基于FMEA 的游樂設(shè)施風(fēng)險評價

高 巖

（遼寧省檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心 遼寧省安全科學(xué)研究院電梯事業(yè)部， 遼寧 沈陽 110004）

0 引言

游樂設(shè)施是指在特定的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行， 承載游客游樂的載體。 納入我國安全監(jiān)管范圍、《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》定義的大型游樂設(shè)施是指“用于經(jīng)營目的，承載乘客游樂的設(shè)施，其范圍規(guī)定為設(shè)計最大運(yùn)行線速度大于或者等于2m/s，或者運(yùn)行高度距地面高于或者等于2m 的載人大型游樂設(shè)施”。游樂設(shè)施在設(shè)計時廠家規(guī)定了其使用壽命，對于達(dá)到設(shè)計使用期限仍有改造、維修價值的設(shè)備，國家規(guī)定運(yùn)營使用單位可委托設(shè)備原制造單位或具備相應(yīng)制造許可資格的單位進(jìn)行維修、重大維修或改造，確定繼續(xù)使用期限和使用條件。 本文就是以使用壽命到期的大型游樂設(shè)施—“迪斯科轉(zhuǎn)盤”為評價對象，應(yīng)用FMEA 方法，獲得各系統(tǒng)及零部件的失效分析表，給出維修的基本要求及延期使用的壽命， 這對于保障游樂設(shè)施的安全使用，提高游樂設(shè)施風(fēng)險評價技術(shù)與質(zhì)量具有重大意義。

1 大型游樂設(shè)施風(fēng)險評價的意義

1.1 大型游樂設(shè)施的使用壽命

《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：“設(shè)計單位應(yīng)在設(shè)計文件明確主要受力部件， 并規(guī)定整機(jī)及關(guān)鍵零部件設(shè)計使用壽命”。國家質(zhì)檢總局質(zhì)檢特函2011〔53〕號文規(guī)定：“達(dá)到設(shè)計使用期限且無改造、維修價值的設(shè)備，運(yùn)營使用單位應(yīng)按《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》規(guī)定及時予以報廢并辦理注銷手續(xù)。 達(dá)到設(shè)計使用期限仍有改造、維修價值的設(shè)備， 運(yùn)營使用單位可委托設(shè)備原制造單位或具備相應(yīng)制造許可資格的單位進(jìn)行維修、重大維修或改造，確定繼續(xù)使用期限和使用條件。 ”

1.2 使用壽命影響因素

（1）在使用過程中，游樂設(shè)施受應(yīng)力、應(yīng)變影響，幾乎所有的零部件的形狀和尺寸都在相對改變并承受一定的疲勞載荷，它們的主要失效形式是疲勞破壞。

（2）另一種影響使用壽命的因素是磨損。 游樂設(shè)施各部件在做相對運(yùn)動時，在摩擦的作用下，摩擦面上的物質(zhì)不斷耗損，如軸和軸承、齒輪牙齒之間的磨損，導(dǎo)輪與導(dǎo)軌之間的耗損，它們破壞了零部件配合尺寸和強(qiáng)度，當(dāng)磨損量超過極限允許值時，就會導(dǎo)致它們的失效。

1.3 延期使用的建議

當(dāng)游樂設(shè)施使用壽命到期時， 為保障其能夠繼續(xù)地安全使用，應(yīng)制定統(tǒng)一的風(fēng)險評價方法，明確游樂設(shè)施需評估的重要零部件及評估檢測內(nèi)容， 確定繼續(xù)使用的有效期限和檢驗(yàn)頻次，達(dá)到安全運(yùn)營的目的。

2 大型游樂設(shè)施風(fēng)險評價方法

2.1 風(fēng)險評價理念和程序

風(fēng)險評價是以系統(tǒng)方法對與設(shè)備有關(guān)的風(fēng)險進(jìn)行分析和評定的一系列邏輯步驟，必要時，評價之后應(yīng)采取方法減少風(fēng)險并重復(fù)該過程。 游樂設(shè)施風(fēng)險評價的根本理念是以系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，以人為本為原則進(jìn)行危險識別、風(fēng)險評價和控制。風(fēng)險評價都是圍繞乘客的安全展開，避免其他因素干擾，體現(xiàn)“人員重于設(shè)備”。評價程序見圖1。

