某游樂設(shè)施安全壓杠的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)應(yīng)用研究

趙 強(qiáng) 宋偉科

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

大型游樂設(shè)施是指用于經(jīng)營(yíng)目的，承載乘客游樂的設(shè)施，其范圍規(guī)定為設(shè)計(jì)最大運(yùn)行線速度大于或者等于2 m/s，或者運(yùn)行高度距地面高于或者等于2 m的載人大型游樂設(shè)施[1]。其作為特種設(shè)備的一個(gè)種類，因其較高的社會(huì)關(guān)注度，又被稱為“特種設(shè)備中的特種設(shè)備”。截至2020 年底，在用A 級(jí)大型游樂設(shè)施2 417 臺(tái)（套），其中滑行車類游樂設(shè)施636 臺(tái)（套），占A 級(jí)大型游樂設(shè)施比重達(dá)26.3%。通過事故分析統(tǒng)計(jì)，滑行車類游樂設(shè)施發(fā)生事故的概率高于其他類游樂設(shè)施，占事故總數(shù)的36%[2]。而滑行車類事故中，安全壓杠失效將直接導(dǎo)致乘客甩出等重大傷害事故，其事故后果往往是無(wú)法承受的。因此，安全壓杠及其鎖緊機(jī)構(gòu)是保障滑行車類游樂設(shè)施安全運(yùn)行的重中之重。

1 安全壓杠及工作原理

1.1 壓杠主要型式

安全壓杠是大型游樂設(shè)施中最常用、可靠性較高的一種乘客束縛裝置（如圖1 所示）。設(shè)備依靠安全壓杠壓緊身體來(lái)確保游客不會(huì)在運(yùn)行過程中被甩出車外，達(dá)到確保游客安全乘坐的目的。安全壓杠的主要型式有壓肩式、壓腿式和壓腹式3 種。為了保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全壓杠不會(huì)意外開啟，安全壓杠須設(shè)計(jì)有鎖緊機(jī)構(gòu)。安全壓杠的安全性直接關(guān)系游客的生命安全，也是設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)等工作的重點(diǎn)。

圖1 車體結(jié)構(gòu)圖

1.2 壓杠基本工作原理

大型游樂設(shè)施安全壓杠依靠鎖緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。鎖緊機(jī)構(gòu)的主要型式有棘爪鎖緊、閉式油缸鎖緊等，其中以棘爪鎖緊結(jié)構(gòu)最為常見，其主要部件為棘爪和棘輪。一般情況下，棘爪靠彈簧彈力與棘輪嚙合，使壓杠保持鎖緊狀態(tài)。棘爪通過氣彈簧拉動(dòng)鋼絲繩與棘輪分離（需克服彈簧彈力），使壓杠保持在打開狀態(tài)。另外，在無(wú)外力作用的情況下，棘爪在壓縮彈簧的作用下會(huì)保持嚙合的趨勢(shì)，使得設(shè)備在運(yùn)行過程中以及棘爪不受外力作用的情況下，安全壓杠不會(huì)自行打開。為便于讀者理解，本文以國(guó)內(nèi)某臺(tái)過山車的安全壓杠為例，對(duì)其工作原理進(jìn)行描述。

1.3 壓杠打開工作原理

壓杠打開狀態(tài)如圖2 所示：電動(dòng)推桿縮回，通過鋼絲繩拉動(dòng)壓杠轉(zhuǎn)軸，使撥塊撥動(dòng)棘爪2 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，克服彈簧彈力帶動(dòng)棘爪1 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使棘爪1 與棘輪分離，壓杠可自由動(dòng)作。當(dāng)壓杠往上推到最高位置時(shí)，棘爪2 在壓縮彈簧作用下與棘輪嚙合，使壓杠固定，無(wú)法下壓。此時(shí)壓杠處于打開位置，以便乘客上下游樂設(shè)施。

圖2 壓杠打開狀態(tài)

1.4 壓杠鎖緊工作原理

壓杠鎖緊狀態(tài)如圖3 所示：電動(dòng)推桿伸出，使鋼絲繩松弛。在氣彈簧的推力作用下，撥塊帶動(dòng)棘爪2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使棘爪1 與棘輪嚙合，壓杠實(shí)現(xiàn)鎖緊功能，撥塊在氣彈簧作用下保持與棘爪2 接觸。此時(shí)，氣彈簧和壓縮彈簧共同作用，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中壓杠保持閉鎖狀態(tài)。

圖3 壓杠鎖緊狀態(tài)

通過以上分析可以看出，壓杠及其鎖緊裝置中每一個(gè)部件的可靠性都會(huì)對(duì)壓杠的功能產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)壓杠鎖緊裝置中的各零部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以避免零部件失效造成壓杠鎖緊裝置功能不可靠而對(duì)游客乘用游樂設(shè)施產(chǎn)生不可接受的風(fēng)險(xiǎn)。

2 安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8408—2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》中明確規(guī)定了大型游樂設(shè)施在設(shè)計(jì)階段須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]。游樂設(shè)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)階段盡可能全面識(shí)別出有可能對(duì)游客造成人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。一旦發(fā)現(xiàn)存在上述風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。通過信息收集、危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制4 個(gè)過程從設(shè)計(jì)階段完善設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)備安全[4-6]。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的選擇

