滑索進(jìn)站速度影響因素分析及調(diào)整方法*

陽先波 趙九峰 紀(jì)永宏

1中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029 2河南省特備設(shè)備安全檢測研究院 鄭州 450000

0 引言

滑索是旅游景點常見的游樂設(shè)施，通常在2個支點間架設(shè)1根或2根鋼絲繩，乘客穿戴柔性吊具，懸掛于滑行小車下，利用兩支點高差所具有的勢能，依靠慣性沿鋼絲繩從高支點滑至低支點，屬于安全監(jiān)察的特種設(shè)備[1]。

滑索線路終點的滑行速度關(guān)系到乘客安全，終點速度過大時，滑車接觸減速（緩沖）裝置過程中仍可能會對乘客造成沖擊傷害，速度過小有可能導(dǎo)致乘客不能滑行進(jìn)站[2]。滑索站臺一般較短，乘客滑行進(jìn)站臺后滑行小車在較短距離內(nèi)與減速裝置接觸，進(jìn)站速度與接觸緩沖裝置前的速度變化很小。2002年，由原國家質(zhì)檢總局發(fā)布的安全規(guī)范文件《滑索安全技術(shù)要求（試行）》第2條要求滑行小車與制動（緩沖）裝置接觸前的速度不大于3.5 m/s，GB/T 31258—2014《滑索產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.1條要求：滑車最大進(jìn)站速度不大于6 m/s[3],其實質(zhì)都是對滑索終點速度（進(jìn)站速度）的安全要求。由于《滑索安全技術(shù)要求（試行）》屬于行政法規(guī)文件，目前未宣布廢止，其對速度要求嚴(yán)于滑索產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在現(xiàn)階段滑索設(shè)計驗收過程中，仍要求所有滑索的進(jìn)站速度不大于3.5 m/s。

目前，在對滑索進(jìn)站速度進(jìn)行設(shè)計計算時，只利用理論公式或動力學(xué)仿真進(jìn)行粗略估算，難以完全準(zhǔn)確計算所有相關(guān)影響因素，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)往往存在較大差距。基于此，本文通過分析影響滑索進(jìn)站速度的主要因素，提出調(diào)整滑索進(jìn)站速度的若干方法。

1 滑索運行特性分析

1.1 載荷特性分析

上下站臺由地形自然形成或由人工搭建登高架所構(gòu)成，從而使上站點與下站點形成一定的高差，為滑車滑行提供了原動力。游客在滑行過程中通過乘坐由柔性掛具懸掛的滑行小車，利用重力作用沿承載索（鋼絲繩）從起點快速到達(dá)終點，在到達(dá)終點時，多余能量被下站點的緩沖裝置所吸收后停止。

滑索運行時，乘客、吊具及滑車可簡化為簡單的物理模型，滑車、乘客和吊具的總質(zhì)量為m，重力加速度為g，則滑車和乘人的自重為mg，沿鋼絲繩下滑過程中，受摩擦阻力F1，受空氣阻力F2，滑車在運行軌跡上某點的下滑角為α。滑索運行過程中的載荷如圖1所示。

圖1 滑索載荷示意圖

乘客由靜止?fàn)顟B(tài)從滑索上站下滑至下站，滑行過程遵守根據(jù)能量守恒定律[4]

式中：g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，v為下站進(jìn)站速度，h為上下站高差為，L為滑行線路長。

根據(jù)式（1）可得，在高差h及長度L一定的情況下，空氣阻力及摩擦阻力做功越大，進(jìn)站速度v越小。

1.2 摩擦阻力

滑索運行過程中，滑車車輪在承載鋼絲繩上高速滾動，車輪與承載鋼絲繩之間主要受力為垂直向壓力N、側(cè)向力F3及摩擦阻力F1，車輪與承載鋼絲繩之間的阻力主要有承載索側(cè)向摩擦阻力和車輪滾動摩擦阻力[5]。滑車車輪載荷示意圖如圖2所示。

圖2 滑車車輪載荷示意圖

產(chǎn)生承載索側(cè)向摩擦阻力主要有2個主要因素:

1)由于風(fēng)載荷作用導(dǎo)致2根承載索距離s發(fā)生變化，但滑車車輪輪槽中心間距S是定值，滑車滑行時滑輪輪槽將2根承載鋼絲繩強(qiáng)制性約束于繩槽內(nèi)，輪槽側(cè)向與承載鋼絲繩接觸，產(chǎn)生摩擦阻力；2）乘客在滑行過程中身體左右扭動也會導(dǎo)致車輪輪槽側(cè)面與鋼絲繩之間接觸而產(chǎn)生摩擦。由于滑槽與鋼絲繩接觸面大小和接觸時間無法準(zhǔn)確測量或估算，速度計算中常忽略側(cè)向摩擦阻力。

