滑索進站速度影響因素分析及調(diào)整方法*

陽先波 趙九峰 紀永宏

1中國特種設備檢測研究院 北京 100029 2河南省特備設備安全檢測研究院 鄭州 450000

0 引言

滑索是旅游景點常見的游樂設施，通常在2個支點間架設1根或2根鋼絲繩，乘客穿戴柔性吊具，懸掛于滑行小車下，利用兩支點高差所具有的勢能，依靠慣性沿鋼絲繩從高支點滑至低支點，屬于安全監(jiān)察的特種設備[1]。

滑索線路終點的滑行速度關系到乘客安全，終點速度過大時，滑車接觸減速（緩沖）裝置過程中仍可能會對乘客造成沖擊傷害，速度過小有可能導致乘客不能滑行進站[2]。滑索站臺一般較短，乘客滑行進站臺后滑行小車在較短距離內(nèi)與減速裝置接觸，進站速度與接觸緩沖裝置前的速度變化很小。2002年，由原國家質(zhì)檢總局發(fā)布的安全規(guī)范文件《滑索安全技術要求（試行）》第2條要求滑行小車與制動（緩沖）裝置接觸前的速度不大于3.5 m/s，GB/T 31258—2014《滑索產(chǎn)品標準》第4.3.1條要求：滑車最大進站速度不大于6 m/s[3],其實質(zhì)都是對滑索終點速度（進站速度）的安全要求。由于《滑索安全技術要求（試行）》屬于行政法規(guī)文件，目前未宣布廢止，其對速度要求嚴于滑索產(chǎn)品標準要求，因此在現(xiàn)階段滑索設計驗收過程中，仍要求所有滑索的進站速度不大于3.5 m/s。

目前，在對滑索進站速度進行設計計算時，只利用理論公式或動力學仿真進行粗略估算，難以完全準確計算所有相關影響因素，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)往往存在較大差距。基于此，本文通過分析影響滑索進站速度的主要因素，提出調(diào)整滑索進站速度的若干方法。

1 滑索運行特性分析

1.1 載荷特性分析

上下站臺由地形自然形成或由人工搭建登高架所構(gòu)成，從而使上站點與下站點形成一定的高差，為滑車滑行提供了原動力。游客在滑行過程中通過乘坐由柔性掛具懸掛的滑行小車，利用重力作用沿承載索（鋼絲繩）從起點快速到達終點，在到達終點時，多余能量被下站點的緩沖裝置所吸收后停止。

滑索運行時，乘客、吊具及滑車可簡化為簡單的物理模型，滑車、乘客和吊具的總質(zhì)量為m，重力加速度為g，則滑車和乘人的自重為mg，沿鋼絲繩下滑過程中，受摩擦阻力F1，受空氣阻力F2，滑車在運行軌跡上某點的下滑角為α?；鬟\行過程中的載荷如圖1所示。

圖1 滑索載荷示意圖

乘客由靜止狀態(tài)從滑索上站下滑至下站，滑行過程遵守根據(jù)能量守恒定律[4]

式中：g為標準重力加速度，v為下站進站速度，h為上下站高差為，L為滑行線路長。

根據(jù)式（1）可得，在高差h及長度L一定的情況下，空氣阻力及摩擦阻力做功越大，進站速度v越小。

1.2 摩擦阻力

滑索運行過程中，滑車車輪在承載鋼絲繩上高速滾動，車輪與承載鋼絲繩之間主要受力為垂直向壓力N、側(cè)向力F3及摩擦阻力F1，車輪與承載鋼絲繩之間的阻力主要有承載索側(cè)向摩擦阻力和車輪滾動摩擦阻力[5]。滑車車輪載荷示意圖如圖2所示。

圖2 滑車車輪載荷示意圖

產(chǎn)生承載索側(cè)向摩擦阻力主要有2個主要因素:

1)由于風載荷作用導致2根承載索距離s發(fā)生變化，但滑車車輪輪槽中心間距S是定值，滑車滑行時滑輪輪槽將2根承載鋼絲繩強制性約束于繩槽內(nèi)，輪槽側(cè)向與承載鋼絲繩接觸，產(chǎn)生摩擦阻力；2）乘客在滑行過程中身體左右扭動也會導致車輪輪槽側(cè)面與鋼絲繩之間接觸而產(chǎn)生摩擦。由于滑槽與鋼絲繩接觸面大小和接觸時間無法準確測量或估算，速度計算中常忽略側(cè)向摩擦阻力。