圖1 風(fēng)險評價和降低風(fēng)險的循環(huán)過程

2.2 評價方法的選擇

游樂設(shè)施是一種機(jī)械、電氣、控制、液壓、氣動等多種技術(shù)集成的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，各個部件和各個子系統(tǒng)之間的關(guān)系也很復(fù)雜。如用失效樹分析（FTA） 或事件樹分析（ETA），其故障樹的建造和計算過程極為復(fù)雜， 最終的分支樹會呈指數(shù)增長，產(chǎn)生大量的冗余分支。而且游樂設(shè)施都是單件、小批量生產(chǎn)，其設(shè)計大多是一種創(chuàng)新性設(shè)計和個性化設(shè)計，缺乏成熟產(chǎn)品參考和定量數(shù)據(jù)的支持。 而采用基于零部件的FMEA 評價方法實(shí)施起來簡單易懂。

FMEA 即“失效模式與影響分析”或“潛在失效模式及后果分析”。我們可以通過該方法分析游樂設(shè)施在繼續(xù)使用之前系統(tǒng)中每個零部件所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響， 并按每一個故障模式的嚴(yán)重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類、歸納、分析，并解決以下問題：

（1）科學(xué)區(qū)分安全關(guān)鍵零部件。

（2）合理定義各個零部件的檢查和更換周期。

（3）對可能發(fā)生的故障、事故狀態(tài)有清晰的了解并制定針對性應(yīng)急預(yù)案。

3 “迪斯科轉(zhuǎn)盤”風(fēng)險評價舉例

3.1 設(shè)備基本情況

“迪斯科轉(zhuǎn)盤”游藝機(jī)為陀螺類大型游樂設(shè)施，見圖2，乘人座椅分布在轉(zhuǎn)盤內(nèi)圓周圍， 游客也可站立在轉(zhuǎn)盤中央，轉(zhuǎn)盤邊升降邊繞垂直軸回轉(zhuǎn)，也可通過氣動的方式控制轉(zhuǎn)盤的傾斜。

本文舉例產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計使用壽命18400h （或8 年）；涉及乘客安全主要零部件（除座椅外）設(shè)計使用壽命為無限使用壽命；座椅設(shè)計使用壽命18400h（或8 年）；回轉(zhuǎn)支承、底座等設(shè)計使用壽命為無限使用壽命（無限使用壽命條件為：檢查、維護(hù)維修、涂漆保養(yǎng)、沒有人為破壞、無天災(zāi)、海嘯、地震等不可預(yù)知的因素）。 其運(yùn)行條件為：

（1）電源：TN-S 或TN-C-S、380V、50Hz，功率容量不小于25kW，電壓波動范圍為±10%；

（2）使用環(huán)境溫度為-5℃～40℃，相對濕度≤85%RH（無結(jié)霜），風(fēng)速≤8m/s，雨雪天氣或遇有不可預(yù)測的事件禁止使用。

3.2 關(guān)鍵零部件的確認(rèn)

失效能引起乘客身體傷害的零部件為關(guān)鍵件， 其余為非關(guān)鍵件。下述為各系統(tǒng)零部件簡要介紹，關(guān)鍵/非關(guān)鍵零部件的確認(rèn)將在后面各系統(tǒng)失效分析表中具體體現(xiàn)。

（1）氣動系統(tǒng)：采用氣壓傳遞動力控制轉(zhuǎn)盤的傾斜。包括第一路氣泵主回路；第二路旋轉(zhuǎn)主回路；第三路控制回路。

（2）傳動機(jī)構(gòu)：主要有箱形軸裝置、導(dǎo)向裝置和大臂裝置、旋轉(zhuǎn)體下座、旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)盤。

