游乐设施安全压杠锁紧装置的失效原因和对策

张宇光，李传磊，沈 杰，赵攸乐

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

0 引言

近年来，越来越多的年轻人开始追求愈加刺激和惊险的游乐项目。在这些游乐设施花样频出，变得愈加惊险刺激的同时，其风险也在相应地增加。为提升游乐设施的本质安全水平，确保乘客束缚装置的功能安全是十分重要的，而安全压杠就是游乐设施最具特征的专用乘客束缚装置。在游乐设施运行过程中，安全压杠锁紧装置的作用是锁紧安全压杠，使安全压杠与乘坐物一起形成封闭的束缚体将乘客限制在特定的范围内，以防止乘客脱离乘坐物而发生危险。本文选取安全压杠锁紧装置中一种比较常见的齿条棘爪锁紧装置为研究对象，结合检验工作实际，从设计、制造、使用等环节分析造成其失效的原因，并提出相应的对策，以提高其安全可靠性。

1 护胸压肩式安全压杠和齿条棘爪锁紧装置

1.1 护胸压肩式安全压杠

安全压杠为刚性结构的乘客束缚装置，根据不同的使用场合，安全压杠主要有护胸压肩式、压腿式和压背式3 种形式。其中护胸压肩式安全压杠常用于座舱翻滚、颠倒及人体上抛的游乐设施，如“过山车”、“魔术风车”等。此类设备具有离地面高、运行速度快、运动惯性大等特点，乘客在游玩这类游乐设施时可能会脱离座位甩出舱外而受到意外伤害。为防止乘客脱离座位，必须用护胸压肩式安全压杠将乘客约束坐在座位上[1]。护胸压肩式安全压杠结构简图如图1所示。

护胸压肩式安全压杠主要由压杠本体、座椅、锁紧装置、压杠转轴、锁紧杆等部分组成[2]。安全压杠本体用钢管制成，外加软包装，压在乘客的双肩上。座椅是安全压杠的安装基座，也是乘客束缚装置的组成部分。压杠转轴与座椅连接，安全压杠能绕压杠转轴转动。锁紧杆被锁紧装置锁定，而其本身也可以是锁紧装置的一部分，同时锁紧杆与安全压杠端部相连。锁紧装置通过锁定锁紧杆使安全压杠闭锁。

游乐设施在运行过程中，压杠本体保持不动，与座椅一起形成封闭的束缚体将乘客限制在特定的范围内，从而保护乘客不被甩出或掉落。为保证乘客在游乐设施运行时不被甩出或掉下，安全压杠锁紧装置应可靠锁紧，能在游乐设施停止运行前始终处于闭锁状态，使压杠本体保持不动。而且，在锁紧状态下，安全压杠端部的游动量应符合标准的规定。

1.2 齿条棘爪锁紧装置

齿条棘爪锁紧装置应用比较广泛，在进口和国产游乐设施中均有采用[3]，如图2所示。齿条棘爪锁紧装置的结构简图如图3所示。

图2 齿条棘爪锁紧装置

图3 齿条棘爪锁紧装置结构简图

图3 中，锁紧杆上端与压杠曲柄相连，锁紧杆下端插入在缸体中，缸体下端与座椅连接。当压杠下压时，锁紧杆向上抽出；当压杠向上抬起时，锁紧杆向下插入。齿条棘爪锁紧装置的工作原理是：当齿条棘爪锁紧装置锁定锁紧杆使安全压杠闭锁时，棘爪在压紧弹簧的作用下紧贴齿条并插入齿面，阻止齿条和锁紧杆向下运动，从而阻止压杠上翻打开。当齿条棘爪锁紧装置松开锁紧杆使安全压杠打开时，从气缸无杆腔输入压缩空气，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力推动活塞运动，使活塞杆伸出推动打开摇杆转动，打开摇杆使棘爪克服弹簧力脱离齿条，齿条和锁紧就可以自由上下运动，从而压杠也能自由上下运动。

