基于FMEA 的游乐设施风险评价

高 岩

（辽宁省检验检测认证中心 辽宁省安全科学研究院电梯事业部， 辽宁 沈阳 110004）

0 引言

游乐设施是指在特定的区域内运行， 承载游客游乐的载体。 纳入我国安全监管范围、《特种设备安全监察条例》定义的大型游乐设施是指“用于经营目的，承载乘客游乐的设施，其范围规定为设计最大运行线速度大于或者等于2m/s，或者运行高度距地面高于或者等于2m 的载人大型游乐设施”。游乐设施在设计时厂家规定了其使用寿命，对于达到设计使用期限仍有改造、维修价值的设备，国家规定运营使用单位可委托设备原制造单位或具备相应制造许可资格的单位进行维修、重大维修或改造，确定继续使用期限和使用条件。 本文就是以使用寿命到期的大型游乐设施—“迪斯科转盘”为评价对象，应用FMEA 方法，获得各系统及零部件的失效分析表，给出维修的基本要求及延期使用的寿命， 这对于保障游乐设施的安全使用，提高游乐设施风险评价技术与质量具有重大意义。

1 大型游乐设施风险评价的意义

1.1 大型游乐设施的使用寿命

《游乐设施安全技术监察规程》规定：“设计单位应在设计文件明确主要受力部件， 并规定整机及关键零部件设计使用寿命”。国家质检总局质检特函2011〔53〕号文规定：“达到设计使用期限且无改造、维修价值的设备，运营使用单位应按《特种设备安全监察条例》规定及时予以报废并办理注销手续。 达到设计使用期限仍有改造、维修价值的设备， 运营使用单位可委托设备原制造单位或具备相应制造许可资格的单位进行维修、重大维修或改造，确定继续使用期限和使用条件。 ”

1.2 使用寿命影响因素

（1）在使用过程中，游乐设施受应力、应变影响，几乎所有的零部件的形状和尺寸都在相对改变并承受一定的疲劳载荷，它们的主要失效形式是疲劳破坏。

（2）另一种影响使用寿命的因素是磨损。 游乐设施各部件在做相对运动时，在摩擦的作用下，摩擦面上的物质不断耗损，如轴和轴承、齿轮牙齿之间的磨损，导轮与导轨之间的耗损，它们破坏了零部件配合尺寸和强度，当磨损量超过极限允许值时，就会导致它们的失效。

1.3 延期使用的建议

当游乐设施使用寿命到期时， 为保障其能够继续地安全使用，应制定统一的风险评价方法，明确游乐设施需评估的重要零部件及评估检测内容， 确定继续使用的有效期限和检验频次，达到安全运营的目的。

2 大型游乐设施风险评价方法

2.1 风险评价理念和程序

风险评价是以系统方法对与设备有关的风险进行分析和评定的一系列逻辑步骤，必要时，评价之后应采取方法减少风险并重复该过程。 游乐设施风险评价的根本理念是以系统理论为指导，以人为本为原则进行危险识别、风险评价和控制。风险评价都是围绕乘客的安全展开，避免其他因素干扰，体现“人员重于设备”。评价程序见图1。

图1 风险评价和降低风险的循环过程

2.2 评价方法的选择

游乐设施是一种机械、电气、控制、液压、气动等多种技术集成的复杂机电一体化系统，各个部件和各个子系统之间的关系也很复杂。如用失效树分析（FTA） 或事件树分析（ETA），其故障树的建造和计算过程极为复杂， 最终的分支树会呈指数增长，产生大量的冗余分支。而且游乐设施都是单件、小批量生产，其设计大多是一种创新性设计和个性化设计，缺乏成熟产品参考和定量数据的支持。 而采用基于零部件的FMEA 评价方法实施起来简单易懂。

FMEA 即“失效模式与影响分析”或“潜在失效模式及后果分析”。我们可以通过该方法分析游乐设施在继续使用之前系统中每个零部件所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响， 并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类、归纳、分析，并解决以下问题：

（1）科学区分安全关键零部件。

（2）合理定义各个零部件的检查和更换周期。

（3）对可能发生的故障、事故状态有清晰的了解并制定针对性应急预案。

3 “迪斯科转盘”风险评价举例

3.1 设备基本情况

“迪斯科转盘”游艺机为陀螺类大型游乐设施，见图2，乘人座椅分布在转盘內圆周围， 游客也可站立在转盘中央，转盘边升降边绕垂直轴回转，也可通过气动的方式控制转盘的倾斜。

