大型游乐设施乘客束缚装置工作原理与选型*

王亚坤，赵九峰，苗瑞芳，李垒垒

(河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000)

0 引 言

随着国内经济发展，游乐设施向着大型化、高参数、高刺激等方向发展[1]，游乐设施的安全也成为国民关注的焦点。近年来，国内发生的多起大型游乐设施事故均与束缚装置有关[2]，2014年以来，27起大型游乐设施事故中与乘客束缚装置有关事故就有17起。2016年4月14日，扬州瘦西湖游乐场“超级秋千”乘客被碾压致亡，事故原因：设备未停稳，乘客自行打开挡杆跳下，被设备碾压；2018年4月21日，许昌西湖公园“飞鹰”乘客坠亡，事故原因：未确认安全压杠锁紧，拦腰安全带未系，兜裆安全带自行缝合断裂。

发生事故的主要原因，一方面是游乐设施的生产制造企业，对束缚装置的工作原理和应用环境理解不透，使得设计生产出来的产品存在先天性不足；另一发面游乐设施的经营人员安全意识淡薄[3]，对安全带和安全压杠进行私自改装，未按照更换周期对安全带进行定期更换，以及在节假日期间，由于客流量大，经营者为了追求经济利益，一些安装束缚装置在未锁紧的情况下启动设备，造成人员伤亡[4]。笔者重点介绍了几种常用束缚装置的结构形式、工作原理、应用环境和使用要求，目的是为游乐设施制造企业的设计人员对束缚装置进行合理的选型，以保证乘客处于失重状态或被甩出时的安全[5]，同时为监管部门对束缚装置的检验提供了参考。

1 束缚装置的类型和工作原理

游乐设施束缚装置用来防止乘客由于惯性被甩出或掉下座舱，并在设备停止运行前始终处于锁定状态[6]。大型游乐设施的束缚装置，常见类型如下。

1.1 安全带

安全带作为防护性带式保护装置，是将乘客柔性固定在座椅上，由于安全带自身具有一定宽度，同时在身体上跨越的部分较宽，当乘客受到脱离座椅的载荷时，人体受到的反作用力不会集中在一个较小的区域，因此不会对人体造成过大伤害，常用在运行速度较慢且没有翻转的游乐设施上[7]，如常见的自控飞机、转马、架空游览车等设备；对运动激烈的设施，安全带常用作安全冗余束缚装置，但其独立起作用时，应具有可靠的承载性能和安全性[8]。

由于游乐设施通常安装在室外，安全带经常受到风吹、日晒、雨淋等环境因素影响，宜腐蚀、变形和断裂，因此安全带的材质多采用适合露天使用的尼龙材料。为了保障安全带的舒适性，带宽应不小于30 mm。安全带一般分成两段，分别固定在座舱上，为了保障乘客的安全，安全带必须能够承受设备运行时乘客脱离座舱的力，安全带的破断拉力不小于6000 N[9]。安全带的固定连接形式如图1所示。

图1 安全带连接

由于人体的胸腔和骨盆相对来说比较强壮，安全带的束缚位置通常绕在腰部或胸部。安全带的形式，按照固定点和安装方式，分为三种：两点式、三点式、全背式[9]。如图2所示。

图2 安全带的形式

(1) 两点式：按照不同的约束位置，分为腰带和肩带两种。由于腰带只约束了腰部位移，乘客的上半身不受约束[8]，当游乐设施紧急制动和减速时，乘客上半生往前倾，容易给乘客的头部造成伤害；肩带可以限制乘客身体前倾，但乘客受到侧向载荷时，身体容易从座椅侧向滑出[10]。因此两点式安全带仅用在运行速度缓慢，冲击力较小的游乐设施上。

(2) 三点式：三点式安全带，借鉴汽车行业，是腰带和肩带两种安全带的组合，能够限制乘客的前倾和侧向摇摆，也是目前游乐设施行业大力推广的一种安全带形式[11]。

(3) 全背式：这种安全带实现对乘客的全方位的限制，安全性能最好，保护效率最高，但由于锁紧操作流程复杂，设备操作人员对其锁紧步骤操作不熟练，难以在游乐行业进行大面积推广，仅用在个别速度较大，运行较为激烈的游乐设施上。

1.2 安全压杠

安全压杠限制的对象为单个乘客，能够根据乘客的体型调节锁紧位置。通常安装在速度较大，冲击较大，或运行时存在翻滚的大型游乐设施上。其开启和下压动作都很简单，就是压杠围绕支点O旋转。

根据使用场合不同，安全压杠可分为压肩式和压腿式两种。安全压杠的基本形式如图3所示。

图3 安全压杠的基本形式1.压缸、曲柄 2.摇杆 3.摇块 4.座椅

(1) 压肩式安全压杠 当座舱存在翻滚动作，乘客有上抛趋势时，需用安全压杠限制乘客人体的自由度，并且用压肩式安全压杠，如过山车、大摆锤等大型游乐设施。此类设备运行速度高，惯性大，存在多方向的运动趋势，乘人在乘坐此类设备时，存在着脱离座椅被抛出的潜在危险。安全压杠能对乘客进行全方位的约束，确保乘客的人身安全[12]。