2 齿条棘爪锁紧装置失效原因和对策

2.1 存在问题

此种齿条棘爪锁紧装置存在的主要问题有两个：一是压紧弹簧变形失效或压紧弹簧断裂失效，无法压紧棘爪，棘爪就不能有效嵌入齿条，阻止齿条的运动，从而使锁紧装置失效；二是棘爪和齿条齿面磨损，造成棘爪和齿条啮合面减小，啮合有效性减弱，使锁紧装置可靠性降低。

2.2 失效原因分析

（1）造成压紧弹簧变形失效或压紧弹簧断裂失效可能的原因是：压紧弹簧安装在棘爪工作面的另一端，当棘爪在压紧弹簧的作用下旋转，推动棘爪工作面一侧插入齿条齿面时，压紧弹簧呈直线状态；当打开摇杆在气缸的推动下，绕旋转轴转动并带动棘爪脱离齿条齿面时，压紧弹簧就呈弯曲状态。在齿条棘爪锁紧装置频繁地开启、闭合过程中，压紧弹簧时而处于直线状态，时而处于弯曲状态，压紧弹簧就处于不断折弯拉直过程中，会因疲劳性能不断减弱，最终导致失效。

（2）造成棘爪和齿条齿面磨损可能的原因是：随着压紧弹簧性能的减弱，棘爪与齿条间的啮合也不再紧密可靠，接合面位置不稳定，使接触面受力不均匀且受到的冲击载荷增多，进而造成棘爪和齿条齿面的磨损。另外，棘爪和齿条齿面的型号规格、材料的选择不当也会造成棘爪和齿条齿面磨损。

2.3 解决方法与措施

齿条棘齿锁紧装置出现的问题，反映了设计、材料及加工工艺存在不足[4]。应针对失效产生原因，从设计、制造以及使用、检查和维护保养等方面进行提高和改进，减少失效发生几率，提高锁紧装置的安全可靠性。

为了避免压紧弹簧变形失效或压紧弹簧断裂失效，使用说明书中应详细说明弹簧失效的具体判定方法，使维保人员能够清晰判断弹簧是否失效。维保人员应提高责任心和业务水平，做好维护保养工作，及时发现压紧弹簧失效问题。从设计和制造方面，也可修改推动棘爪啮合的方式，改棘爪转动为棘齿来回推动，避免压紧弹簧工作中时而处于直线状态，时而处于弯曲状态，因疲劳性能不断减弱，最终导致失效的情况发生。

为了避免棘爪和齿条齿面磨损，应保证压紧弹簧性能良好，能使棘爪与齿条间的啮合紧密可靠，避免因接触面受力不均匀和冲击载荷较多造成棘爪和齿条齿面的磨损。使用说明书中应详细说明棘爪和齿条齿面磨损的具体判断方法，使维保人员能够清晰判断棘爪和齿条齿面是否磨损。为避免棘爪和齿条齿面磨损，设计、制造单位在型号规格、材料的选择方面，齿条应采用较大模数的齿形，以提高抗冲击能力；在保证不会齿根折断的前提下，选用较高硬度的材料，提高齿面硬度，减缓齿面磨损，同时注意齿条齿面与棘爪齿面应选择不同硬度的材料，较易更换的棘爪齿面应选择较低硬度的材料。

此外，GB 8408-2018《大型游乐设施安全规范》中第6.8.2.2.4条要求[5]：“安全压杠行程应可调节，压杠在压紧状态时端部的游动量不大于35 mm。”检验检测机构检验人员应当按照法规、标准规定，认真、严谨开展检验工作，及时提醒运营使用单位做好设备安全维护。

3 结束语

本文分析了安全压杠中齿条棘爪锁紧装置的失效情况和失效原因，并提出了相应的解决方法和措施，帮助设计、制造单位通过改进设计，提高齿条棘爪锁紧装置的本质安全和可维护性，运营使用单位、维护保养单位做好棘爪锁紧装置的检查和维护保养工作，及时发现齿条棘爪锁紧装置的安全隐患。通过设计、制造单位、运营使用单位、维护保养单位的共同努力，提高安全压杠中齿条棘爪锁紧装置的可靠性，规避设备运行风险，切实降低游乐设施事故发生的概率。