基于模糊層次分析的大型游樂(lè)設(shè)施關(guān)鍵部件安全性研究

陳遠(yuǎn)玲，金亞光，侯怡，張澤, 任樂(lè)野，劉淵

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

大型游樂(lè)設(shè)施作為一種釋放壓力和增加勇氣的新方式，受到了廣泛關(guān)注，特別是過(guò)山車(chē)、大擺錘、摩天輪等大型、高速、高空游樂(lè)設(shè)施深受年輕人喜愛(ài)。大型游樂(lè)設(shè)施具有特殊性和復(fù)雜性，乘客和工作人員安全意識(shí)不足等原因?qū)е碌挠螛?lè)設(shè)施安全事故時(shí)有發(fā)生[1-3]。如何結(jié)合大型游樂(lè)設(shè)施的特點(diǎn)建立有效的評(píng)價(jià)理論和方法用于大型游樂(lè)設(shè)施安全評(píng)估，是目前亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，在國(guó)家的大力資助和眾多科研技術(shù)工作者的辛勤努力下，我國(guó)在大型游樂(lè)設(shè)施安全評(píng)估方面取得了一定的成就[4]。王雪穎等[5]率先采用專(zhuān)家判斷法和安全檢查表法，在大型游樂(lè)設(shè)施安全分析時(shí)分別引入了定性和定量的分析思想進(jìn)行分析。林偉明[6]從多角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)了一套面向大擺錘的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為類(lèi)似大型游樂(lè)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。莊春吉等[7]從人、機(jī)、環(huán)、管4個(gè)指標(biāo)出發(fā), 開(kāi)發(fā)了一套應(yīng)用于大型游樂(lè)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)軟件。楊臣劍等[8]引入模糊事故樹(shù)理念，對(duì)過(guò)山車(chē)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)做出了評(píng)判。張德兵等[9]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，建立了過(guò)山車(chē)模型，通過(guò)MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)山車(chē)軌道針對(duì)性的調(diào)整。楊振宏等[10]以過(guò)山車(chē)為例建立熵權(quán)物元可拓模型，提出了一種確定過(guò)山車(chē)整體安全等級(jí)的新思路。沈功田等[11]首次從健康狀態(tài)本質(zhì)出發(fā)提出了一種定量健康評(píng)價(jià)的新理論，并以彈射式過(guò)山車(chē)為例對(duì)該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。Liu等[12]提出了一種基于最大偏差模型和猶豫模糊TOPSIS的FMEA分析方法，可以有效用于對(duì)失效模式按風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。相對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，國(guó)外對(duì)游樂(lè)設(shè)施的安全評(píng)估主要集中在風(fēng)險(xiǎn)因素分析方面。Woodcock等[13-14]考慮到人和物因素對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施安全評(píng)價(jià)具有重要影響，并采用哈頓矩陣對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施進(jìn)行了安全性研究。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施關(guān)鍵部件安全評(píng)價(jià)問(wèn)題，基于模糊層次分析法，從危險(xiǎn)源的辨識(shí)和分析出發(fā)，將定性和定量分析相結(jié)合，構(gòu)建了大型游樂(lè)設(shè)施關(guān)鍵部件的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析。

1 模糊層次分析

模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process, FAHP)是一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，對(duì)多因素復(fù)雜問(wèn)題中各要素權(quán)重的確定具有很強(qiáng)的實(shí)用性。其中層次分析法可以把復(fù)雜問(wèn)題看作一個(gè)存在隸屬關(guān)系的系統(tǒng)，將各影響因素自上而下按層次分解，從而建立系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，可以將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。采用模糊層次分析法進(jìn)行分析，可以使分析結(jié)果更加科學(xué)、合理[15-16]。

1.1 失效模式分析

通過(guò)查閱資料、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研以及對(duì)游樂(lè)設(shè)施各關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠性分析，辨別出系統(tǒng)的主要失效模式并對(duì)其危害程度進(jìn)行分析，其目的是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)中產(chǎn)生故障的原因以及需要進(jìn)行安全評(píng)估的對(duì)象，以便確定層次分析法中準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中的元素。其故障分析流程見(jiàn)圖1。

圖1 故障分析流程

1.2 構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)

在分析出準(zhǔn)則層和指標(biāo)層元素的基礎(chǔ)上，根據(jù)各元素的隸屬關(guān)系建立層次結(jié)構(gòu)模型，采用重要性標(biāo)度得到各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性程度，構(gòu)建各層次判斷矩陣A，判斷矩陣標(biāo)度含義見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度含義

對(duì)矩陣A的行向量進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)步驟如下。

① 一致性指標(biāo)(C.I.)的計(jì)算：

(1)

式中λmax為判斷矩陣最大特征值。

② 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR的確定。

表2為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR，可以根據(jù)矩陣階數(shù)選擇相應(yīng)的IR值。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR

③ 計(jì)算一致性比例RC：

(2)

當(dāng)RC<0.1時(shí)，認(rèn)為滿(mǎn)足一致性要求；否則，重新構(gòu)造判斷矩陣。直至最終構(gòu)造一個(gè)準(zhǔn)確可信的綜合判斷矩陣。