此类安全压杠的锁紧位置通常在座椅背部，摇杆做成齿条的结构形式，摇块上装有气动插销，气动插销由单作用的薄型气缸提供动力，保证锁紧装置出现故障时，压杠结构处于锁紧状态；还有一种压肩式安全压杠的锁紧装置位于压杠端部，通过装在压杠端部的气动插销与座椅扶手上一排插销孔配合，实现对不同体型乘客的个性化锁紧。

(2) 压腿式安全压杠 压腿式安全压杠安装在座椅前方(或前排座椅上)，压杠落下，抵仅乘客的腰腿部位，由于这种压杠不能约束乘客的上半身，仅仅是限制乘客离开座椅，因此这种形式的压杠主要用在座舱不翻滚、惯性冲击不大的游乐设施上，如家庭过山车、滑行龙等。

压腿式安全压杠的锁紧机构位于压杠根部，通常采用扇形齿轮、齿条、止逆齿配合的形式，压腿式安全压杠的结构如图4所示。

图4 压腿式安全压杠 图5 摇头飞椅的安全挡杆

游乐设施还有其他形式的安全压杠，如用在神州飞碟上的背压式安全压杠，但这种形式的安全压杠应用范围小，在此不再详细介绍。

安全压杠的主体结构主要采用钢管弯制而成，常用材料为不锈钢，压杠与人接触的部位包裹柔软的材料，这样既保证了足够的机械强度，又不至于挫伤乘人的身体。

1.3 安全挡杆

挡杆作为游乐设施中安全等级最低的一种束缚装置，用在速度和冲击较小的游乐设施中，挡杆仅仅用来阻挡人的不安全行为，既做安全装置，又可以当扶手[13]。由于挡杆不能针对乘客个人的体型进行调节，通常在联排座椅上共用一根安全挡杆，如海盗船一排座椅四五名乘客用一个安全挡杆；也有挡杆用于单个乘客，但不能根据乘客体型进行调解，如摇头飞椅，其结构形式比较简单，摇头飞椅座椅上的安全挡杆如图5所示。

安全挡杆的结构简单，国内已发生了多起由于设备未停稳，乘客私自打开挡杆导致的事故，如前文中提到的超级秋千。因此在2018年国家市场局对游乐设施束缚装置专项排查的通知中，近年由于乘客自行打开束缚装置发生过事故的同类设备以及存在同样风险的设备[14]，如海盗船、摇头飞椅和高空脚踏车等，只允许操作人员手动或自动释放束缚装置，乘客在运行中不得自行打开[15]。安全挡杆的锁紧形式多种多样,既可采用像门锁一样的弹簧撞击式，也可以采用方便的插销式，若要求乘客不得自行打开，只需增加开锁的难度或开锁装置乘客很难接触到即可，增加开锁难度需要专门的开锁工具才可打开，乘客难以触及到，只需把开锁位置设置在四肢触及不到的位置。

2 乘人安全束缚装置的要求

对游乐设施束缚装置的具体要求如下。

(1) 束缚装置应满足束缚功能要求，确保设备在运行过程中，乘客被限制在座椅上。

(2) 束缚装置与人体的接触部位，应具有一定的柔软性和避免尖角，增加人体的舒适性和避免人体划伤，如安全压杠用聚氨酯泡沫包裹、螺帽用盖型螺帽。

(3) 束缚装置已具有一定抗冲击承载性，其承载性能符合国家标准规范的要求。

(4) 束缚装置应具有一定的可靠性，设备在运行过程中，或出现故障时，如断电、断气时，束缚装置仍能保持锁紧状态。

安全压杠作为安全等级最高的束缚装置，具有下列要求。

(1) 对运行速度高，危险性较大的大型游乐设施，应设置相互两套独立的束缚装置[14]，具有翻滚动作的游乐设施，应设置肩压式安全压杠，并且安全压杠须具有两套独立的锁紧机构[16]。

(2) 安全压杠的压杠体应具有一定的承载力，锁紧机构应具有可靠的锁紧力，保证设备运行过程中安全压杠不会失效。

(3) 安全压杠的锁紧机构可以手动或自动释放，当自动释放机构失效时，操作人员能够手动打开安全压杠。

(4) 安全压杠针对乘客个人体型进行调节，调节锁紧装置应具有无级或有级调节，锁紧后压杠端部的游动量不大于35 mm[7]。

3 总 结

游乐设施运行时，束缚装置不断受到冲击和振动，易使束缚装置失效，进而导致事故的发生，选择安全可靠的束缚装置成为重中之重。为提高游乐设施的运行安全，制造企业、运营单位、检验机构和监管部门应通力协作，降低并消除由于束缚装置造成的安全隐患。

(1) 制造企业在设计制造环节，应能有效防范乘客自行打开安全挡杆或安全带等行为，以及操作人员未锁紧工况下启动游乐设施，如增加乘客束缚装置闭合并锁紧与设备启动自动联锁功能。

(2) 运营单位应加强操作人员的培训考核，持证上岗，并对束缚装置进行维护保养、定期更换易损件，加强日常的检验和管理，提升操作人员的业务能力和责任心。

(3) 检验机构对设备定期检验，提升检验人员的业务能力，会同监察部门强大型游乐设施安全宣传教育，对存在安全隐患的游乐设施限期整改，安全意识淡薄的经营者加强教育，拒不整改的设备坚决查封。

全社会应具有游乐设施的安全意识，共同营造一个安全、舒适、和谐的社会环境。