滑索设施安全性能分析

王 栓

（中山市汉唐游乐科技有限公司，广东 中山 528437）

0 引言

滑索是以人体重力和自然山脉高度落差形成的下滑力为基础原始化动力来跨越山河或峡谷的重要设备，能够在诸多复杂地理条件下进行人员输送和物资设备输送，也是利用该设备两侧钢丝绳滑动所产生的动能提供直线运动的游乐设施，常见于山谷、峡谷，也被人们称为溜索、飞人和速降工具[1]。该项目是集体育项目和游乐游戏项目为一体的富有刺激性的重要项目类型，随着旅游产业的飞速发展而成为全新的游乐设施，更是我国安全监察管理部门重点管控的特种设备之一。随着当前旅游市场的进一步完善，人们对个性化需求的不断提升，越来越多功能各异的多样性滑索出现，滑索结构形式逐步增多，与此相对应的滑索结构设计安全控制难度随之进一步提高，因此，该文对滑索安全结构性能的分析和研究，也就具备重要理论意义和现实价值。

1 滑索设备的工作原理和特点

通常情况下，滑索设备主要利用存在索悬挂其下端载人设备或者载物设备，利用滑索迁移牵引下端载人设备或载物设备的运行，借助牵引索驱动电机的正向运动和反向运动，带动载人设备或载物设备在山顶和山底之间的回环往复运行[2]。在该过程中，旅客从下客站台上车，牵引结构的驱动电机处于正转运行状态，滑索下方载人飞艇运行到上客站台后乘客下车，此时牵引驱动电机则处于反转状态，下方载人飞艇能进一步回到上客站台具体位置，设备结构简图如图1 所示，由此可知，滑索设备主要包括上塔架、下塔架、车架、承载索、牵引索、电缆索、缓冲装置、避雷针、基础及电气控制等结构。其中，下塔架主要由尾座部件、下绳架部件、前支架、上拉梁、下拉梁和驱动装置组成，尾座部件是承载索的主要调节张紧的结构，对承载索还设置二次保护钢丝绳，防止意外发生。绳架部件安装牵引索两个绳轮并作为承载索支撑[3]。前支架、下拉梁和下拉梁形成框架结构是下塔架主要支撑；当飞艇进入站台时，减速到0.5m/s～1m/s，并缓慢停止，绳轮架前端设有防碰撞缓冲装置，防止飞艇进站时超过了停止点直接发生碰撞。上塔架主要由尾座部件、上绳架部件、前支架、上拉梁和下拉梁组成，尾座部件是承载索的主要固定点，设置二次保护钢丝绳，是承载索固定结构。绳架部件安装牵引索调节张紧的机构，并作为承载索支撑。飞艇进入站台时，减速到0.5m/s～1m/s，并缓慢停止，绳轮架前端设有防碰撞缓冲装置。车架主要由底架、连接杆、滑架、座舱、外包装组成，每个车架有4 个座位，额定载客4 人，700N/人，底架装有4 个座舱，每个座位配有一根乘客不准打开的安全带和压杠。滑架上装有4 组承载滑轮，安装在承载索上，装有2 组牵引轮，牵引轮与牵引索连接固定，分别牵引车架上下往复运行。连接杆连接底架和滑架，设有二次保护钢丝绳，部分游乐场车架甚至配备灯光和音乐，最大限度使游客在游乐中享受不一样的感觉。驱动装置主要由驱动机架、电梯用曳引机组成，是设备往复运行时的动力源和制动装置。当发生断电时，制动器抱闸立即刹车，在紧急事故需要启动应急救援预案时，手动打开制动器抱闸，进行救援。制动装置是在车架上设置的自动刹车装置，当牵引索失效时，刹车装置立即生效，防止座舱因失去牵引力而快速下滑。

