朱吳穎嘉，王凌，沈盈，金衛(wèi)良，金英，李青

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

近年來，全國各地建起了許多規(guī)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(xiàng)明星項(xiàng)目，受到廣大游客的廣泛歡迎。在過山車的高速運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)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(yàn)的主要因素。同時(shí)高速的運(yùn)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(yùn)行時(shí)發(fā)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(fēng)力過大，突然停止運(yùn)行，導(dǎo)致16位乘客懸空半小時(shí)；2012年5月石家莊“好時(shí)光歡樂城”的過山車滿載著乘客時(shí)車頭和車身連接處斷開，車上16名游客受到嚴(yán)重驚嚇；2017年英國BBC統(tǒng)計(jì)六大死傷慘重的游樂場事故，結(jié)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(shè)備組成基礎(chǔ)上，對過山車進(jìn)行FMECA分析，找出過山車系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，提出與之相應(yīng)的優(yōu)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(fēng)險(xiǎn)。

故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode，Effects，and Criticality Analysis,FMECA)是可靠性領(lǐng)域的熱點(diǎn)應(yīng)用理論。這項(xiàng)技術(shù)常被用于分析裝備系統(tǒng)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，F(xiàn)MECA方法應(yīng)用十分廣泛。張燕超運(yùn)用FMECA方法對橋式抓斗卸船機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。范晉偉等運(yùn)用FMECA與FTA方法對數(shù)控磨床冷卻系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，并提出相應(yīng)的解決方案來提高其系統(tǒng)的可靠性。目前，已經(jīng)有許多學(xué)者分析城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)用FMECA技術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)與故障。張冬梅和劉偉對列車轉(zhuǎn)向架主要故障模式進(jìn)行了FMECA分析，得出了關(guān)鍵部件的危害度。王海瑞等運(yùn)用FMECA方法對城市軌道列車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，有利于提高列車整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。夏軍等運(yùn)用模糊FMECA方法，定量評價(jià)了車門系統(tǒng)故障率最高的三大組成部分，并將FMECA方法推廣到整個(gè)列車系統(tǒng)。牟穎運(yùn)用FMECA方法分析地鐵列車車門存在的故障并提出補(bǔ)償措施。邱星慧等對地鐵車門系統(tǒng)運(yùn)用FMECA的方法進(jìn)行了可靠性分析，并提出了對系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)相對應(yīng)的優(yōu)化措施。

過山車是一種在軌道上運(yùn)行的大型游樂設(shè)施，設(shè)備部分具有與軌道交通相似的結(jié)構(gòu)。本文針對大型游樂設(shè)施過山車系統(tǒng)，基于FMECA方法分析過山車系統(tǒng)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(yīng)的優(yōu)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(shí)際應(yīng)用意義。

1 過山車的結(jié)構(gòu)

過山車包括動(dòng)力裝置、軌道、車體安全裝置、制動(dòng)裝置以及站臺、立柱、基礎(chǔ)、提升系統(tǒng)、車輛、控制系統(tǒng)等，部分子系統(tǒng)介紹如下。

1.1 動(dòng)力裝置

過山車的車體在整個(gè)運(yùn)行過程當(dāng)中，不需要始終依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)來提供全程運(yùn)行過程的動(dòng)力。除了車體爬升到第一個(gè)坡頂時(shí)需要?jiǎng)恿ρb置提供驅(qū)動(dòng)外，爬升后的下滑運(yùn)動(dòng)過程的能量都是依靠重力勢能和動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換。在目前的大多數(shù)過山車系統(tǒng)中，一般采用鏈?zhǔn)教嵘鱽碜鳛檫^山車提升到第一個(gè)坡頂?shù)膭?dòng)力來源，并積蓄后續(xù)過山車運(yùn)行所需的能量。

鏈?zhǔn)教嵘髦饕怯呻姍C(jī)、鏈條、鏈輪與減速器組成。鏈條安裝在軌道的下方，沿第一個(gè)上坡向上延伸并形成一個(gè)環(huán)路，在這個(gè)環(huán)路的頂部和底部各裝有1個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力裝置。電機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩，為過山車爬坡提供更大的動(dòng)力。減速器輸出軸連接鏈輪，鏈輪再驅(qū)動(dòng)鏈條，將過山車提升到最高點(diǎn)。其中過山車車體與鏈條之間用車輛牽引鉤掛接。當(dāng)過山車進(jìn)入坡底時(shí)，牽引鉤就會(huì)掛接鏈條，使過山車車體與鏈條一同運(yùn)動(dòng)。然后，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈條和過山車車體一同向上運(yùn)動(dòng)，從而使過山車運(yùn)行到坡頂。

圖1 過山車爬坡段

1.2 軌道

過山車的運(yùn)行軌道（如圖2）主要是由立柱、軌道以及龍骨3個(gè)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(cè)輪和底輪。行走輪是為了承受車身的重量；側(cè)輪會(huì)將車體控制在軌道的正中央，不會(huì)使車體往兩側(cè)漂移；底輪則會(huì)在轉(zhuǎn)彎時(shí)讓車體緊扣在軌道上。

圖2 過山車的軌道實(shí)物圖

1.3 車體安全裝置

在過山車運(yùn)行時(shí)，為了防止乘客在過山車旋轉(zhuǎn)、翻滾運(yùn)動(dòng)或受到?jīng)_擊較大時(shí)脫離過山車的座位而受到意外傷害，一般過山車會(huì)采用壓肩護(hù)胸式安全壓杠使乘客強(qiáng)制坐在座位上。壓肩護(hù)胸式安全壓杠一般是由鋼管制成的內(nèi)芯和橡膠或織物包在鋼管的外部組成，既保證了足夠的機(jī)械強(qiáng)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(dòng)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(huì)再增加另外1套緊鎖裝置，在壓杠前端加裝氣動(dòng)插銷緊鎖，防止安全壓杠裝置失效而導(dǎo)致壓杠自由打開。

