大型游乐设施中过山车的FMECA分析

朱吴颖嘉，王凌，沈盈，金卫良，金英，李青

（1.中国计量大学机电工程学院，江苏 杭州 310018；2.浙江省特种设备科学研究院，江苏 杭州 310020）

近年来，全国各地建起了许多规模大小不一的游乐园或主题乐园。过山车作为游乐园中的一项明星项目，受到广大游客的广泛欢迎。在过山车的高速运行过程中，会产生离心力、加速度以及失重感，这是带给游客极限刺激感官体验的主要因素。同时高速的运行也对过山车的安全性和可靠性提出了极高的要求。过去的十几年间，过山车运行时发生的安全事故屡见不鲜，这些事故轻则使游客被困于过山车上，重则造成游客伤亡。例如，2007年12月31日，安徽芜湖方特欢乐世界的过山车由于风力过大，突然停止运行，导致16位乘客悬空半小时；2012年5月石家庄“好时光欢乐城”的过山车满载着乘客时车头和车身连接处断开，车上16名游客受到严重惊吓；2017年英国BBC统计六大死伤惨重的游乐场事故，结果显示其中过山车故障最多。因此，对于过山车的安全性分析就显得尤为重要。本文在分析过山车设备组成基础上，对过山车进行FMECA分析，找出过山车系统中存在的薄弱环节，提出与之相应的优化措施，有望帮助提高过山车的安全水平，并降低过山车游客的安全风险。

故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode，Effects，and Criticality Analysis,FMECA)是可靠性领域的热点应用理论。这项技术常被用于分析装备系统中的各种故障模式，可以提高装备的可靠性和延长使用寿命。在工程上，FMECA方法应用十分广泛。张燕超运用FMECA方法对桥式抓斗卸船机进行风险评估。范晋伟等运用FMECA与FTA方法对数控磨床冷却系统进行可靠性分析，并提出相应的解决方案来提高其系统的可靠性。目前，已经有许多学者分析城市轨道交通系统运用FMECA技术存在的风险与故障。张冬梅和刘伟对列车转向架主要故障模式进行了FMECA分析，得出了关键部件的危害度。王海瑞等运用FMECA方法对城市轨道列车的制动系统进行分析，有利于提高列车整个系统的可靠性。夏军等运用模糊FMECA方法，定量评价了车门系统故障率最高的三大组成部分，并将FMECA方法推广到整个列车系统。牟颖运用FMECA方法分析地铁列车车门存在的故障并提出补偿措施。邱星慧等对地铁车门系统运用FMECA的方法进行了可靠性分析，并提出了对系统薄弱环节相对应的优化措施。

过山车是一种在轨道上运行的大型游乐设施，设备部分具有与轨道交通相似的结构。本文针对大型游乐设施过山车系统，基于FMECA方法分析过山车系统可能存在的故障模式及其造成后果的影响程度，并提出相应的优化方案，这对于提高过山车的安全性和可靠性，保证游客的人身安全，具有一定的实际应用意义。

1 过山车的结构

过山车包括动力装置、轨道、车体安全装置、制动装置以及站台、立柱、基础、提升系统、车辆、控制系统等，部分子系统介绍如下。

1.1 动力装置

过山车的车体在整个运行过程当中，不需要始终依靠电机驱动来提供全程运行过程的动力。除了车体爬升到第一个坡顶时需要动力装置提供驱动外，爬升后的下滑运动过程的能量都是依靠重力势能和动能之间的相互转换。在目前的大多数过山车系统中，一般采用链式提升器来作为过山车提升到第一个坡顶的动力来源，并积蓄后续过山车运行所需的能量。

链式提升器主要是由电机、链条、链轮与减速器组成。链条安装在轨道的下方，沿第一个上坡向上延伸并形成一个环路，在这个环路的顶部和底部各装有1个电机作为动力装置。电机启动并带动减速器转动，降低转速、增大转矩，为过山车爬坡提供更大的动力。减速器输出轴连接链轮，链轮再驱动链条，将过山车提升到最高点。其中过山车车体与链条之间用车辆牵引钩挂接。当过山车进入坡底时，牵引钩就会挂接链条，使过山车车体与链条一同运动。然后，通过电机转动带动链条和过山车车体一同向上运动，从而使过山车运行到坡顶。

图1 过山车爬坡段

1.2 轨道

过山车的运行轨道（如图2）主要是由立柱、轨道以及龙骨3个部分组成。为了让车体能够紧贴轨道而避免脱轨事故，过山车的车体底部安装了3组方向不同的轮子，分别是行走轮、侧轮和底轮。行走轮是为了承受车身的重量；侧轮会将车体控制在轨道的正中央，不会使车体往两侧漂移；底轮则会在转弯时让车体紧扣在轨道上。