滾動摩擦阻力主要與軸承滾動摩擦系數(shù)有關系，滾動摩擦阻力為[6]

式中：μ為小車滑輪滾動摩擦阻力系數(shù)(常取0.007 8)，μ1為車輪軸承的摩擦系數(shù)，μ0為車輪的滾動摩擦系數(shù)，R為小車車輪半徑，r為車輪軸半徑。

1.3 空氣阻力

空氣阻力指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產(chǎn)生的[7]?？諝庾枇?/p>

式中：f為空氣阻力系數(shù)(通常取0.7)；A為乘客迎風面積,為0.3 m2；v為運行速度。

空氣阻力計算都是基于理想情況下進行的，實際滑行過程中，乘客姿態(tài)變化影響迎風面積，另外，滑行線路風載荷大小和方向都對滑行速度有較大影響?？偟膩碚f，迎風面積是影響空氣阻力的主要因素?；鞒丝瓦\行空氣阻力與滑車速度的平方成正比，隨著速度增大，風阻就會按平方規(guī)律增加。在汽車行業(yè)由實驗證明，車速小于60 km/h時，空氣阻力的影響不大，可忽略空氣阻力的影響[8]。對于運行速度較低的滑索，可忽略空氣阻力對乘人的影響。

2 滑索線路坡度設計

滑索線路坡度是影響滑行速度最主要因素，線路坡度選擇不合理，滑行速度將難以達到設計要求，導致要么進站速度過快、要么無法進站的情況，一般情況下按滑索線路長度和承載索根數(shù)確定坡度。本文總結(jié)了實際應用較普遍的坡度數(shù)據(jù)，如表1所示，其基本規(guī)律是線路越長，所需坡度越大；同等線路長度下單承載索坡度小于雙承載索坡度。

表1 滑索常用坡度匯總表

3 滑車速度調(diào)整方法

3.1 鋼絲繩擾度調(diào)節(jié)法

滑索鋼絲繩擾度一般設計為3%～5%，調(diào)節(jié)鋼絲繩擾度是調(diào)整進站速度最直接有效的辦法，大部分滑索通過該方法可以將進站速度調(diào)整至安全要求?；噺纳险就抡净羞^程中，經(jīng)歷先加速、后減速的階段，鋼絲繩擾度越大，減速段距離越長，進站速度越小。但擾度過大有可能導致乘客不能進站，擾度太小會導致鋼絲繩張力過大，安全系數(shù)不夠的問題。擾度的調(diào)整要適應不同體重乘客，對同一條滑索，滑行體重為40 ～70 kg時，承載索擾度宜調(diào)整至3%～4%，滑行體重70～90 kg時，承載索擾度宜調(diào)整至4%～5%。

3.2 空氣阻力調(diào)節(jié)法

風阻是影響滑行速度的重要影響因素，風向、風速都對滑行速度有影響，常造成進站速度偏大或不進站的情況[9]。部分滑索線路因坡度較大，調(diào)整鋼絲繩擾度仍無法使進站速度滿足標準要求時，可采取增加空氣阻力的方法。通?？捎谧蚧嚿显黾佑L擋板、裝飾物或風艙以增加迎風面積。裝飾物材料宜選擇質(zhì)量較輕的軟質(zhì)材料，不應對乘客滑行過程構(gòu)成其他相關風險，與緩沖裝置接觸過程不宜有任何風險。國內(nèi)采用空氣阻力調(diào)節(jié)的典型設備為滑翔飛翼設備，如圖3所示。國外典型的方法為采用減速傘減速，減速效果非常明顯，但由于標準法規(guī)相關原因，此種方法不適用于國內(nèi)。

