游乐设施摩天轮的FMECA 分析

沈 盈，王 凌，朱吴颖嘉，金卫良，李 青

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

0 引言

摩天轮作为一种高人气的大型游乐设施，是很多游乐场所的关键设备（图1）。作为大型转轮式机械设施，摩天轮的轮边缘按一定间距悬挂吊厢供游客乘坐，游客可以在吊厢缓缓上升的过程中俯瞰四周美景。近年来摩天轮游乐项目受到越来越多的欢迎，其安全问题也愈发受到重视。然而，因为摩天轮设备故障而导致的事故屡见不鲜。例如，2007 年韩国釜山市环球嘉年华摩天轮发生故障，摔死5 人；2013 年8 月，阿根廷圣达菲省罗萨里奥市一游乐场内的摩天轮坠落，导致2 人死亡；2019 年1 月，郑州人民公园游乐场摩天轮发生事故导致1 人丧生。因此，摩天轮的安全问题不容小觑。

图1 摩天轮全景

目前，在运动学建模和机械结构方面对摩天轮进行安全分析的研究成果有较多报道，张琦[1]对摩天轮预紧力的确定和荷载工况及模态进行了详细分析，丁洁民等[2]给出了巨型柔性摩天轮的结构体系分析。FMECA（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，故障模式、影响及危害性分析）是设备可靠性的基础分析理论之一，着重于针对各类设备所有可能的故障，对各部件或子系统、模块等进行故障模式分析，然后确定各故障模式对系统工作的影响，最后按故障模式的严重度及其发生概率分析确定其危害性。目前，FMECA 理论已经在很多领域广泛应用。王海瑞等[3]以及袁帅[4]通过该方法，分别对城市轨道列车制动系统和机械密封系统进行故障分析。不过目前国内针对游乐设施摩天轮的FMECA 研究成果尚未发现报道。本文基于FMECA 理论，对摩天轮的系统划分及其一系列潜在危害进行定性与定量分析，并提出相应的改进措施。

1 摩天轮的结构

摩天轮的工作原理主要是采用电机驱动并依靠减速机减速，把机械动力从高转速、低扭矩转为低转速、高扭矩，实现巨大轮式机构的旋转。摩天轮的结构一般由支撑结构、轮盘结构和驱动系统组成。其支撑结构主要是人字架，而轮盘结构包括中心主轴、轮缘和轮辐索等，而驱动系统主要是控制系统以及驱动装置。

1.1 支撑人字架

摩天轮的人字架起支撑作用，使摩天轮能够匀速稳定地旋转。人字架主体结构由数根双向倾斜的巨型圆管立柱构成，立柱圆管之间交错连接着圆管。摩天轮的人字架立柱底部与地基一般采用焊接连接或地脚螺栓连接，而其顶部与中心主轴轴承座的连接一般采用焊接[5]。

1.2 轮盘结构

轮盘结构的形式主要有刚性、柔性和刚柔相结合等形式，主要包括以下3 个部分。

（1）中心主轴。中心主轴是摩天轮的主要承重以及回转结构，主要由主轴、轴承和支承座3 部分组成（图2）。中心主轴轴承座与支撑结构上端相连。

图2 摩天轮的中心主轴与支承座

（2）轮缘。轮缘由外轮缘、内轮缘以及连接其内外轮缘的三角桁架组成（图3）：分为内外两部分巨型钢架，外轮缘由两根平行的巨型圆钢架组成，主要起到支撑摩天轮每一个舱位的作用；内轮缘由一根巨型圆钢架构成，主要用于连接轮缘及轮辐和轮辐索[1]。

图3 轮缘局部结构（观览车吊厢吊挂轴）

（3）轮辐索。轮辐主要是连接轮缘和中心主轴之间的一个钢管结构，给其施加预紧力，起到固定支撑的作用。

1.3 驱动系统

（1）控制系统。摩天轮一般通过操作柜控制设备的启动、运行和停止（图4）。

图4 摩天轮的外部操作柜

（2）驱动装置。驱动装置主要由液压马达、驱动轴和液压缸3 个部分组成（图5）。摩天轮中，采用联轴器将驱动轴与液压马达相连接，另一液压缸固定于油缸支架上，在该液压缸的推动下，先将橡胶轮胎与摩天轮的轮缘压紧，然后驱动液压马达通过联轴器连接橡胶轮胎，橡胶轮胎通过与轮缘之间的摩擦带动轮缘转动，从而实现摩天轮的转动[5]。

图5 摩天轮构成

2 摩天轮FMECA 故障模式分析

基于FMECA 理论可以针对摩天轮可能发生的各类故障模式及其影响进行分析，并对这些故障发生概率以及其影响严重程度进行定性定量评估，基本步骤说明如下[6]：

2.1 基本步骤

（1）准备设备资料，即收集相应设备及其故障的信息，给定本次FMECA 的总要求。

（2）定义系统（产品）及其功能，即对被分析对象进行功能分析、划分并绘制框图。

（3）基于故障判据、相似产品、试验和使用信息及工程经验等方面，确定设备所有可能发生的故障模式。

（4）根据设备的一系列相关情况确定每个故障模式可能发生的原因以及故障发生的概率等级。

（5）按照对自身、更高层次以及最终影响进行分析，确定各故障模式的严酷度等级。

（6）确定每一种可能的故障模式检查方法。

（7）针对每个故障模式对其制定改进方案和补偿措施。

（8）对每一个故障模式可能发生的概率等级与严酷度等级或危害度进行评价排序。

（9）根据排序识别该系统维修保障的薄弱环节和关键项目。

（10）判断是否需要进一步改进和重复上诉FMECA 步骤，最终提供FMECA 报告。

2.2 故障模式的危害性分析

本文对于各类故障模式的危害性分析采用风险优先数（Risk Priority Number，RPN）方法。该方法是按照产品每个故障模式风险优先数的值进行排序，并采取相应措施使其达到可接受的最低水平。产品的某个故障模式风险优先数等于该故障模式产生影响的严酷度等级（Effect Severity Ranking，ESR）和发生概率（Occurrence Probability Ranking，OPR）的乘积，即RPN=ESR×OPR，RPN 越高则其危害性越大。

严酷度等级是评定某个故障模式最终影响的程度，其评分准则见表1。

表1 严酷度评分等级表

故障模式发生概率（OPR）是评定某个故障模式实际发生的可能性，其评分准则见表2。

表2 故障模式发生概率评分等级表

根据RPN=ESR×OPR，可以计算出如下故障模式的RPN 值（表3）：由表3 可知，轮辐索的异常变形、在张力作用下断裂和轮缘磨损、疲劳断裂的RPN 值较高，在维护保养工作当中应重点检查和保养，并且适当减小检修间隔。三相异步交流电机故障和中心主轴润滑油不足的问题同样有较高风险，需要定期检查，及时维修。

表3 摩天轮的FMECA 分析计算结果

3 结论

摩天轮各部件有可能存在的故障模式会对摩天轮会产生不同程度的损害，同时也会对游客和社会产生不同程度的伤害或影响。FMECA 故障模式分析是基础的故障模式分析，通过对故障模式发生概率以及可能产生的影响的估算，可知风险优先数RPN 对于找出摩天轮系统潜在的薄弱环节有重大意义。RPN 的值越大，则潜在危害性越大，应该给予更多的关注。在对摩天轮的质量监测中，要着重检查更为薄弱的环节，要定期对基础项目进行必要的维护，以降低风险发生的概率，增加摩天轮系统的安全性。

资助项目：浙江省重点研发计划项目（2019C03114）。