游樂設(shè)施摩天輪的FMECA 分析

沈 盈，王 凌，朱吳穎嘉，金衛(wèi)良，李 青

（1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，浙江杭州 310020）

0 引言

摩天輪作為一種高人氣的大型游樂設(shè)施，是很多游樂場(chǎng)所的關(guān)鍵設(shè)備（圖1）。作為大型轉(zhuǎn)輪式機(jī)械設(shè)施，摩天輪的輪邊緣按一定間距懸掛吊廂供游客乘坐，游客可以在吊廂緩緩上升的過程中俯瞰四周美景。近年來摩天輪游樂項(xiàng)目受到越來越多的歡迎，其安全問題也愈發(fā)受到重視。然而，因?yàn)槟μ燧喸O(shè)備故障而導(dǎo)致的事故屢見不鮮。例如，2007 年韓國(guó)釜山市環(huán)球嘉年華摩天輪發(fā)生故障，摔死5 人；2013 年8 月，阿根廷圣達(dá)菲省羅薩里奧市一游樂場(chǎng)內(nèi)的摩天輪墜落，導(dǎo)致2 人死亡；2019 年1 月，鄭州人民公園游樂場(chǎng)摩天輪發(fā)生事故導(dǎo)致1 人喪生。因此，摩天輪的安全問題不容小覷。

圖1 摩天輪全景

目前，在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和機(jī)械結(jié)構(gòu)方面對(duì)摩天輪進(jìn)行安全分析的研究成果有較多報(bào)道，張琦[1]對(duì)摩天輪預(yù)緊力的確定和荷載工況及模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，丁潔民等[2]給出了巨型柔性摩天輪的結(jié)構(gòu)體系分析。FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，故障模式、影響及危害性分析）是設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)分析理論之一，著重于針對(duì)各類設(shè)備所有可能的故障，對(duì)各部件或子系統(tǒng)、模塊等進(jìn)行故障模式分析，然后確定各故障模式對(duì)系統(tǒng)工作的影響，最后按故障模式的嚴(yán)重度及其發(fā)生概率分析確定其危害性。目前，F(xiàn)MECA 理論已經(jīng)在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。王海瑞等[3]以及袁帥[4]通過該方法，分別對(duì)城市軌道列車制動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械密封系統(tǒng)進(jìn)行故障分析。不過目前國(guó)內(nèi)針對(duì)游樂設(shè)施摩天輪的FMECA 研究成果尚未發(fā)現(xiàn)報(bào)道。本文基于FMECA 理論，對(duì)摩天輪的系統(tǒng)劃分及其一系列潛在危害進(jìn)行定性與定量分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 摩天輪的結(jié)構(gòu)

摩天輪的工作原理主要是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)并依靠減速機(jī)減速，把機(jī)械動(dòng)力從高轉(zhuǎn)速、低扭矩轉(zhuǎn)為低轉(zhuǎn)速、高扭矩，實(shí)現(xiàn)巨大輪式機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。摩天輪的結(jié)構(gòu)一般由支撐結(jié)構(gòu)、輪盤結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。其支撐結(jié)構(gòu)主要是人字架，而輪盤結(jié)構(gòu)包括中心主軸、輪緣和輪輻索等，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)裝置。

1.1 支撐人字架

摩天輪的人字架起支撐作用，使摩天輪能夠勻速穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。人字架主體結(jié)構(gòu)由數(shù)根雙向傾斜的巨型圓管立柱構(gòu)成，立柱圓管之間交錯(cuò)連接著圓管。摩天輪的人字架立柱底部與地基一般采用焊接連接或地腳螺栓連接，而其頂部與中心主軸軸承座的連接一般采用焊接[5]。

1.2 輪盤結(jié)構(gòu)

輪盤結(jié)構(gòu)的形式主要有剛性、柔性和剛?cè)嵯嘟Y(jié)合等形式，主要包括以下3 個(gè)部分。

（1）中心主軸。中心主軸是摩天輪的主要承重以及回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，主要由主軸、軸承和支承座3 部分組成（圖2）。中心主軸軸承座與支撐結(jié)構(gòu)上端相連。

圖2 摩天輪的中心主軸與支承座

（2）輪緣。輪緣由外輪緣、內(nèi)輪緣以及連接其內(nèi)外輪緣的三角桁架組成（圖3）：分為內(nèi)外兩部分巨型鋼架，外輪緣由兩根平行的巨型圓鋼架組成，主要起到支撐摩天輪每一個(gè)艙位的作用；內(nèi)輪緣由一根巨型圓鋼架構(gòu)成，主要用于連接輪緣及輪輻和輪輻索[1]。

圖3 輪緣局部結(jié)構(gòu)（觀覽車吊廂吊掛軸）

（3）輪輻索。輪輻主要是連接輪緣和中心主軸之間的一個(gè)鋼管結(jié)構(gòu)，給其施加預(yù)緊力，起到固定支撐的作用。

1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

（1）控制系統(tǒng)。摩天輪一般通過操作柜控制設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止（圖4）。