圖3 滑翔飛翼

3.3 配重法

體重也是影響滑行進站速度的關鍵，體重越大，總勢能越大，進站速度越高。在實際滑行過程中，同一條滑索，同等滑行條件下，體重較重的進站速度高，體重較輕的進站速度低或無法進站?；鲗儆诶仙俳砸说幕许椖浚丝腕w重范圍一般限定在30 ～90 kg，當體重大的乘客能以正常速度進站時，體重小的乘客有可能滑行速度偏低，無法滑行到終點，導致要進行救援。因此對體重小的乘客進行適當配重，使進站速度保持在標準規(guī)定范圍。一般采用的方法是在滑行吊帶上吊掛一定量的沙袋以增加滑行體重。配重法不影響滑行安全，操作簡單，調(diào)速效果明顯，應用較多。

3.4 摩擦阻力調(diào)節(jié)法

滑索設計中主要有以下四方面措施改變滑行過程摩擦阻力，以調(diào)整滑行進站速度。

1）調(diào)整行走輪直徑 調(diào)整行走輪直徑是一種調(diào)整行走輪與鋼絲繩滾動摩擦系數(shù)的方法[10]，由式（2）可知，行走輪直徑R越大，滾動摩擦系數(shù)越小，常規(guī)的行走輪直徑為80 ～120 mm，對于部分傾角較小線路通過調(diào)整擾度后仍無法正常進站的，可以增加行走輪直徑。

2）改變行走輪材質(zhì) 改變行走輪材質(zhì)是一種調(diào)整摩擦阻力的方法。絕大多數(shù)行走輪材質(zhì)為碳鋼，與鋼絲繩接觸滾動摩擦系數(shù)較小。對于部分滑索線路進站速度一直偏高的設備，更改行走輪材質(zhì)，可有效減小進站速度，如國內(nèi)某1 200 m滑索，高差300 m，采用鋼質(zhì)行走輪，滑行進站速度始終偏高，改用了聚氨酯車輪，有顯著的減速效果。

3）調(diào)整車輪數(shù)量 滑索滑行小車采用的車輪數(shù)量多為4個或2個，車輪數(shù)量越多，與鋼絲繩摩擦越大，滑索設計中要根據(jù)線路情況選擇合適的滑車車輪數(shù)量。

4）承載索根數(shù) 承載索根數(shù)是影響進站速度的因素之一。對于雙承載索，滑車車輪輪槽側(cè)向與承載索易產(chǎn)生較大摩擦，而采用單根承載索時不存在側(cè)向摩擦，同等條件下，采用單承載索可以提高進站速度[11]。

3.5 車輪阻尼葉片

提高行走輪摩擦系數(shù)的另外一種方法是增加車輪轉(zhuǎn)動阻尼，目前實際應用中有效的方法是在行走輪上設置旋轉(zhuǎn)擋風葉片，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)擋風葉片

乘客滑行過程中，葉片隨車輪高速轉(zhuǎn)動，與空氣形成阻尼，達到對滑行速度的微調(diào)。這種速度調(diào)節(jié)方法應用在國內(nèi)某風景區(qū)長605 m的滑索，減速效果較為明顯，進站速度比較穩(wěn)定。

滑索在實際運行過程中，超速進站的情況較為常見，主要是受風速影響。標準規(guī)定風速大于8 m/s時滑索禁止運行，但對于多數(shù)線路，風速在2～5 m/s時就會引起進站速度的顯著變化，部分線路進站速度甚至超過8 m/s,乘客這種速度下減速停止，身體易與下站減速緩沖裝置發(fā)生較大沖擊，極易受傷，其原因在于部分滑索線路的減速緩沖裝置只適用于進站速度低于3.5 m/s時的減速。故提高減速緩沖裝置在乘客高速進站情況下的有效性和安全性是保護乘客安全的關鍵措施[12]。

4 結(jié)論

針對目前部分滑索線路設計中面臨的進站速度難以滿足標準要求問題，分析了影響滑索進站速度的主要因素，總結(jié)了滑索設計和調(diào)試過程應注意的事項和解決問題的方法，這些方法廣泛應用于滑索的設計、安裝調(diào)試，效果明顯，能有效提高滑索進站安全。對于進站速度受風速影響較為敏感的設備，乘客滑行至下站時較容易超速進站，為保護乘客安全，應提高減速緩沖裝置在乘客高速進站情況的有效性和安全性。