一起大型游乐设施故障调查及原因分析

潘树伟 陈亚文

（湖南省特种设备检验检测研究院 长沙 410003）

随着大型游乐设施数量的大幅增加,游乐设施故障也越来越受到人们关注,游乐设施故障发生的原因各种各样,但产生的危害多影响乘客的生命财产安全,因此在游乐设施事故发生之后,公众往往想知道是什么原因导致了设备事故,而游乐设施的事故调查鉴定也往往是业内的一个难题,下面笔者通过一起典型的游乐设施事故调查分析对游乐设施事故调查鉴定做一简单介绍。

1 游乐设施事故基本情况

2021年2月23日上午,湖南某游乐场一台名为“激情跳跃”的大型游乐设施发生了一起在进客时段中,游客准备落座时,单个座位起身臂突然弹起多次,导致3名游客从设备上跌落的事件。

2 游乐设施现场情况及验证检测

该游乐设施由电机驱动,采用皮带传动至减速机,后经减速机齿轮带动回转支承,从而使固定在回转支承上的旋转部分进行旋转运动。主梁一端安装在旋转支架体上,下部连接升降汽缸,座椅安装在升降臂的另一端。升降臂的升降运动由汽缸活塞杆的往复运动来实现。压缩机输出的压缩空气经冷干机和过滤器进入储气罐,储气罐输出的压缩空气经调压阀和油雾器处理后进入各升降臂的气动单元。设施共设有12组乘客座椅,每组座椅对应1个升降臂,12个升降臂的升降系统设计采用了电磁阀+角座阀控制形式。电磁阀为两位五通电磁阀,气动角座阀为单作用式常闭型,且其气路的通断由电磁阀控制,即电磁阀控制角座阀的开启或闭合,通过主气路通断控制气缸进气与排气来实现升降臂升降。进气电磁阀得电开启角座阀后,压缩空气进入汽缸下部,使升降臂起升；放气电磁阀控制角座阀,通过角座阀排除空气,使升降臂下降。依靠气缸行程传感器来控制升降臂上升和下降高度,促使电磁阀控制进气与排气,使升降臂完成程序规定的弹跳运动。

游乐设施座椅升降臂在整个运行过程中包含3种工况,技术组通过模拟事件发生时的现实情况,单独对2号升降臂（事故臂）进行了3种工况下的弹跳动作试验,具体内容如下：

1）通过手动操作电磁阀开启进气阀,进行角座阀机械密封故障试验,模拟和验证升降臂弹跳动作情况；

2）采用24 V直流电源装置进行电磁阀持续通电状态试验,模拟和验证升降臂弹跳情况；

3）采用24 V直流电源装置进行电磁阀持续通-断-通状态（2～3 s/次）试验,模拟和验证升降臂弹跳情况。为安全起见和尽可能模拟游客跌落事件状态,本次试验用4袋捆扎好的沙包代替乘员（共100 kg,约合1个成年人+2个小孩的质量）,沙包用安全带系好,安全压杠处于全打开状态,见图1、图2。

图1 模拟试验

图2 模拟试验

试验结果显示：工况3）试验结果非常接近设备故障时的状态,电磁阀得电后,升降臂急速弹起并快速来回弹跳、满行程往返,经过数轮上下反复震荡运动后,操作员闭合试验按钮（模拟按压急停开关）后,升降臂小幅震荡数次后停在半空中约1.5 m高度处。工况1）和工况2）试验结果与游客跌落事件状态情况差异很大,其中工况1）升降臂起落动作较慢,行程较短,弹跳时升降臂降落时未回到初始位置；工况2）升降臂起落动作较快,但行程短,在中途即返回进行弹跳。

3 检测情况

1）技术组在制造企业派出的技术人员配合下,进行了2号升降臂气压升降系统的空气滤清器、角座阀、电磁阀的拆检,比较了2号和3号角座阀机械密封情况。2号空气滤清器内网存在黑色的细小颗粒状杂质物体,见图3。2号角座阀活塞杆顶面（顶面为气缸进气的密封面,白色,材料为聚四氟乙烯；顶杆头材料为S304）未见明显变形,经酒精清洗后检查发现密封面存在台阶状的环形磨损痕迹,对应的阀座内环配合面检查未见明显异常,见图4、图5。对比3号角座阀此处环形痕迹较轻,见图5；制造企业提供的库存角座阀照片显示其顶杆部位平整,表面无环形圈状。2号电磁阀外观检查无异常。

