大型游樂設施中過山車的FMECA分析

朱吳穎嘉，王凌，沈盈，金衛良，金英，李青

（1.中國計量大學機電工程學院，江蘇 杭州 310018；2.浙江省特種設備科學研究院，江蘇 杭州 310020）

近年來，全國各地建起了許多規模大小不一的游樂園或主題樂園。過山車作為游樂園中的一項明星項目，受到廣大游客的廣泛歡迎。在過山車的高速運行過程中，會產生離心力、加速度以及失重感，這是帶給游客極限刺激感官體驗的主要因素。同時高速的運行也對過山車的安全性和可靠性提出了極高的要求。過去的十幾年間，過山車運行時發生的安全事故屢見不鮮，這些事故輕則使游客被困于過山車上，重則造成游客傷亡。例如，2007年12月31日，安徽蕪湖方特歡樂世界的過山車由于風力過大，突然停止運行，導致16位乘客懸空半小時；2012年5月石家莊“好時光歡樂城”的過山車滿載著乘客時車頭和車身連接處斷開，車上16名游客受到嚴重驚嚇；2017年英國BBC統計六大死傷慘重的游樂場事故，結果顯示其中過山車故障最多。因此，對于過山車的安全性分析就顯得尤為重要。本文在分析過山車設備組成基礎上，對過山車進行FMECA分析，找出過山車系統中存在的薄弱環節，提出與之相應的優化措施，有望幫助提高過山車的安全水平，并降低過山車游客的安全風險。

故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode，Effects，and Criticality Analysis,FMECA)是可靠性領域的熱點應用理論。這項技術常被用于分析裝備系統中的各種故障模式，可以提高裝備的可靠性和延長使用壽命。在工程上，FMECA方法應用十分廣泛。張燕超運用FMECA方法對橋式抓斗卸船機進行風險評估。范晉偉等運用FMECA與FTA方法對數控磨床冷卻系統進行可靠性分析，并提出相應的解決方案來提高其系統的可靠性。目前，已經有許多學者分析城市軌道交通系統運用FMECA技術存在的風險與故障。張冬梅和劉偉對列車轉向架主要故障模式進行了FMECA分析，得出了關鍵部件的危害度。王海瑞等運用FMECA方法對城市軌道列車的制動系統進行分析，有利于提高列車整個系統的可靠性。夏軍等運用模糊FMECA方法，定量評價了車門系統故障率最高的三大組成部分，并將FMECA方法推廣到整個列車系統。牟穎運用FMECA方法分析地鐵列車車門存在的故障并提出補償措施。邱星慧等對地鐵車門系統運用FMECA的方法進行了可靠性分析，并提出了對系統薄弱環節相對應的優化措施。

過山車是一種在軌道上運行的大型游樂設施，設備部分具有與軌道交通相似的結構。本文針對大型游樂設施過山車系統，基于FMECA方法分析過山車系統可能存在的故障模式及其造成后果的影響程度，并提出相應的優化方案，這對于提高過山車的安全性和可靠性，保證游客的人身安全，具有一定的實際應用意義。

1 過山車的結構

過山車包括動力裝置、軌道、車體安全裝置、制動裝置以及站臺、立柱、基礎、提升系統、車輛、控制系統等，部分子系統介紹如下。

1.1 動力裝置

過山車的車體在整個運行過程當中，不需要始終依靠電機驅動來提供全程運行過程的動力。除了車體爬升到第一個坡頂時需要動力裝置提供驅動外，爬升后的下滑運動過程的能量都是依靠重力勢能和動能之間的相互轉換。在目前的大多數過山車系統中，一般采用鏈式提升器來作為過山車提升到第一個坡頂的動力來源，并積蓄后續過山車運行所需的能量。

鏈式提升器主要是由電機、鏈條、鏈輪與減速器組成。鏈條安裝在軌道的下方，沿第一個上坡向上延伸并形成一個環路，在這個環路的頂部和底部各裝有1個電機作為動力裝置。電機啟動并帶動減速器轉動，降低轉速、增大轉矩，為過山車爬坡提供更大的動力。減速器輸出軸連接鏈輪，鏈輪再驅動鏈條，將過山車提升到最高點。其中過山車車體與鏈條之間用車輛牽引鉤掛接。當過山車進入坡底時，牽引鉤就會掛接鏈條，使過山車車體與鏈條一同運動。然后，通過電機轉動帶動鏈條和過山車車體一同向上運動，從而使過山車運行到坡頂。

圖1 過山車爬坡段

1.2 軌道

過山車的運行軌道（如圖2）主要是由立柱、軌道以及龍骨3個部分組成。為了讓車體能夠緊貼軌道而避免脫軌事故，過山車的車體底部安裝了3組方向不同的輪子，分別是行走輪、側輪和底輪。行走輪是為了承受車身的重量；側輪會將車體控制在軌道的正中央，不會使車體往兩側漂移；底輪則會在轉彎時讓車體緊扣在軌道上。