图1 滑索设备结构简图

2 滑索设备的安全标准与规定

滑索设备在以往缺少安全技术规范、行业技术标准和外部安全监督检查等严格把关的状态下，频频发生一系列严重的安全事故，因此，国家进一步加强了对滑索这一重要特种设备的安全监督与管理，贯彻实施滑索安全技术规范，进一步加强了对滑索设备在设计、生产、制造和安装运行以及后期运营维护管理中的具体需要，明确了滑索设备运营管理方应做好相关工作，出台了《大型游乐设施安全规范》《无动力类游乐设施技术条件》《滑索通用技术条件》《滑索安全技术要求（试行）》等诸多文件不断规范滑索安全管理。在该过程中，滑索所有者必须加强对滑索设备游乐设施的安全管理意识，加强全程安全管控和安全防范意识[4]。针对滑索设备外包给专业运营机构运营管理的，必须在其外包合同中明确注明营运管理单位的具体安全管理职责和管理范围，新建滑索项目和改建滑索项目在正式投入运营前，其所有单位必须严格按照行业技术标准到所在区域的地市级以上特种设备安全监督检查管理机构办理登记注册，必须将设备安全检验合格标准置于滑索设备的明显部位，保证所有游乐者能清晰观察到该类滑索设备的结构安全证明。同时，在滑索设备的日常运营过程中，滑索设备必须定期开展国家监督监察机构的检验工作，新建或改建项目则应将其设计图纸交由国家游乐设施监督管理机构进行严格审查，审查通过后方可进行正式生产制造和安装试运行。最后，滑索设备运营管理单位必须严格执行滑索设备运营管理过程中的相关制度，加强其日常维护检修工作，确保滑索设备日常可以安全平稳地运行。

3 安全风险分析

由于滑索游乐项目具备较高的地势差，其地面高度大多大于30m，最大下滑速度往往高达20m/s，其具备高空运行、高速运行等鲜明特质，因此，对滑索游乐设施进行安全结构分析是非常必要的。滑索主要依靠电机驱动下方载物设备或者载人飞艇在锁道上的滚动而进行自由运动，在索道两侧由于载人飞艇滚动所受的自然阻力较小而忽略不计的前提下，利用能量转化定律可知，当载物设备或载人飞艇在高度100m 处的上客位置自由运行到下客站时，整个过程的实际速度受电机做功的影响，该速度产生的外部冲击力，可能对载人飞艇内的游客产生强烈的外在冲击而导致安全事故发生。阻尼作用牵引索受到载人飞艇自重限制，往往直径控制在8mm 左右，在高速运行过程中，阻尼牵引索的实际运行状态并不稳定，很容易出现自传或外界动力作用下的抖动，从而在索道的部分固定节点位置产生疲劳变形，当阻尼系统外在结构设计包括张紧结构、制动装置甚至驱动装置等设计不合理时，很容易对阻尼牵引产生较大的荷载冲击，长此以往阻尼牵引将产生疲劳断裂，高速运行过程中的载物设备或载人飞艇必将以较快速度向下俯冲，对车类游客产生致命伤害。也就是说，滑索游乐设备在整个运行过程中，主要存在着以下三点安全风险：首先是由于阻尼牵引索结构设计不合理而导致设备运行状态不好，产生的作用力导致滑索设备脱落，行走小车发生变形而引发运行过程中的安全事故；其次是同侧运行的承载索实际承受的内部张力大小不一致，行走时小车受限于质量问题，容易从承载索上脱落，发生载人飞艇高空坠落的安全事故；最后，承载索和下客站缓冲装置结构两端的固定装置以及整个运行过程中的安全保护装置等在设计、生产和制造应用过程中，都可能存在安全问题，直接导致滑索设备运行过程中安全事故发生概率的增加。

4 减小安全风险的设计方法

4.1 基于风险的设计优化

滑索设备基于风险的设计优化，主要包括滑行装备优化、滑车优化、轨道优化和减速制动装置优化、信号装置优化、放行装置优化、上客或下客升降装置优化等诸多内容，其中，以滑索轨道优化问题为例分析可知，滑索轨道的实际坡度走向以及曲率半径都是影响乘客滑行安全的关键因素，当滑索轨道过大时，实际所产生的波动将会导致滑索设备在运行过程中的加速度增加，加快整个运行平均速度，使乘客在轨道转弯处出现较大幅度的侧摆或跳跃，从而对乘客、滑行装备的某一侧甚至滑索下方牵引点造成较大的伤害。当以较大的滑行速度经过较小转弯半径的轨道路段时，乘客身体甚至会向外产生大幅度的摆动，严重的甚至会高于整个滑行轨道高度，身体很容易与外侧滑行轨道产生碰撞，导致乘客受到物理伤害。因此，在对滑索装置的轨道进行设计优化时，往往将其垂直方向设计为V 型结构，使乘客能够在先下坡后上坡中得到舒适的感官体验，整个过程以适宜的速度通过未知性轨道，有效避免滑行时轨道半径过小而造成的乘客向左、向前和向右的大幅度摆动，避免由此而造成的头部与轨道之间碰撞的风险，图2 即为V 型轨道滑行结构示意图。