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在各行業(yè)中都有較廣泛的應(yīng)用，方法也是多種多樣，按類別主要分為定性分析和定量分析兩大類。不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法針對(duì)的分析層面也不相同，合理選擇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法直接關(guān)系評(píng)估結(jié)果的可靠性。目前游樂設(shè)施設(shè)計(jì)制造單位普遍采用的是故障類型和影響分析法（FMEA），本文也采取該方法對(duì)安全壓杠的鎖緊機(jī)構(gòu)部位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。失效模式及后果分析FMEA (Failure Mode and Effects Analysis)是在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防和控制，對(duì)安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制，采取措施予以消除或使其處于有效控制之下，該方法目前在游樂設(shè)施設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用較為普遍。

2.2 基于零部件的FMEA

本文主要從設(shè)備的角度出發(fā)，來(lái)發(fā)現(xiàn)、評(píng)估和化解危險(xiǎn)狀態(tài)，以保證設(shè)備安全，間接保證游客人身安全。它主要是從失效嚴(yán)重度S(Severity)、失效發(fā)生可能性O(shè)(Occurrence)和失效發(fā)現(xiàn)可能性D(Detection)3 個(gè)維度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。根據(jù)滑行車類游樂設(shè)施事故與故障統(tǒng)計(jì)分析情況，設(shè)計(jì)了零部件的失效嚴(yán)重程度積分表（見表1）、失效發(fā)生可能性積分表（見表2）和失效發(fā)現(xiàn)可能性積分表（見表3）。

表1 失效嚴(yán)重程度S 積分表

表2 失效發(fā)生可能性O(shè) 積分表

表3 失效發(fā)現(xiàn)可能性D 積分表

等級(jí)積分RPN值為失效發(fā)生的可能性O(shè)、失效嚴(yán)重程度S及失效發(fā)現(xiàn)的可能性D三者之間的乘積，即RPN=失效發(fā)生可能性O(shè)×失效嚴(yán)重程度S×失效發(fā)現(xiàn)可能性D。本文僅利用FMEA 方法對(duì)安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，具體內(nèi)容見表4。

表4 安全壓杠鎖緊機(jī)構(gòu)FMEA 分析表

2.3 對(duì)壓縮彈簧遭受意外沖擊情況的計(jì)算

除了上述對(duì)壓杠部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析外，還要考慮運(yùn)動(dòng)過程中的意外情況。例如：當(dāng)車體處于滑行狀態(tài)時(shí)，若出現(xiàn)氣彈簧失效的情況，由于振動(dòng)或其他因素導(dǎo)致?lián)軌K繞轉(zhuǎn)軸自由擺動(dòng)，此時(shí)撥塊存在撞擊棘爪1 的情況，若沖擊力大于棘爪1 壓縮彈簧的彈力，則棘爪1 與棘輪會(huì)分離而使壓杠鎖緊失效，若沖擊力小于棘爪1 壓縮彈簧的彈力，則壓杠仍能保持閉鎖狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計(jì)選型，棘爪1 使用的壓縮彈簧在棘爪嚙合時(shí)的彈力為3 N，撥塊質(zhì)量為0.12 kg，撥塊沖擊棘爪1 時(shí)受力如圖4 所示，x方向最大加速度為1.65g，保守計(jì)算取沖擊系數(shù)為2，計(jì)算結(jié)果如下：

圖4 撥塊沖擊棘爪示意圖

撥塊對(duì)棘爪1 的沖擊力F1=kma=2×0.12×1.65×9.8×40÷59 N ≈2.6 N。

對(duì)棘爪1壓縮彈簧的作用力F2=F1×63÷55 N≈3 N。

因此，在氣彈簧失效的情況下，撥塊的慣性力剛好可打開壓杠鎖緊，此時(shí)壓杠鎖緊不可靠。為了保證完全規(guī)避此風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需對(duì)此裝置進(jìn)行優(yōu)化，不得讓撥塊自由擺動(dòng)沖擊棘爪1。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1）在每個(gè)打開壓杠裝置增加1 處氣彈簧作為冗余設(shè)計(jì)，確保一處氣彈簧失效后仍有另一個(gè)氣彈簧可以使撥塊處于限制狀態(tài)而不會(huì)隨意擺動(dòng)，確保撥塊不會(huì)撞擊棘爪1。

2）優(yōu)化壓縮彈簧選型設(shè)計(jì)，棘爪1 使用的壓縮彈簧在棘爪嚙合時(shí)的彈力增加至6 N 以上，確保撥塊在意外撞擊情況下不會(huì)打開棘爪1。

3）壓杠機(jī)構(gòu)上所有螺母改為防松螺母，避免螺栓在設(shè)備運(yùn)行過程中意外松動(dòng)。

4）在產(chǎn)品使用維護(hù)說明書中增加對(duì)壓杠轉(zhuǎn)軸的維護(hù)保養(yǎng)和日常檢查要求，確保壓杠轉(zhuǎn)軸不會(huì)意外卡滯。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)壓杠部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，安全壓杠的工作可靠性明顯加強(qiáng)，優(yōu)化后的壓杠工作可靠性更高。

2）設(shè)計(jì)制造單位在安全壓杠等涉及人身安全的重要零部件設(shè)計(jì)上盡量選用成熟可靠的設(shè)計(jì)。

3）對(duì)于新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)借助風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方法對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估，并采取有效措施消除其潛在風(fēng)險(xiǎn)。