游樂設施摩天輪的FMECA 分析

沈 盈，王 凌，朱吳穎嘉，金衛良，李 青

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

0 引言

摩天輪作為一種高人氣的大型游樂設施，是很多游樂場所的關鍵設備（圖1）。作為大型轉輪式機械設施，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目受到越來越多的歡迎，其安全問題也愈發受到重視。然而，因為摩天輪設備故障而導致的事故屢見不鮮。例如，2007 年韓國釜山市環球嘉年華摩天輪發生故障，摔死5 人；2013 年8 月，阿根廷圣達菲省羅薩里奧市一游樂場內的摩天輪墜落，導致2 人死亡；2019 年1 月，鄭州人民公園游樂場摩天輪發生事故導致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，在運動學建模和機械結構方面對摩天輪進行安全分析的研究成果有較多報道，張琦[1]對摩天輪預緊力的確定和荷載工況及模態進行了詳細分析，丁潔民等[2]給出了巨型柔性摩天輪的結構體系分析。FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，故障模式、影響及危害性分析）是設備可靠性的基礎分析理論之一，著重于針對各類設備所有可能的故障，對各部件或子系統、模塊等進行故障模式分析，然后確定各故障模式對系統工作的影響，最后按故障模式的嚴重度及其發生概率分析確定其危害性。目前，FMECA 理論已經在很多領域廣泛應用。王海瑞等[3]以及袁帥[4]通過該方法，分別對城市軌道列車制動系統和機械密封系統進行故障分析。不過目前國內針對游樂設施摩天輪的FMECA 研究成果尚未發現報道。本文基于FMECA 理論，對摩天輪的系統劃分及其一系列潛在危害進行定性與定量分析，并提出相應的改進措施。

1 摩天輪的結構

摩天輪的工作原理主要是采用電機驅動并依靠減速機減速，把機械動力從高轉速、低扭矩轉為低轉速、高扭矩，實現巨大輪式機構的旋轉。摩天輪的結構一般由支撐結構、輪盤結構和驅動系統組成。其支撐結構主要是人字架，而輪盤結構包括中心主軸、輪緣和輪輻索等，而驅動系統主要是控制系統以及驅動裝置。

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定地旋轉。人字架主體結構由數根雙向傾斜的巨型圓管立柱構成，立柱圓管之間交錯連接著圓管。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 輪盤結構

輪盤結構的形式主要有剛性、柔性和剛柔相結合等形式，主要包括以下3 個部分。

（1）中心主軸。中心主軸是摩天輪的主要承重以及回轉結構，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構上端相連。

圖2 摩天輪的中心主軸與支承座

（2）輪緣。輪緣由外輪緣、內輪緣以及連接其內外輪緣的三角桁架組成（圖3）：分為內外兩部分巨型鋼架，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艙位的作用；內輪緣由一根巨型圓鋼架構成，主要用于連接輪緣及輪輻和輪輻索[1]。

圖3 輪緣局部結構（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鋼管結構，給其施加預緊力，起到固定支撐的作用。

1.3 驅動系統

（1）控制系統。摩天輪一般通過操作柜控制設備的啟動、運行和停止（圖4）。

圖4 摩天輪的外部操作柜

（2）驅動裝置。驅動裝置主要由液壓馬達、驅動軸和液壓缸3 個部分組成（圖5）。摩天輪中，采用聯軸器將驅動軸與液壓馬達相連接，另一液壓缸固定于油缸支架上，在該液壓缸的推動下，先將橡膠輪胎與摩天輪的輪緣壓緊，然后驅動液壓馬達通過聯軸器連接橡膠輪胎，橡膠輪胎通過與輪緣之間的摩擦帶動輪緣轉動，從而實現摩天輪的轉動[5]。

圖5 摩天輪構成

2 摩天輪FMECA 故障模式分析

基于FMECA 理論可以針對摩天輪可能發生的各類故障模式及其影響進行分析，并對這些故障發生概率以及其影響嚴重程度進行定性定量評估，基本步驟說明如下[6]：

2.1 基本步驟

（1）準備設備資料，即收集相應設備及其故障的信息，給定本次FMECA 的總要求。

（2）定義系統（產品）及其功能，即對被分析對象進行功能分析、劃分并繪制框圖。

（3）基于故障判據、相似產品、試驗和使用信息及工程經驗等方面，確定設備所有可能發生的故障模式。

（4）根據設備的一系列相關情況確定每個故障模式可能發生的原因以及故障發生的概率等級。

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

（6）確定每一種可能的故障模式檢查方法。

（7）針對每個故障模式對其制定改進方案和補償措施。

（8）對每一個故障模式可能發生的概率等級與嚴酷度等級或危害度進行評價排序。

（9）根據排序識別該系統維修保障的薄弱環節和關鍵項目。

（10）判斷是否需要進一步改進和重復上訴FMECA 步驟，最終提供FMECA 報告。

2.2 故障模式的危害性分析

本文對于各類故障模式的危害性分析采用風險優先數（Risk Priority Number，RPN）方法。該方法是按照產品每個故障模式風險優先數的值進行排序，并采取相應措施使其達到可接受的最低水平。產品的某個故障模式風險優先數等于該故障模式產生影響的嚴酷度等級（Effect Severity Ranking，ESR）和發生概率（Occurrence Probability Ranking，OPR）的乘積，即RPN=ESR×OPR，RPN 越高則其危害性越大。

嚴酷度等級是評定某個故障模式最終影響的程度，其評分準則見表1。

表1 嚴酷度評分等級表

故障模式發生概率（OPR）是評定某個故障模式實際發生的可能性，其評分準則見表2。

表2 故障模式發生概率評分等級表

根據RPN=ESR×OPR，可以計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，在維護保養工作當中應重點檢查和保養，并且適當減小檢修間隔。三相異步交流電機故障和中心主軸潤滑油不足的問題同樣有較高風險，需要定期檢查，及時維修。

表3 摩天輪的FMECA 分析計算結果

3 結論

摩天輪各部件有可能存在的故障模式會對摩天輪會產生不同程度的損害，同時也會對游客和社會產生不同程度的傷害或影響。FMECA 故障模式分析是基礎的故障模式分析，通過對故障模式發生概率以及可能產生的影響的估算，可知風險優先數RPN 對于找出摩天輪系統潛在的薄弱環節有重大意義。RPN 的值越大，則潛在危害性越大，應該給予更多的關注。在對摩天輪的質量監測中，要著重檢查更為薄弱的環節，要定期對基礎項目進行必要的維護，以降低風險發生的概率，增加摩天輪系統的安全性。

資助項目：浙江省重點研發計劃項目（2019C03114）。