圖3 過山車的安全壓杠

1.4 制動(dòng)裝置

過山車在即將運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，與軌道交通列車一樣需要制動(dòng)裝置，使其能夠準(zhǔn)確地停在運(yùn)行終點(diǎn)；或者在遇到突發(fā)危急情況時(shí)，可以讓過山車緊急制動(dòng)。制動(dòng)器是過山車的一個(gè)重要安全部件，它關(guān)系到過山車是否能安全運(yùn)行，過山車制動(dòng)器大部分是板式制動(dòng)器，在低速時(shí)也可采用輪胎制動(dòng)，這種制動(dòng)一般只是定位使用。板式制動(dòng)器分為氣缸或油缸驅(qū)動(dòng)式制動(dòng)器、氣囊式板式制動(dòng)器、永磁渦流制動(dòng)器。也有過山車的制動(dòng)裝置是磁力剎車制動(dòng)器，并輔以摩擦驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行制動(dòng)。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(yùn)行軌道上；

（2）將磁鐵裝在過山車車體的底部，金屬片裝在運(yùn)行軌道上。

圖4 過山車的制動(dòng)裝置簡圖

圖5 對過山車結(jié)構(gòu)層次劃分框圖

2 FMECA分析理論

根據(jù)對過山車各部分結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)狀態(tài)的分析，可以運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）方法對其故障模式、影響及危害度進(jìn)行分析。過山車某個(gè)故障模式的RPN的數(shù)值大小，由下列公式計(jì)算得出：

其中：OPR——故障模式發(fā)生概率等級

ESR——故障模式影響的嚴(yán)酷度等級

DDR——檢測難易程度等級

2.1 過山車故障模式發(fā)生概率等級的劃分

采用故障模式發(fā)生概率等級（OPR）對過山車的故障模式的實(shí)際發(fā)生可能性進(jìn)行評價(jià)。如表1所示，將OPR從發(fā)生可能性由低到高分為1～9個(gè)等級，根據(jù)故障模式發(fā)生的概率mP對應(yīng)表中發(fā)生概率范圍得出故障模式發(fā)生概率等級。

表1 故障模式發(fā)生概率等級（ORP）評定標(biāo)準(zhǔn)

2.2 過山車故障模式影響的嚴(yán)酷度評價(jià)

故障模式影響的嚴(yán)酷度評價(jià)（ESR）是評價(jià)過山車的故障模式發(fā)生后最終的影響程度，如表2所示，將ESR分為1～9個(gè)等級，分別對應(yīng)事故發(fā)生后的影響程度由輕微到嚴(yán)重。

表2 故障模式影響的嚴(yán)酷度等級（ESR）評定標(biāo)準(zhǔn)

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(gè)故障模式出現(xiàn)時(shí)，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(gè)等級。

表3 檢測難易程度等級（DDR）評定標(biāo)準(zhǔn)

2.4 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)

由表1、表2、表3分析出某個(gè)故障模式的ORP、ESR、DDR等級，進(jìn)而運(yùn)用公式（1）計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN），對照表4得出風(fēng)險(xiǎn)等級，并對風(fēng)險(xiǎn)等級較高的故障模式采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，使RPN的值降低到可以接受的范圍，提高過山車運(yùn)行的安全性。

表4 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）與風(fēng)險(xiǎn)等級

2.5 過山車風(fēng)險(xiǎn)評估

經(jīng)分析得出過山車故障出現(xiàn)的概率、故障發(fā)生造成的后果、故障檢測的難易程度以及風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，見表5。

表5 運(yùn)用FMECA得出過山車的風(fēng)險(xiǎn)評估統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表5的風(fēng)險(xiǎn)等級可知，過山車存在高風(fēng)險(xiǎn)3項(xiàng)，中風(fēng)險(xiǎn)2項(xiàng)，低風(fēng)險(xiǎn)6項(xiàng)。其中運(yùn)行過程中安全壓桿打開和軌枕與支撐管之間嚴(yán)重腐蝕并且斷裂的風(fēng)險(xiǎn)等級較高，造成的后果也十分嚴(yán)重，一旦發(fā)生會(huì)對游客的生命安全造成傷害，應(yīng)引起足夠重視。不僅應(yīng)當(dāng)做好平時(shí)的養(yǎng)護(hù)工作，盡早發(fā)現(xiàn)安全隱患，降低故障發(fā)生的概率，而且在設(shè)計(jì)過山車結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)針對這2項(xiàng)故障的安全防護(hù)措施，保障游客的生命安全。在啟動(dòng)過山車時(shí)，安全壓桿未安裝到位，引起的后果也十分嚴(yán)重，但只要游樂場的工作人員在過山車啟動(dòng)前，仔細(xì)檢查安全壓桿是否安裝到位，就能有效避免這種情況的發(fā)生。其他故障模式雖然并不會(huì)對游客的生命安全造成傷害，但也應(yīng)該高度重視，避免在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)事故，影響游客的體驗(yàn)感，引起恐慌，并在設(shè)計(jì)和維修保障方面考慮到可能發(fā)生的故障，提出相應(yīng)的解決方案。

3 結(jié)語

本文采用FMECA方法對過山車進(jìn)行故障模式分析和風(fēng)險(xiǎn)評估，分析故障模式發(fā)生的影響，總結(jié)給出需要重點(diǎn)關(guān)注的高風(fēng)險(xiǎn)故障模式，提出降低故障發(fā)生概率的建議，對提高過山車系統(tǒng)的可靠性和安全水平具有較好的參考意義。