图3 气路杂质收集

图4 内环配合面无磨损

图5 密封面磨损对比

拆检表明2号升降臂气动角座阀在气路系统中杂质颗粒物的反复作用下存在一定程度的磨损,机械密封性能已下降,工作时存在漏气和导致气缸微动的可能。也印证了监控视频中事件发生时,游客单脚刚登上座舱时升降臂就出现了明显的微动（向上轻抬）起臂现象。

2）分别进行了操作箱控制板的电气检测、安全压杠联锁检测等相关试验。

（1）操作室电气控制系统检查。经查阅制造企业提供的图纸,确认该设备实际采用了单片机+继电器输出控制方式。主板控制器（以下统称上位机）通过屏蔽电缆与触摸屏通讯连接。主板控制器右边有2组继电器（机械触点型）,分别给回转变频器和12个升降臂控制单元（以下统称分控单元）提供电源,见图6、图7。

图6 主板控制器通讯连接电缆

图7 主板控制器

（2）经现场检测,确认上位机与分控单元的通信线路中两终端电阻配置符合国标[1]要求,阻值为120 Ω,经测量阻值并未发生变化；通信线路中有1段（为黄红色双绞线）未采用专用屏蔽线。

（3）对现场12排座位的安全压杆进行感应装置检测和试验。经逐个测试,座位开关的控制线路符合安全要求[2],座位压杆气动联锁保护功能正常。

（4）控制单元接地检测情况：用万用表检测上位机电源单元的接地良好；分控单元的接地保护通过金属外壳与整体金属结构接地,未采用独立屏蔽接地线[3]。

（5）停机状态下发现分控单元意外带电,旋即检测了主控柜供电的OUT6继电器（见图8）,发现其中1组常开触点存在粘连现象,用万用表检测显示为导通状态。现场部件见图9。

图8 OUT6继电器

图9 继电器常开触点粘连

4 游乐设施事故分析

根据现场勘验、关键元件的运动分析和图纸资料的分析,技术组认为2号升降臂产生弹跳动作必定是角座阀开启,气体进入气缸引发。有2种可能：进气电磁阀因机械故障卡住,角座阀机械密封完全失效,高压气体进入气缸无杆腔使得升降臂产生失控动作；电磁阀非正常得电启动,气体进入角座阀,推动角座阀的阀杆动作,高压气体进入气缸无杆腔使得升降臂产生失控动作。

1）现场勘验表明,2号角座阀密封面虽有一定程度的磨损,密封性能有所下降,但经运行试验和拆检验证了角座阀机械密封并未完全失效,其工作状态基本正常。经对升降臂3种模拟动作试验结果进行比对和分析,排除此故障引发升降臂产生失控动作的可能。

2）经查看上一轮运行监控视频,确认2号臂位置传感器输出信号存在异常,即起臂动作不正常时,传感器信号未正常通过分控单元反馈至上位机,程序未发出中断运行指令信号,程序未执行停机保护。

通过分析电气原理图和单片机C语言程序,确认程序在完成某一次预选模式后,分控单元应自动切断其供电电源。经检查发现,停机状态下分控单元供电并未有效切断。经查明是主控制柜内继电器机械触点发生粘连所致。在继电器未通电情况下用万用表检测,其一组常开触点一直处于连通状态,此触点连通相当于继电器通电输出,致使分控单元始终得电,不能使分控单元完成一次预选模式后,自动切断其分控单元电源进行程序复位。

5 纠正及预防措施

1）建议变频器、升降臂控制单元供电继电器触点线路中采用保护电路,防止断电时造成继电器触点因拉弧烧蚀而出现意外粘连的故障发生。

2）主控制柜中输出OUT6继电器,建议增加断电监测信号,防止每次动作完成后未执行程序复位而产生安全风险。

3）运营使用单位安全检查应到位；维护保养人员应按照相关法律法规[4]和设备使用说明书中的要求对设备进行日常检查和维护保养,及时消除故障,防止“带病”运行。

4）应加强大型游乐设施安全管理与作业人员的安全教育和培训工作,提高其操作技能和预防与处理突发事故的能力。

6 结束语

通过该起事故分析给出如下建议：游乐设施使用管理和维护保养单位应严格按照GB 8408—2018《大型游乐设施安全规范》[5]的要求进行安全管理和维保工作,特别是要制定合理的游乐设施维保检查计划,有针对性地加强对继电器、接地保护等电气的检查,及时发现和排除隐患。