图2 V 型轨道滑行结构示意图

4.2 本质安全技术

滑索设备的木质安全防范技术主要是通过科学正确地受力分析计算，得到滑索的安全结构设计参数，保证滑索游乐项目设施的总体结构设计以及关键部位的受力特质符合国家相关规范。其中，主要包括承载钢丝绳、阻尼牵引索、夹索器三大部分的木质全防范。以夹索器为例分析可知，夹索器是载人飞艇和阻尼牵引索斜口处有效连接的重点部位，必须具备夹紧力，才能够保证整个牵引索设备和载人飞艇设备之间的可靠连接，但过大的夹紧力会进一步导致牵引索受损，缩短牵引索结构的使用时间。由于牵引索结构在弯曲时，其附近钢丝绳会产生一定程度的应力集中，而牵引索的反复弯曲则进一步导致附近钢丝绳产生疲劳变形或断裂，夹索器对牵引索迁所产生的附加压力与其几何状态、结构尺寸或者钢丝绳材质等诸多因素紧密相连，在该过程中，设计夹索器的优化原则如下：首先，飞艇处于最不利受力条件时，整个夹索器的防滑能力应大于小车重力分布的三倍，夹索器和钢丝绳之间的摩擦系数为0.13 左右。其次，夹索器和钢丝绳之间的比压值应小于20MPa，避免夹索器和钢丝绳连接部位产生过大压强而导致疲劳变形。最后，夹索器钳口处断面必须导大角，以此避免对钢丝绳产生损伤。最后，在夹索器外侧1～1.5 倍钢丝绳捻距离处，应进一步加装支索装器，最大限度减少钢丝绳钳口处的疲劳变形。

4.3 安全防护技术

承载结构、制动装置、驱动装置、夹索器、运行小车甚至阻尼牵引索等诸多结构都是滑索设备的重要零部件，任意一个零部件失效，都将导致滑索设备在运行过程中处于不安全状态，引发重大伤亡事故，因此，在对滑索设备进行设计和施工运行时，应在保证牵引索安全结构的基础上，不断对滑索设备阻尼牵引装置进行优化改良，加强其安全防护能力。例如，可在柔性吊具悬挂处考虑下方载人飞艇的重量，以及下车的防冲撞和高速缓冲问题。由于滑索设备本身处于无动力滑行状态，受到外界荷载的影响较大，不同质量的客户、不同的滑行高度以及不同方向的风荷载等对最终到达点的速度都会产生不同影响，因此，为了确保乘客安全，可在下客处设置人工操作的安全制动装置，通过该自动装置控制滑行载人飞艇的实际运行速度。

4.4 使用信息的完善

滑索装置使用信息的完善主要包括随滑索设备的相关文件、基础安全标志等重要组成设备信息的完善，主要用于滑索设备正常运转过程中的安全控制。随机文件主要包括滑索设备的安全使用方法、维修使用说明以及安装调试说明、维护保养措施等，旨在说明滑索设备相关零部件应用程序和操作程序，也对滑索设备不规范使用或错误使用隐含的潜在风险进行控制和管理。此外，随机文件进一步包含滑索设备非正常运行状态下的应急对策措施以及维护更新措施，能够使设备使用者在出现紧急状况时有着一定自救方法。

5 日常运行管理与维护

滑索设备的日常运行与管理维护主要包括阻尼牵引索的维护、夹索器移位的维护、阻尼迁引索的更换以及相关安设备控制管理人员的培训教育、安全管理机制的构建等。以上站台设备的维护管理分析可知，其检查频率和检查内容如表1 所示。

表1 上站台设备维护检修内容

6 结论

总而言之，滑索设备作为当前较流行的重要游乐项目，在滑行过程中受制于设备特质和工程状态，其风险程度往往较高，因此，在管理滑索设备机械安全时，应立足于滑索设备的工作原理和运行特制，在明确滑索设备的安全规范和行业标准基础上，加强对滑索设备的安全风险分析，基于风险管理理论对其滑行装备、滑车、轨道以及减速制动装置等进行设计优化，利用木质安全技术、安全防范技术、完善信息以及加强日常运营管理维护等诸多措施，促进滑索设备安全管理水平稳步提升。