圖2 過山車的軌道實物圖

1.3 車體安全裝置

在過山車運行時，為了防止乘客在過山車旋轉、翻滾運動或受到沖擊較大時脫離過山車的座位而受到意外傷害，一般過山車會采用壓肩護胸式安全壓杠使乘客強制坐在座位上。壓肩護胸式安全壓杠一般是由鋼管制成的內芯和橡膠或織物包在鋼管的外部組成，既保證了足夠的機械強度，又不容易挫傷乘客，還可以把乘客限制在靠背和安全壓杠間很小的活動范圍，防止意外受傷。為了能夠更加有效地保證乘客的安全，有些過山車會再增加另外1套緊鎖裝置，在壓杠前端加裝氣動插銷緊鎖，防止安全壓杠裝置失效而導致壓杠自由打開。

圖3 過山車的安全壓杠

1.4 制動裝置

過山車在即將運行到終點時，與軌道交通列車一樣需要制動裝置，使其能夠準確地停在運行終點；或者在遇到突發危急情況時，可以讓過山車緊急制動。制動器是過山車的一個重要安全部件，它關系到過山車是否能安全運行，過山車制動器大部分是板式制動器，在低速時也可采用輪胎制動，這種制動一般只是定位使用。板式制動器分為氣缸或油缸驅動式制動器、氣囊式板式制動器、永磁渦流制動器。也有過山車的制動裝置是磁力剎車制動器，并輔以摩擦驅動輪進行制動。其中磁力剎車裝置的安裝有下面2種形式：

（1）將金屬片裝在過山車車體的底部，磁鐵裝在運行軌道上；

（2）將磁鐵裝在過山車車體的底部，金屬片裝在運行軌道上。

圖4 過山車的制動裝置簡圖

圖5 對過山車結構層次劃分框圖

2 FMECA分析理論

根據對過山車各部分結構的危險狀態的分析，可以運用風險優先數（RPN）方法對其故障模式、影響及危害度進行分析。過山車某個故障模式的RPN的數值大小，由下列公式計算得出：

其中：OPR——故障模式發生概率等級

ESR——故障模式影響的嚴酷度等級

DDR——檢測難易程度等級

2.1 過山車故障模式發生概率等級的劃分

采用故障模式發生概率等級（OPR）對過山車的故障模式的實際發生可能性進行評價。如表1所示，將OPR從發生可能性由低到高分為1～9個等級，根據故障模式發生的概率mP對應表中發生概率范圍得出故障模式發生概率等級。

表1 故障模式發生概率等級（ORP）評定標準

2.2 過山車故障模式影響的嚴酷度評價

故障模式影響的嚴酷度評價（ESR）是評價過山車的故障模式發生后最終的影響程度，如表2所示，將ESR分為1～9個等級，分別對應事故發生后的影響程度由輕微到嚴重。

表2 故障模式影響的嚴酷度等級（ESR）評定標準

2.3 過山車檢測故障模式難易程度的評定

檢測難易程度等級（DDR）在過山車某個故障模式出現時，能夠檢測出故障模式的難易程度。如表3所示，將DDR由容易檢測到不易檢測分為1～9個等級。

表3 檢測難易程度等級（DDR）評定標準

2.4 風險優先數

由表1、表2、表3分析出某個故障模式的ORP、ESR、DDR等級，進而運用公式（1）計算得出風險優先數（RPN），對照表4得出風險等級，并對風險等級較高的故障模式采取相應的應對措施，使RPN的值降低到可以接受的范圍，提高過山車運行的安全性。

表4 風險優先數（RPN）與風險等級

2.5 過山車風險評估

經分析得出過山車故障出現的概率、故障發生造成的后果、故障檢測的難易程度以及風險優先數，見表5。

表5 運用FMECA得出過山車的風險評估統計表

根據表5的風險等級可知，過山車存在高風險3項，中風險2項，低風險6項。其中運行過程中安全壓桿打開和軌枕與支撐管之間嚴重腐蝕并且斷裂的風險等級較高，造成的后果也十分嚴重，一旦發生會對游客的生命安全造成傷害，應引起足夠重視。不僅應當做好平時的養護工作，盡早發現安全隱患，降低故障發生的概率，而且在設計過山車結構時，應加強針對這2項故障的安全防護措施，保障游客的生命安全。在啟動過山車時，安全壓桿未安裝到位，引起的后果也十分嚴重，但只要游樂場的工作人員在過山車啟動前，仔細檢查安全壓桿是否安裝到位，就能有效避免這種情況的發生。其他故障模式雖然并不會對游客的生命安全造成傷害，但也應該高度重視，避免在運行時出現事故，影響游客的體驗感，引起恐慌，并在設計和維修保障方面考慮到可能發生的故障，提出相應的解決方案。

3 結語

本文采用FMECA方法對過山車進行故障模式分析和風險評估，分析故障模式發生的影響，總結給出需要重點關注的高風險故障模式，提出降低故障發生概率的建議，對提高過山車系統的可靠性和安全水平具有較好的參考意義。