姜 洋 尼瑪扎西 李加申

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.西藏自治區(qū)特種設備檢測所 拉薩 850000）

1 研究背景

觀光塔是由鋼絲繩吊掛乘人吊艙，沿垂直地面方向上下往復運動的一類游樂設備。一般每個座艙可承載乘客4～6人，游客在乘坐過程中可體驗登高遠望及上下運動過程中加速度變化帶來的刺激感。該設備屬于飛行塔類游樂設施，其結構及運行原理如圖1所示。

圖1 觀光塔類游樂設施結構及運行原理圖

據(jù)筆者調查在國內外曾多次發(fā)生過座艙墜地導致乘客受傷的事故。朝陽公園、太原迎澤公園觀光塔座艙與地面碰撞造成乘客腿部與腰椎不同程度受傷，日本熊本縣一游樂園的該類設備也發(fā)生了座艙與地面碰撞導致4名乘客受傷的嚴重事故。事故設備照片見圖2。

圖2 事故設備照片

為避免同類事故的發(fā)生，對此類事故的原因研究是有必要的，本文主要分析該類事故的發(fā)生原因、解決對策及檢驗過程中應該注意的重點。

2 座艙墜地主要失效模式分析

觀光塔的運行概要如圖3所示，座艙首先加速運行一段時間達到規(guī)定速度后保持勻速運行，達到減速點后減速上升最后停止于設備端部停止點，然后開始下降并在某一位置減速下降，最后停止于設備底部。一般此類循環(huán)會根據(jù)游樂時間反復幾次。設計人員往往會根據(jù)乘客乘坐的最佳感覺設置設備運行的最佳速度曲線。實現(xiàn)這一控制功能的手法目前主要采用PLC與交流電機變頻器邏輯控制曳引電機的方法。

圖3 觀光塔類游樂設施運行概要圖

根據(jù)以往事故案例分析觀光塔類游樂設施發(fā)生座艙墜地的原因主要有以下兩種。第一種是由于控制系統(tǒng)故障導致座艙在應該減速時并未有效減速，導致座艙到達停止位置時依然保持較高的初速度，座艙會在這種情況下與地面發(fā)生碰撞導致游客傷亡。第二種是控制系統(tǒng)工作正常但是執(zhí)行制動功能的機械或電氣部件失效，導致無法有效對座艙進行減速導致碰撞事故的發(fā)生。以下筆者分別針對以上兩種失效模式進行具體的分析。

發(fā)生在朝陽公園的觀光塔墜地事故的原因是，當時設備當中設置了一個減速用接近開關，當座艙到達減速位置時觸發(fā)減速開關動作，PLC識別減速信號后命令變頻器執(zhí)行電機減速程序。但由于設備往復運行過程中鋼絲繩張緊及載荷條件出現(xiàn)變化，傳感器擋板相對于傳感器感應面產生部分間隙。導致感應板通過接近開關時，接近開關未被觸發(fā)，座艙通過減速段后依然高速下降最終導致座艙墜地事故發(fā)生。

發(fā)生在日本熊本縣的另一起觀光塔座艙墜地的原因則是由于實施減速制動的變頻器內部電容老化，導致制動力不足而最終發(fā)生了座艙墜地事故［1］。目前依據(jù)我國部分游樂設施使用單位經驗，采用變頻控制的游樂設施變頻器的使用年限大致為10年左右，這是由于內置電容往往由于頻繁的充放電會造成電容內電解質下降而容量降低。一般情況下工作溫度越高，變頻器內置電容的損耗越大。

圖4 變頻器內部結構

電容老化的直接影響是導致變頻器直流母線的輸出電壓降低。當座艙進入減速下降區(qū)段時變頻器會承受減速所需的回生電壓，由于變頻器往往都帶有回生電力過壓保護功能，在回生電壓大于母線電壓時變頻器會采取通過控制輸出頻率而實現(xiàn)抑制回生電力的方法避免過電壓的影響。但這一動作則會導致制動時間加長，使用座艙總載荷越大減速制動時間會隨之變長，當電容老化程度越高則直流母線電壓下降越大，如果與超載現(xiàn)象疊加則會導致制動時間過長，在座艙進入停止位時依然沒有實現(xiàn)完全制動從而導致座艙墜地事故的發(fā)生。

3 解決方案

為防止第一類事故的發(fā)生要考慮避免傳感器漏檢的方法，如增加控制系統(tǒng)冗余措施與提高使用電器件的可靠性等級。如在圖1中的驅動滾輪處加裝可靠性高的安全編碼器，實時檢測座艙的位置與運行速度。同時還可以增設一處冗余用減速位置傳感器，兩套檢測裝置相互比較可以提高安全性。并在控制程序中設置安全聯(lián)鎖程序，實時掃查座艙的位置與速度。在檢測到減速無效或下降超速時，立即觸發(fā)圖1中驅動裝置的制動器，起動緊急停止功能防止座艙墜地事故發(fā)生。通過這一措施可以將控制系統(tǒng)的安全性能等級如圖5所示。

圖5 變更前后的回路構架類別變化

同時在進行輸入、邏輯與輸出器件選型時，可依據(jù)ISO 13849-1.2006標準，選取平均診斷范圍中級以及平均無危險故障時間中級以上的器件，可以有效防止由于控制系統(tǒng)故障導致墜地事故的發(fā)生。

其次為防止由于變頻器內置電容降低導致制動時間變長的隱患，可采取使用能顯示變頻器內置電容容量，以及可顯示累計使用時間的新型變頻器。且將直流母線低壓報警與PLC通訊直接連接，如設置直流母線低壓報警則停止設備運行的連鎖功能。并在日常的自檢過程中對電氣設備加大檢驗頻度，并采取有效的變頻器散熱措施以延長變頻器內置內容的使用壽命。使用過程中嚴格控制乘客的合計重量不能超過額定載荷的有效方法。此外，在設計過程中考慮到變頻器電容老化功能降低的情況，在設計選型階段適當加大變頻器的容量選擇，以提高使用年限。

4 總結

基于以上分析，合理增加觀光塔類設備制動減速控制系統(tǒng)的安全性能等級，以及在設計鑒定以及使用階段考慮到由于變頻器內置電容老化帶來的制動時間延長問題，可有效降低觀光塔類游樂設施座艙發(fā)生墜地事故的概率。期望本文能對觀光塔類游樂設施的設計、維護、檢驗單位起到一定的參考作用。

［1］ 向殿政男.熊本縣內觀光塔事故報告[EB/OL].日本東京：社會資本審議會升降機等事故調查委員會.2014，（引用日期2016年12月16日）.

［2］宋偉科，林偉明，郭俊杰.大型游樂設施典型案列[M].上海：同濟大學出版社，2015.

［3］李加申，李海庭，柴彬.日本大型游樂設施安全管理[M].上海：同濟大學出版社，2016.

［4］付恒生，林明，梁朝虎.大型游樂設施設計[M].上海：同濟大學出版社，2 015.