用時最短，操作最為簡單，其次是手動復位，最后是電控復位系統復位。因此，當設備需要疏散救援時，設備復位模式優先級的先后順序為：系統自動復位、手動復位、電控復位系統復位。

設備在復位之前，均會處理急停的狀態。系統的急停可分為操作人員急停和設備自動急停。如圖3所示，操作人員急停時，按復位模式的優先級選擇相應的復位模式進行復位即可。

圖3 復位流程1

如圖4所示，設備自動急停一般為突然斷電、液壓故障、電氣故障、機械故障、火警等。工作人員須根據電控系統的故障提示對設備急停原因進行判斷，從而選擇相應的復位模式進行復位。突然斷電時，優先選用系統自動復位模式進行復位，如自動復位模式不能復位，再用電控復位系統模式進行復位。液壓故障、電氣故障時直接進入電控復位系統模式進行復位。機械故障時須先由工作人員快速排除故障，再按復位模式的優先級選擇適合的復位模式進行復位。發生火警時，按設備復位模式的優先級選擇適合的復位模式進行復位。

圖4 復位流程2

4.2 電氣控制原理的設計

根據分析，設計出圖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、液壓救援回路、液壓控制器、UPS、PLC、電控復位系統、顯示屏等組成。主液壓系統僅由主電源供電，除主液壓系統外，UPS系統均可為其他系統供電。在翻轉油缸上設置絕對值的位移傳感器，向液壓控制器反饋位置數據，即使發生電源故障時，該傳感器也不會丟失當前的位置數據［7］。

圖5 設備的控制原理

系統自動復位時，電控系統根據預設的程序控制主液壓系統，使翻轉油缸伸出，從而使設備自動復位。當設備突然斷電時，UPS系統會切換成蓄電池供電，即電控復位系統由UPS系統單獨供電。由于UPS為在線式UPS，當設備突然斷電時，UPS能無縫切換到蓄電池供電，主電控系統不會掉電關機，主電控系統的運行數據、翻轉油缸的位置數據等不會丟失［8］。主電控系統停止對主液壓系統的控制，轉而控制液壓救援回路，使翻轉油缸伸出，從而使設備復位。

手動復位時，在顯示屏中選擇手動模式，然后在手動控制面板上進行手動操作，控制主液壓系統，使翻轉油缸伸出，從而使設備復位。

電控復位系統是獨立于主電控系統的手動控制系統，且可由主電源或UPS供電。電控復位系統須與液壓控制器聯鎖，當電控復位系統啟動后，液壓控制器便停止對主液壓系統及液壓救援回路的控制，電控復位系統直接控制液壓救援回路，使翻轉油缸伸出，從而使設備復位。

5 液壓系統救援回路的液壓原理設計

分析可知，系統須設計一套液壓救援回路，當突然斷電、主要零部件失效時提供壓力油給翻轉油缸，使設備復位。根據GB／T 3766《液壓傳動系統及其元件的通用規則和安全要求》［9］的要求對液壓救援回路進行設計，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回路均可單獨向翻轉油缸提供壓力油，兩個回路可安裝在同一個液壓站上，共用同一個油箱。設備正常工作時，救援回路的電機1、電磁閥4、電磁閥6均處于失電狀態。液控單向閥11的控制壓力油由主液壓系統提供，由主液壓系統控制其打開及關閉。當設備發生應急情況需要用液壓救援回路使設備復位時，先啟動電機1，接著啟動電磁閥4進行加壓［10－11］，最后啟動電磁閥6使翻轉油缸伸出，從而使設備復位。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均裝配在翻轉油缸的缸體上，可以起到防爆管的作用，當救援回路或主油路的油管發生爆裂時，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生失速動作。

圖6 液壓救援回路的液壓原理

設備正常運行時，設備翻轉的時間約為15 s，主液壓系統的驅動功率超過120 kW。考慮到設計的可行性、合理性和經濟性，救援時翻轉的時間控制在5 min內，電機1的功率在20 kW以內即可，以便于用UPS驅動電機1。

6 結束語

本文對翻轉式飛行影院在乘客高空滯留方面進行風險分析和失效分析，然后按降低風險的措施設計設備控制原理框圖和液壓救援回路。UPS系統、電控復位系統、液壓救援回路等用于復位的子系統，在設備正常工作時與設備的主運行系統互不干擾，當設備在各種極端情況下急停時能使設備復位。設備復位的時間控制在5 min之內，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，符合《特種設備安全監察條例》的要求。