圖4 摩天輪的外部操作柜

（2）驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置主要由液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)軸和液壓缸3 個(gè)部分組成（圖5）。摩天輪中，采用聯(lián)軸器將驅(qū)動(dòng)軸與液壓馬達(dá)相連接，另一液壓缸固定于油缸支架上，在該液壓缸的推動(dòng)下，先將橡膠輪胎與摩天輪的輪緣壓緊，然后驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器連接橡膠輪胎，橡膠輪胎通過與輪緣之間的摩擦帶動(dòng)輪緣轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)摩天輪的轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

圖5 摩天輪構(gòu)成

2 摩天輪FMECA 故障模式分析

基于FMECA 理論可以針對(duì)摩天輪可能發(fā)生的各類故障模式及其影響進(jìn)行分析，并對(duì)這些故障發(fā)生概率以及其影響嚴(yán)重程度進(jìn)行定性定量評(píng)估，基本步驟說明如下[6]：

2.1 基本步驟

（1）準(zhǔn)備設(shè)備資料，即收集相應(yīng)設(shè)備及其故障的信息，給定本次FMECA 的總要求。

（2）定義系統(tǒng)（產(chǎn)品）及其功能，即對(duì)被分析對(duì)象進(jìn)行功能分析、劃分并繪制框圖。

（3）基于故障判據(jù)、相似產(chǎn)品、試驗(yàn)和使用信息及工程經(jīng)驗(yàn)等方面，確定設(shè)備所有可能發(fā)生的故障模式。

（4）根據(jù)設(shè)備的一系列相關(guān)情況確定每個(gè)故障模式可能發(fā)生的原因以及故障發(fā)生的概率等級(jí)。

（5）按照對(duì)自身、更高層次以及最終影響進(jìn)行分析，確定各故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)。

（6）確定每一種可能的故障模式檢查方法。

（7）針對(duì)每個(gè)故障模式對(duì)其制定改進(jìn)方案和補(bǔ)償措施。

（8）對(duì)每一個(gè)故障模式可能發(fā)生的概率等級(jí)與嚴(yán)酷度等級(jí)或危害度進(jìn)行評(píng)價(jià)排序。

（9）根據(jù)排序識(shí)別該系統(tǒng)維修保障的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目。

（10）判斷是否需要進(jìn)一步改進(jìn)和重復(fù)上訴FMECA 步驟，最終提供FMECA 報(bào)告。

2.2 故障模式的危害性分析

本文對(duì)于各類故障模式的危害性分析采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）方法。該方法是按照產(chǎn)品每個(gè)故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的值進(jìn)行排序，并采取相應(yīng)措施使其達(dá)到可接受的最低水平。產(chǎn)品的某個(gè)故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)等于該故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)酷度等級(jí)（Effect Severity Ranking，ESR）和發(fā)生概率（Occurrence Probability Ranking，OPR）的乘積，即RPN=ESR×OPR，RPN 越高則其危害性越大。

嚴(yán)酷度等級(jí)是評(píng)定某個(gè)故障模式最終影響的程度，其評(píng)分準(zhǔn)則見表1。

表1 嚴(yán)酷度評(píng)分等級(jí)表

故障模式發(fā)生概率（OPR）是評(píng)定某個(gè)故障模式實(shí)際發(fā)生的可能性，其評(píng)分準(zhǔn)則見表2。

表2 故障模式發(fā)生概率評(píng)分等級(jí)表

根據(jù)RPN=ESR×OPR，可以計(jì)算出如下故障模式的RPN 值（表3）：由表3 可知，輪輻索的異常變形、在張力作用下斷裂和輪緣磨損、疲勞斷裂的RPN 值較高，在維護(hù)保養(yǎng)工作當(dāng)中應(yīng)重點(diǎn)檢查和保養(yǎng)，并且適當(dāng)減小檢修間隔。三相異步交流電機(jī)故障和中心主軸潤(rùn)滑油不足的問題同樣有較高風(fēng)險(xiǎn)，需要定期檢查，及時(shí)維修。

表3 摩天輪的FMECA 分析計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

摩天輪各部件有可能存在的故障模式會(huì)對(duì)摩天輪會(huì)產(chǎn)生不同程度的損害，同時(shí)也會(huì)對(duì)游客和社會(huì)產(chǎn)生不同程度的傷害或影響。FMECA 故障模式分析是基礎(chǔ)的故障模式分析，通過對(duì)故障模式發(fā)生概率以及可能產(chǎn)生的影響的估算，可知風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN 對(duì)于找出摩天輪系統(tǒng)潛在的薄弱環(huán)節(jié)有重大意義。RPN 的值越大，則潛在危害性越大，應(yīng)該給予更多的關(guān)注。在對(duì)摩天輪的質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，要著重檢查更為薄弱的環(huán)節(jié)，要定期對(duì)基礎(chǔ)項(xiàng)目進(jìn)行必要的維護(hù)，以降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，增加摩天輪系統(tǒng)的安全性。

資助項(xiàng)目：浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019C03114）。