1.3 模糊綜合評(píng)判

得到各元素權(quán)重后，采用專(zhuān)家評(píng)價(jià)法，對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，最后對(duì)專(zhuān)家評(píng)分結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，并對(duì)專(zhuān)家意見(jiàn)重要度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行歸一化處理，得到隸屬度r和評(píng)價(jià)矩陣R，之后對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P(綜合評(píng)價(jià)結(jié)果)，即P=W·RT。

1.4 系統(tǒng)SIL劃分

通過(guò)上述方法得到游樂(lè)設(shè)施系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果之后，為了對(duì)其安全性進(jìn)行分級(jí)，可以根據(jù)游樂(lè)設(shè)施綜合評(píng)價(jià)結(jié)果得到對(duì)應(yīng)的安全完整性等級(jí)，確定游樂(lè)設(shè)施的SIL等級(jí)，SIL劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 SIL劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 案例分析

2.1 過(guò)山車(chē)安全壓杠部件分析

以某在役過(guò)山車(chē)的安全壓杠為研究對(duì)象，該過(guò)山車(chē)采用鏈傳動(dòng)將車(chē)廂提升至最高點(diǎn)，隨后使其自由下落，其軌道最高可達(dá)18 m，全長(zhǎng)約為630 m，單次運(yùn)行時(shí)間為80 s，最高時(shí)速可達(dá)80 km/h，可承載24人，采用壓肩式安全壓杠，主要由磁式接觸開(kāi)關(guān)、機(jī)械式鎖緊裝置以及液壓自動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等組成，安全壓杠內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1—磁式接觸開(kāi)關(guān)；2—機(jī)械式鎖緊裝置；3—液壓自動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。

為了更加準(zhǔn)確地對(duì)安全壓杠各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立安全壓杠的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型，并且提高專(zhuān)家評(píng)分的可靠度，首先對(duì)安全壓杠關(guān)鍵部件進(jìn)行如下分析。

2.1.1 材料的性能

由于壓杠直接對(duì)游客起保護(hù)作用，在安全防護(hù)方面起到重要的影響作用，因此壓杠主部分采用高強(qiáng)度鋼Q420，常溫條件下具備有很好的沖擊韌性。其他非主要部分的材料采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，同時(shí)齒條、棘爪進(jìn)行了熱處理。材料性能較好，失效概率較小。

2.1.2 液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括液壓缸、調(diào)速閥、三位四通換向閥、平衡閥、單向閥等，在系統(tǒng)中處于串聯(lián)方式。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[17]，液壓原件失效概率分布服從指數(shù)分布，其可靠度的數(shù)學(xué)模型為

(3)

式中：R(t)為液壓系統(tǒng)的可靠度；Ri(t)為第i個(gè)液壓原件的可靠度；t為時(shí)間。

故指數(shù)分布的可靠度為可改寫(xiě)為

(4)

式中λi為第i個(gè)元件的失效率。

λi=Kfλ0,

(5)

式中:Kf為失效率修正系數(shù)(取Kf=10)；λ0為基本失效率。

液壓元件基本失效率和500 h可靠度見(jiàn)表4，其中基本失效率由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)及安全座椅日常維修記錄綜合考慮所得。

表4 液壓元件基本失效率

可知安全壓杠液壓系統(tǒng)可靠度良好。

2.1.3 鎖緊機(jī)構(gòu)

安全壓杠采用齒條與棘爪的機(jī)械式鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)械式機(jī)構(gòu)可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所占用空間較少。廣范應(yīng)用于各種鎖緊裝置中，失效率相對(duì)比較低。

2.1.4 互鎖冗余機(jī)構(gòu)

在機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)中采用了雙棘爪的設(shè)計(jì)和液壓缸的力輔助支撐等冗余設(shè)計(jì)，提高了鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性。

2.1.5 壓杠主部分靜力學(xué)分析

通過(guò)ANSYS workbench構(gòu)建了安全壓杠主部分的實(shí)體模型，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，正常工況應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖3，可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力處發(fā)生在連桿的銷(xiāo)軸孔內(nèi)，最大應(yīng)力值為138 MPa，已知壓杠柱部分材料的屈服強(qiáng)度為420 MPa，依據(jù)Miner理論，雖然該安全壓杠處于交變循環(huán)載荷的工況，但在循環(huán)載荷中最大的載荷都低于其材料的屈服強(qiáng)度，在理論上可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)使用壽命是無(wú)限的。

圖 3 正常工況應(yīng)力分析結(jié)果

2.1.6 安全壓杠主部分的沖擊分析

考慮到過(guò)山車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中因事故或者車(chē)輪卡頓會(huì)造成很強(qiáng)的沖擊載荷，并依據(jù)動(dòng)量定理公式

Ft=mΔv,

(6)

式中運(yùn)行最大線(xiàn)速度v=22.2 m/s，取m=75 kg，減速時(shí)間為0.1 s，計(jì)算出最大沖擊載荷約F=160 00 N。在ANSYS workbench中對(duì)最大沖擊力進(jìn)行了強(qiáng)度分析，最大沖擊載荷應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4，可以發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為386 MPa，未超過(guò)材料的屈服極限，可認(rèn)為壓杠在最大沖擊載荷作用下可以保障乘客安全。