（3）支撐結(jié)構(gòu)：支座、大臂、大臂軸、耳梁、旋轉(zhuǎn)體等。支撐結(jié)構(gòu)件要求強(qiáng)度高，有很大的安全冗余，即使在偏載等惡劣工況下也不會造成乘客身體與精神傷害。

（4）電氣系統(tǒng)：多數(shù)電氣元件損壞不會造成乘客的身體傷害，主要需要注意的是觸電危險。

3.3 失效分析的數(shù)字定義

（1）失效發(fā)生的可能性。1：不會失效；2：15 年；3：8年；4：1 年；5：1 個月；6：1 周。

（2）失效的嚴(yán)重性。 1：不值得關(guān)注；2：噪音，表面問題，不能體驗(yàn)設(shè)備的功能樂趣；3：單人的中度緊張狀況；4：多人的中度緊張狀況；5：單人的高度緊張狀況；6：多人的高度緊張狀況；7：單人的輕微傷害；8：多人的輕微傷害；9：單人的嚴(yán)重傷害；10：多人的嚴(yán)重傷害。

（3）檢測等級。 1：可立即檢測；2：可一個工作循環(huán)后檢測；3：可多個工作循環(huán)后檢測；4：可日檢期間內(nèi)檢測；5：可基于周檢的常規(guī)檢測；6：可基于月檢的常規(guī)檢測；7：可基于年檢的常規(guī)檢測；8：可拆卸或大修期間檢測；9：可冒險檢測；10：不可檢測。

3.4 各系統(tǒng)失效分析表舉例

綜上，我們對各系統(tǒng)零部件信息進(jìn)行分類、歸納、分析，得到失效分析表，見表1 和表2。

表1 傳動機(jī)構(gòu)失效分析表

表2 支撐結(jié)構(gòu)失效分析表

3.5 延期使用結(jié)論

按照失效分析表確定各關(guān)鍵零部件并有針對性地進(jìn)行全面檢測和維修后，得出如下結(jié)論：

按使用說明書的相關(guān)要求合理使用、正常保養(yǎng)且沒有出現(xiàn)過更換主要部件的情況下，可適當(dāng)?shù)难悠谑褂茫坏贸^四年（原設(shè)計壽命的一半），并應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）對轉(zhuǎn)盤架、耳梁、大臂、轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)體下座、支座、十字接頭焊縫進(jìn)行全面探傷檢測， 探傷方法和質(zhì)量評定等級應(yīng)符合游樂設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）氣缸上下銷軸、十字接頭銷軸進(jìn)行更換新件。

（3）潤滑處依次注入油脂。

（4）供氣源裝置全面保養(yǎng)，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

（5）重新安裝后進(jìn)行全面檢驗(yàn)合格。

4 結(jié)論

本文以使用壽命到期的大型游樂設(shè)施—“迪斯科轉(zhuǎn)盤”為評價對象，應(yīng)用FMEA，對各系統(tǒng)及零部件進(jìn)行失效分析， 獲得失效分析表并給出延期使用的壽命和維修的基本要求，得出如下結(jié)論：

（1）應(yīng)用FMEA 尤為有效，對各種危險源的失效可能性、失效后果嚴(yán)重性、使用中能否便于檢查進(jìn)行分析，判斷其風(fēng)險級別；

（2）危險識別注重將其分解為零部件層次和系統(tǒng)層次的危險源， 既要針對設(shè)備中的具體零部件進(jìn)行梳理、辨識，還要考慮各子系統(tǒng)之間、設(shè)備與環(huán)境、設(shè)備與游客、操作人員等之間出現(xiàn)的危險狀況；

（3）最終效果在于對危險源加強(qiáng)日常維護(hù)和保養(yǎng)，有針對性地采取各種安全保護(hù)或防護(hù)措施；

（4）仍存在不可消除的意外（如斷電、人員誤操作等），必須制定針對性的救援預(yù)案并有效傳遞給使用單位。

此外，在設(shè)計上保證游樂設(shè)施的本質(zhì)安全更為重要，F(xiàn)MEA 作為前期分析的有效工具對游樂設(shè)施新產(chǎn)品的開發(fā)、分析、研制也有著積極的意義。