滾動摩擦阻力主要與軸承滾動摩擦系數(shù)有關(guān)系，滾動摩擦阻力為[6]

式中：μ為小車滑輪滾動摩擦阻力系數(shù)(常取0.007 8)，μ1為車輪軸承的摩擦系數(shù)，μ0為車輪的滾動摩擦系數(shù)，R為小車車輪半徑，r為車輪軸半徑。

1.3 空氣阻力

空氣阻力指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產(chǎn)生的[7]。空氣阻力為

式中：f為空氣阻力系數(shù)(通常取0.7)；A為乘客迎風(fēng)面積,為0.3 m2；v為運行速度。

空氣阻力計算都是基于理想情況下進(jìn)行的，實際滑行過程中，乘客姿態(tài)變化影響迎風(fēng)面積，另外，滑行線路風(fēng)載荷大小和方向都對滑行速度有較大影響。總的來說，迎風(fēng)面積是影響空氣阻力的主要因素。滑索乘客運行空氣阻力與滑車速度的平方成正比，隨著速度增大，風(fēng)阻就會按平方規(guī)律增加。在汽車行業(yè)由實驗證明，車速小于60 km/h時，空氣阻力的影響不大，可忽略空氣阻力的影響[8]。對于運行速度較低的滑索，可忽略空氣阻力對乘人的影響。

2 滑索線路坡度設(shè)計

滑索線路坡度是影響滑行速度最主要因素，線路坡度選擇不合理，滑行速度將難以達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致要么進(jìn)站速度過快、要么無法進(jìn)站的情況，一般情況下按滑索線路長度和承載索根數(shù)確定坡度。本文總結(jié)了實際應(yīng)用較普遍的坡度數(shù)據(jù)，如表1所示，其基本規(guī)律是線路越長，所需坡度越大；同等線路長度下單承載索坡度小于雙承載索坡度。

表1 滑索常用坡度匯總表

3 滑車速度調(diào)整方法

3.1 鋼絲繩擾度調(diào)節(jié)法

滑索鋼絲繩擾度一般設(shè)計為3%～5%，調(diào)節(jié)鋼絲繩擾度是調(diào)整進(jìn)站速度最直接有效的辦法，大部分滑索通過該方法可以將進(jìn)站速度調(diào)整至安全要求。滑車從上站往下站滑行過程中，經(jīng)歷先加速、后減速的階段，鋼絲繩擾度越大，減速段距離越長，進(jìn)站速度越小。但擾度過大有可能導(dǎo)致乘客不能進(jìn)站，擾度太小會導(dǎo)致鋼絲繩張力過大，安全系數(shù)不夠的問題。擾度的調(diào)整要適應(yīng)不同體重乘客，對同一條滑索，滑行體重為40 ～70 kg時，承載索擾度宜調(diào)整至3%～4%，滑行體重70～90 kg時，承載索擾度宜調(diào)整至4%～5%。

3.2 空氣阻力調(diào)節(jié)法

風(fēng)阻是影響滑行速度的重要影響因素，風(fēng)向、風(fēng)速都對滑行速度有影響，常造成進(jìn)站速度偏大或不進(jìn)站的情況[9]。部分滑索線路因坡度較大，調(diào)整鋼絲繩擾度仍無法使進(jìn)站速度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，可采取增加空氣阻力的方法。通常可于座袋或滑車上增加迎風(fēng)擋板、裝飾物或風(fēng)艙以增加迎風(fēng)面積。裝飾物材料宜選擇質(zhì)量較輕的軟質(zhì)材料，不應(yīng)對乘客滑行過程構(gòu)成其他相關(guān)風(fēng)險，與緩沖裝置接觸過程不宜有任何風(fēng)險。國內(nèi)采用空氣阻力調(diào)節(jié)的典型設(shè)備為滑翔飛翼設(shè)備，如圖3所示。國外典型的方法為采用減速傘減速，減速效果非常明顯，但由于標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)相關(guān)原因，此種方法不適用于國內(nèi)。

