观光塔类游乐设施防座舱坠地措施研究

姜 洋 尼玛扎西 李加申

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.西藏自治区特种设备检测所 拉萨 850000）

1 研究背景

观光塔是由钢丝绳吊挂乘人吊舱，沿垂直地面方向上下往复运动的一类游乐设备。一般每个座舱可承载乘客4～6人，游客在乘坐过程中可体验登高远望及上下运动过程中加速度变化带来的刺激感。该设备属于飞行塔类游乐设施，其结构及运行原理如图1所示。

图1 观光塔类游乐设施结构及运行原理图

据笔者调查在国内外曾多次发生过座舱坠地导致乘客受伤的事故。朝阳公园、太原迎泽公园观光塔座舱与地面碰撞造成乘客腿部与腰椎不同程度受伤，日本熊本县一游乐园的该类设备也发生了座舱与地面碰撞导致4名乘客受伤的严重事故。事故设备照片见图2。

图2 事故设备照片

为避免同类事故的发生，对此类事故的原因研究是有必要的，本文主要分析该类事故的发生原因、解决对策及检验过程中应该注意的重点。

2 座舱坠地主要失效模式分析

观光塔的运行概要如图3所示，座舱首先加速运行一段时间达到规定速度后保持匀速运行，达到减速点后减速上升最后停止于设备端部停止点，然后开始下降并在某一位置减速下降，最后停止于设备底部。一般此类循环会根据游乐时间反复几次。设计人员往往会根据乘客乘坐的最佳感觉设置设备运行的最佳速度曲线。实现这一控制功能的手法目前主要采用PLC与交流电机变频器逻辑控制曳引电机的方法。

图3 观光塔类游乐设施运行概要图

根据以往事故案例分析观光塔类游乐设施发生座舱坠地的原因主要有以下两种。第一种是由于控制系统故障导致座舱在应该减速时并未有效减速，导致座舱到达停止位置时依然保持较高的初速度，座舱会在这种情况下与地面发生碰撞导致游客伤亡。第二种是控制系统工作正常但是执行制动功能的机械或电气部件失效，导致无法有效对座舱进行减速导致碰撞事故的发生。以下笔者分别针对以上两种失效模式进行具体的分析。

发生在朝阳公园的观光塔坠地事故的原因是，当时设备当中设置了一个减速用接近开关，当座舱到达减速位置时触发减速开关动作，PLC识别减速信号后命令变频器执行电机减速程序。但由于设备往复运行过程中钢丝绳张紧及载荷条件出现变化，传感器挡板相对于传感器感应面产生部分间隙。导致感应板通过接近开关时，接近开关未被触发，座舱通过减速段后依然高速下降最终导致座舱坠地事故发生。

发生在日本熊本县的另一起观光塔座舱坠地的原因则是由于实施减速制动的变频器内部电容老化，导致制动力不足而最终发生了座舱坠地事故［1］。目前依据我国部分游乐设施使用单位经验，采用变频控制的游乐设施变频器的使用年限大致为10年左右，这是由于内置电容往往由于频繁的充放电会造成电容内电解质下降而容量降低。一般情况下工作温度越高，变频器内置电容的损耗越大。

图4 变频器内部结构

电容老化的直接影响是导致变频器直流母线的输出电压降低。当座舱进入减速下降区段时变频器会承受减速所需的回生电压，由于变频器往往都带有回生电力过压保护功能，在回生电压大于母线电压时变频器会采取通过控制输出频率而实现抑制回生电力的方法避免过电压的影响。但这一动作则会导致制动时间加长，使用座舱总载荷越大减速制动时间会随之变长，当电容老化程度越高则直流母线电压下降越大，如果与超载现象叠加则会导致制动时间过长，在座舱进入停止位时依然没有实现完全制动从而导致座舱坠地事故的发生。

3 解决方案

为防止第一类事故的发生要考虑避免传感器漏检的方法，如增加控制系统冗余措施与提高使用电器件的可靠性等级。如在图1中的驱动滚轮处加装可靠性高的安全编码器，实时检测座舱的位置与运行速度。同时还可以增设一处冗余用减速位置传感器，两套检测装置相互比较可以提高安全性。并在控制程序中设置安全联锁程序，实时扫查座舱的位置与速度。在检测到减速无效或下降超速时，立即触发图1中驱动装置的制动器，起动紧急停止功能防止座舱坠地事故发生。通过这一措施可以将控制系统的安全性能等级如图5所示。

图5 变更前后的回路构架类别变化

同时在进行输入、逻辑与输出器件选型时，可依据ISO 13849-1.2006标准，选取平均诊断范围中级以及平均无危险故障时间中级以上的器件，可以有效防止由于控制系统故障导致坠地事故的发生。

其次为防止由于变频器内置电容降低导致制动时间变长的隐患，可采取使用能显示变频器内置电容容量，以及可显示累计使用时间的新型变频器。且将直流母线低压报警与PLC通讯直接连接，如设置直流母线低压报警则停止设备运行的连锁功能。并在日常的自检过程中对电气设备加大检验频度，并采取有效的变频器散热措施以延长变频器内置内容的使用寿命。使用过程中严格控制乘客的合计重量不能超过额定载荷的有效方法。此外，在设计过程中考虑到变频器电容老化功能降低的情况，在设计选型阶段适当加大变频器的容量选择，以提高使用年限。

4 总结

基于以上分析，合理增加观光塔类设备制动减速控制系统的安全性能等级，以及在设计鉴定以及使用阶段考虑到由于变频器内置电容老化带来的制动时间延长问题，可有效降低观光塔类游乐设施座舱发生坠地事故的概率。期望本文能对观光塔类游乐设施的设计、维护、检验单位起到一定的参考作用。

［1］ 向殿政男.熊本县内观光塔事故报告[EB/OL].日本东京：社会资本审议会升降机等事故调查委员会.2014，（引用日期2016年12月16日）.

［2］宋伟科，林伟明，郭俊杰.大型游乐设施典型案列[M].上海：同济大学出版社，2015.

［3］李加申，李海庭，柴彬.日本大型游乐设施安全管理[M].上海：同济大学出版社，2016.

［4］付恒生，林明，梁朝虎.大型游乐设施设计[M].上海：同济大学出版社，2 015.