本文举例产品整机设计使用寿命18400h （或8 年）；涉及乘客安全主要零部件（除座椅外）设计使用寿命为无限使用寿命；座椅设计使用寿命18400h（或8 年）；回转支承、底座等设计使用寿命为无限使用寿命（无限使用寿命条件为：检查、维护维修、涂漆保养、没有人为破坏、无天灾、海啸、地震等不可预知的因素）。 其运行条件为：

（1）电源：TN-S 或TN-C-S、380V、50Hz，功率容量不小于25kW，电压波动范围为±10%；

（2）使用环境温度为-5℃～40℃，相对湿度≤85%RH（无结霜），风速≤8m/s，雨雪天气或遇有不可预测的事件禁止使用。

3.2 关键零部件的确认

失效能引起乘客身体伤害的零部件为关键件， 其余为非关键件。下述为各系统零部件简要介绍，关键/非关键零部件的确认将在后面各系统失效分析表中具体体现。

（1）气动系统：采用气压传递动力控制转盘的倾斜。包括第一路气泵主回路；第二路旋转主回路；第三路控制回路。

（2）传动机构：主要有箱形轴装置、导向装置和大臂装置、旋转体下座、旋转体、转盘。

（3）支撑结构：支座、大臂、大臂轴、耳梁、旋转体等。支撑结构件要求强度高，有很大的安全冗余，即使在偏载等恶劣工况下也不会造成乘客身体与精神伤害。

（4）电气系统：多数电气元件损坏不会造成乘客的身体伤害，主要需要注意的是触电危险。

3.3 失效分析的数字定义

（1）失效发生的可能性。1：不会失效；2：15 年；3：8年；4：1 年；5：1 个月；6：1 周。

（2）失效的严重性。 1：不值得关注；2：噪音，表面问题，不能体验设备的功能乐趣；3：单人的中度紧张状况；4：多人的中度紧张状况；5：单人的高度紧张状况；6：多人的高度紧张状况；7：单人的轻微伤害；8：多人的轻微伤害；9：单人的严重伤害；10：多人的严重伤害。

（3）检测等级。 1：可立即检测；2：可一个工作循环后检测；3：可多个工作循环后检测；4：可日检期间内检测；5：可基于周检的常规检测；6：可基于月检的常规检测；7：可基于年检的常规检测；8：可拆卸或大修期间检测；9：可冒险检测；10：不可检测。

3.4 各系统失效分析表举例

综上，我们对各系统零部件信息进行分类、归纳、分析，得到失效分析表，见表1 和表2。

表1 传动机构失效分析表

表2 支撑结构失效分析表

3.5 延期使用结论

按照失效分析表确定各关键零部件并有针对性地进行全面检测和维修后，得出如下结论：

按使用说明书的相关要求合理使用、正常保养且没有出现过更换主要部件的情况下，可适当的延期使用，但不得超过四年（原设计寿命的一半），并应满足以下基本要求：

（1）对转盘架、耳梁、大臂、转体、旋转体下座、支座、十字接头焊缝进行全面探伤检测， 探伤方法和质量评定等级应符合游乐设施相关标准要求。

（2）气缸上下销轴、十字接头销轴进行更换新件。

（3）润滑处依次注入油脂。

（4）供气源装置全面保养，达到设计指标要求。

（5）重新安装后进行全面检验合格。

4 结论

本文以使用寿命到期的大型游乐设施—“迪斯科转盘”为评价对象，应用FMEA，对各系统及零部件进行失效分析， 获得失效分析表并给出延期使用的寿命和维修的基本要求，得出如下结论：

（1）应用FMEA 尤为有效，对各种危险源的失效可能性、失效后果严重性、使用中能否便于检查进行分析，判断其风险级别；

（2）危险识别注重将其分解为零部件层次和系统层次的危险源， 既要针对设备中的具体零部件进行梳理、辨识，还要考虑各子系统之间、设备与环境、设备与游客、操作人员等之间出现的危险状况；

（3）最终效果在于对危险源加强日常维护和保养，有针对性地采取各种安全保护或防护措施；

（4）仍存在不可消除的意外（如断电、人员误操作等），必须制定针对性的救援预案并有效传递给使用单位。

此外，在设计上保证游乐设施的本质安全更为重要，FMEA 作为前期分析的有效工具对游乐设施新产品的开发、分析、研制也有着积极的意义。