圖4 最大沖擊載荷應(yīng)力分析結(jié)果

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

通過(guò)上述對(duì)過(guò)山車(chē)安全壓杠關(guān)鍵部件的分析以及查閱相關(guān)資料[18-19]，發(fā)現(xiàn)安全壓杠的失效因素主要有人員操作失誤、設(shè)施設(shè)備失效、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩芾?、不健康的使用環(huán)境。再對(duì)各部分的組成進(jìn)行細(xì)化分層得到如圖5所示的安全壓杠層次結(jié)構(gòu)圖。

圖5 安全壓杠層次結(jié)構(gòu)圖

2.3 各因素權(quán)重的計(jì)算

為得到指標(biāo)層各因素的相對(duì)重要性程度，需要進(jìn)行如下計(jì)算。

(1)計(jì)算準(zhǔn)則層對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)重要程度，首先需要采用兩兩比較法建立第一層T-C判斷矩陣見(jiàn)表5。

表5 T-C判斷矩陣

(2)采用方根法求解評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量ui′。

(7)

(3)求解評(píng)價(jià)因素權(quán)重ui。

(8)

u1=0.250 0，u2=0.500 0，u3=0.166 7，u4=0.083 3。

即權(quán)重向量為u=(0.250 0,0.500 0,0.166 7,000 0.083 3)。

(4)計(jì)算判斷矩陣最大特征值λmax。

λmax=4

一致性指標(biāo)為：

通過(guò)表2查得IR=0.89,則一致性比率為：

滿(mǎn)足一致性要求，無(wú)需對(duì)矩陣進(jìn)行修正。

(5)指標(biāo)層各因素對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重向量計(jì)算。

同理，可得各準(zhǔn)則層的權(quán)重向量u1、u2、u3、u4。

①λ1max=2，u1=(0.25,0.75)，RC=0<0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

②λ2max=7.210 9，u2=(0.081 9,0.176 5,0.166 7,0.142 4,0.116 8,0.268 5,0.047 5)，RC=0.035 2<0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

③λ3max=3.018 3，u3=(0.187 3,0.321 7,0.491)，RC=0.009 2<0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

④λ4max=4.016 4，u4=(0.468 7,0.278 7,0.149 8,0.102 8)，RC=0.005 5<0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

(6)指標(biāo)層綜合權(quán)重計(jì)算。

各準(zhǔn)則層權(quán)重向量經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)后，對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)層進(jìn)行綜合權(quán)重計(jì)算，得到安全壓杠綜合權(quán)重見(jiàn)表6。

表6 安全壓杠綜合權(quán)重

2.4 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

通過(guò)上述對(duì)安全壓杠可靠性的分析和參考相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于人員、安全管理、環(huán)境衛(wèi)生的評(píng)分意見(jiàn)，采用專(zhuān)家評(píng)價(jià)法得出的專(zhuān)家評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表7。評(píng)分采用百分制，分?jǐn)?shù)越高表示安全性越好。

表7 專(zhuān)家評(píng)分結(jié)果

結(jié)合表6和表7中的數(shù)據(jù)，可以得到安全壓杠各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重矩陣W以及綜合專(zhuān)家評(píng)分的平均值矩陣R，從而得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果P，

P=WRT=83.460 5。

以百分制來(lái)衡量系統(tǒng)安全性，該過(guò)山車(chē)安全壓杠的安全性得分為83.460 5分。根據(jù)表3安全完整性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，可知安全壓杠對(duì)應(yīng)的安全完整性等級(jí)為SIL3，可以看出該過(guò)山車(chē)安全壓杠的安全性能良好，允許繼續(xù)使用。

3 結(jié)語(yǔ)

① 針對(duì)過(guò)山車(chē)安全座椅關(guān)鍵部件的特性，從人員操作、設(shè)施失效、安全管理、使用環(huán)境4個(gè)方面選取了16個(gè)指標(biāo)建立了一套多因素指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，將復(fù)雜問(wèn)題運(yùn)用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。

② 過(guò)山車(chē)安全壓杠安全性主要影響因素的敏感性從大到小排序?yàn)榘踩庾R(shí)、壓杠部分、互鎖冗余機(jī)構(gòu)、故障檢測(cè)周期、鎖緊機(jī)構(gòu)，其安全性受安全意識(shí)和壓杠部分的影響顯著。

③ 提出了一種綜合利用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施關(guān)鍵部件進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的方法，避免了完全定性分析使分析結(jié)果過(guò)于主觀的現(xiàn)象。以某游樂(lè)園過(guò)山車(chē)安全壓杠為例，構(gòu)建了一套安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了計(jì)算，確定了其安全性得分以及對(duì)應(yīng)的安全完整性等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際年檢結(jié)果相符，為類(lèi)似游樂(lè)設(shè)施關(guān)鍵部件的優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)以及日常維護(hù)和保養(yǎng)提供一定借鑒作用。