圖3 滑翔飛翼

3.3 配重法

體重也是影響滑行進(jìn)站速度的關(guān)鍵，體重越大，總勢能越大，進(jìn)站速度越高。在實際滑行過程中，同一條滑索，同等滑行條件下，體重較重的進(jìn)站速度高，體重較輕的進(jìn)站速度低或無法進(jìn)站。滑索屬于老少皆宜的滑行項目，乘客體重范圍一般限定在30 ～90 kg，當(dāng)體重大的乘客能以正常速度進(jìn)站時，體重小的乘客有可能滑行速度偏低，無法滑行到終點，導(dǎo)致要進(jìn)行救援。因此對體重小的乘客進(jìn)行適當(dāng)配重，使進(jìn)站速度保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍。一般采用的方法是在滑行吊帶上吊掛一定量的沙袋以增加滑行體重。配重法不影響滑行安全，操作簡單，調(diào)速效果明顯，應(yīng)用較多。

3.4 摩擦阻力調(diào)節(jié)法

滑索設(shè)計中主要有以下四方面措施改變滑行過程摩擦阻力，以調(diào)整滑行進(jìn)站速度。

1）調(diào)整行走輪直徑 調(diào)整行走輪直徑是一種調(diào)整行走輪與鋼絲繩滾動摩擦系數(shù)的方法[10]，由式（2）可知，行走輪直徑R越大，滾動摩擦系數(shù)越小，常規(guī)的行走輪直徑為80 ～120 mm，對于部分傾角較小線路通過調(diào)整擾度后仍無法正常進(jìn)站的，可以增加行走輪直徑。

2）改變行走輪材質(zhì) 改變行走輪材質(zhì)是一種調(diào)整摩擦阻力的方法。絕大多數(shù)行走輪材質(zhì)為碳鋼，與鋼絲繩接觸滾動摩擦系數(shù)較小。對于部分滑索線路進(jìn)站速度一直偏高的設(shè)備，更改行走輪材質(zhì)，可有效減小進(jìn)站速度，如國內(nèi)某1 200 m滑索，高差300 m，采用鋼質(zhì)行走輪，滑行進(jìn)站速度始終偏高，改用了聚氨酯車輪，有顯著的減速效果。

3）調(diào)整車輪數(shù)量 滑索滑行小車采用的車輪數(shù)量多為4個或2個，車輪數(shù)量越多，與鋼絲繩摩擦越大，滑索設(shè)計中要根據(jù)線路情況選擇合適的滑車車輪數(shù)量。

4）承載索根數(shù) 承載索根數(shù)是影響進(jìn)站速度的因素之一。對于雙承載索，滑車車輪輪槽側(cè)向與承載索易產(chǎn)生較大摩擦，而采用單根承載索時不存在側(cè)向摩擦，同等條件下，采用單承載索可以提高進(jìn)站速度[11]。

3.5 車輪阻尼葉片

提高行走輪摩擦系數(shù)的另外一種方法是增加車輪轉(zhuǎn)動阻尼，目前實際應(yīng)用中有效的方法是在行走輪上設(shè)置旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)葉片，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)葉片

乘客滑行過程中，葉片隨車輪高速轉(zhuǎn)動，與空氣形成阻尼，達(dá)到對滑行速度的微調(diào)。這種速度調(diào)節(jié)方法應(yīng)用在國內(nèi)某風(fēng)景區(qū)長605 m的滑索，減速效果較為明顯，進(jìn)站速度比較穩(wěn)定。

滑索在實際運行過程中，超速進(jìn)站的情況較為常見，主要是受風(fēng)速影響。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)速大于8 m/s時滑索禁止運行，但對于多數(shù)線路，風(fēng)速在2～5 m/s時就會引起進(jìn)站速度的顯著變化，部分線路進(jìn)站速度甚至超過8 m/s,乘客這種速度下減速停止，身體易與下站減速緩沖裝置發(fā)生較大沖擊，極易受傷，其原因在于部分滑索線路的減速緩沖裝置只適用于進(jìn)站速度低于3.5 m/s時的減速。故提高減速緩沖裝置在乘客高速進(jìn)站情況下的有效性和安全性是保護(hù)乘客安全的關(guān)鍵措施[12]。

4 結(jié)論

針對目前部分滑索線路設(shè)計中面臨的進(jìn)站速度難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求問題，分析了影響滑索進(jìn)站速度的主要因素，總結(jié)了滑索設(shè)計和調(diào)試過程應(yīng)注意的事項和解決問題的方法，這些方法廣泛應(yīng)用于滑索的設(shè)計、安裝調(diào)試，效果明顯，能有效提高滑索進(jìn)站安全。對于進(jìn)站速度受風(fēng)速影響較為敏感的設(shè)備，乘客滑行至下站時較容易超速進(jìn)站，為保護(hù)乘客安全，應(yīng)提高減速緩沖裝置在乘客高速進(jìn)站情況的有效性和安全性。