图2 过山车的轨道实物图

1.3 车体安全装置

在过山车运行时，为了防止乘客在过山车旋转、翻滚运动或受到冲击较大时脱离过山车的座位而受到意外伤害，一般过山车会采用压肩护胸式安全压杠使乘客强制坐在座位上。压肩护胸式安全压杠一般是由钢管制成的内芯和橡胶或织物包在钢管的外部组成，既保证了足够的机械强度，又不容易挫伤乘客，还可以把乘客限制在靠背和安全压杠间很小的活动范围，防止意外受伤。为了能够更加有效地保证乘客的安全，有些过山车会再增加另外1套紧锁装置，在压杠前端加装气动插销紧锁，防止安全压杠装置失效而导致压杠自由打开。

图3 过山车的安全压杠

1.4 制动装置

过山车在即将运行到终点时，与轨道交通列车一样需要制动装置，使其能够准确地停在运行终点；或者在遇到突发危急情况时，可以让过山车紧急制动。制动器是过山车的一个重要安全部件，它关系到过山车是否能安全运行，过山车制动器大部分是板式制动器，在低速时也可采用轮胎制动，这种制动一般只是定位使用。板式制动器分为气缸或油缸驱动式制动器、气囊式板式制动器、永磁涡流制动器。也有过山车的制动装置是磁力刹车制动器，并辅以摩擦驱动轮进行制动。其中磁力刹车装置的安装有下面2种形式：

（1）将金属片装在过山车车体的底部，磁铁装在运行轨道上；

（2）将磁铁装在过山车车体的底部，金属片装在运行轨道上。

图4 过山车的制动装置简图

图5 对过山车结构层次划分框图

2 FMECA分析理论

根据对过山车各部分结构的危险状态的分析，可以运用风险优先数（RPN）方法对其故障模式、影响及危害度进行分析。过山车某个故障模式的RPN的数值大小，由下列公式计算得出：

其中：OPR——故障模式发生概率等级

ESR——故障模式影响的严酷度等级

DDR——检测难易程度等级

2.1 过山车故障模式发生概率等级的划分

采用故障模式发生概率等级（OPR）对过山车的故障模式的实际发生可能性进行评价。如表1所示，将OPR从发生可能性由低到高分为1～9个等级，根据故障模式发生的概率mP对应表中发生概率范围得出故障模式发生概率等级。

表1 故障模式发生概率等级（ORP）评定标准

2.2 过山车故障模式影响的严酷度评价

故障模式影响的严酷度评价（ESR）是评价过山车的故障模式发生后最终的影响程度，如表2所示，将ESR分为1～9个等级，分别对应事故发生后的影响程度由轻微到严重。

表2 故障模式影响的严酷度等级（ESR）评定标准

2.3 过山车检测故障模式难易程度的评定

检测难易程度等级（DDR）在过山车某个故障模式出现时，能够检测出故障模式的难易程度。如表3所示，将DDR由容易检测到不易检测分为1～9个等级。

表3 检测难易程度等级（DDR）评定标准

2.4 风险优先数

由表1、表2、表3分析出某个故障模式的ORP、ESR、DDR等级，进而运用公式（1）计算得出风险优先数（RPN），对照表4得出风险等级，并对风险等级较高的故障模式采取相应的应对措施，使RPN的值降低到可以接受的范围，提高过山车运行的安全性。

表4 风险优先数（RPN）与风险等级

2.5 过山车风险评估

经分析得出过山车故障出现的概率、故障发生造成的后果、故障检测的难易程度以及风险优先数，见表5。

表5 运用FMECA得出过山车的风险评估统计表

根据表5的风险等级可知，过山车存在高风险3项，中风险2项，低风险6项。其中运行过程中安全压杆打开和轨枕与支撑管之间严重腐蚀并且断裂的风险等级较高，造成的后果也十分严重，一旦发生会对游客的生命安全造成伤害，应引起足够重视。不仅应当做好平时的养护工作，尽早发现安全隐患，降低故障发生的概率，而且在设计过山车结构时，应加强针对这2项故障的安全防护措施，保障游客的生命安全。在启动过山车时，安全压杆未安装到位，引起的后果也十分严重，但只要游乐场的工作人员在过山车启动前，仔细检查安全压杆是否安装到位，就能有效避免这种情况的发生。其他故障模式虽然并不会对游客的生命安全造成伤害，但也应该高度重视，避免在运行时出现事故，影响游客的体验感，引起恐慌，并在设计和维修保障方面考虑到可能发生的故障，提出相应的解决方案。

3 结语

本文采用FMECA方法对过山车进行故障模式分析和风险评估，分析故障模式发生的影响，总结给出需要重点关注的高风险故障模式，提出降低故障发生概率的建议，对提高过山车系统的可靠性和安全水平具有较好的参考意义。