門座式起重機(jī)臂架折斷故障樹分析與對策

舒安慶，張 鵬，丁克勤，喬 松，魏化中,

(1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，起重機(jī)的作用日益廣泛，特別是港口碼頭、鐵路貨運(yùn)場、建筑工地、室內(nèi)外礦工企業(yè)、鋼鐵化工等地方的大笨重貨物的搬運(yùn)[1].然而，起重機(jī)械設(shè)備中蘊(yùn)藏諸多的危險因素，起重機(jī)械傷害事故是由多種因素造成的，涉及設(shè)計制造、使用維護(hù)、安裝修理等多個環(huán)節(jié).從常見起重機(jī)械事故來分，其安全事故歸為以下幾大類：傾翻事故、重物失落事故、擠傷事故、觸電事故及其零件事故等[2].門座式起重機(jī)這種大型裝載機(jī)械由于工作環(huán)境惡劣，使用頻繁、容易過載，折臂事故時有發(fā)生.這種事故的發(fā)生不僅嚴(yán)重威脅著現(xiàn)場施工人員的生命安全，拖延工作進(jìn)度，也給企業(yè)帶來了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失.

故障樹分析法(FAT)，直觀而明了地對危險性進(jìn)行分析，邏輯性強(qiáng)，可以做定性分析和定量分析.通過定性分析和定量分析，能夠找出一個系統(tǒng)某項故障產(chǎn)生的原因，也可以對最容易導(dǎo)致系統(tǒng)故障的因素進(jìn)行預(yù)測，以提前做好維護(hù)保養(yǎng)工作做到防患于未然.體現(xiàn)了它對系統(tǒng)安全問題研究的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測性.正是由于故障樹分析法的準(zhǔn)確性與預(yù)測性，它被廣泛應(yīng)用于大型企業(yè)的設(shè)備健康監(jiān)測中，結(jié)合設(shè)備的工作環(huán)境等因素，建立故障樹，通過分析故障樹就能找出設(shè)備的危險源.我國從1978年開始，在航空、化工、核工業(yè)、冶金、機(jī)械等工業(yè)企業(yè)部門對這一方法進(jìn)行研究應(yīng)用.實踐表明，事故樹分析法是系統(tǒng)安全工程重要的分析方法之一.為了減少工作量，本文在布爾代數(shù)法的基礎(chǔ)上用VB開發(fā)了故障樹定性分析的簡易軟件，通過運(yùn)行此程序，工作人員能夠?qū)收蠘渲械母麟A割集個數(shù)及其所占的比例以及各個底事件的結(jié)構(gòu)重要度一目了然，節(jié)省了大量的手工計算時間.

1 門座式起重機(jī)折臂事故故障樹分析

針對門座式起重機(jī)折臂事故建立故障樹，并利用軟件對其進(jìn)行定性分析，得出最小割集和結(jié)構(gòu)重要度，然后進(jìn)行適量的定量分析，從而確定折臂事故中風(fēng)險等級最高的因素，為防止此類事故的再次發(fā)生奠定了基礎(chǔ).

1.1 折臂事故故障樹的建立

門座式起重機(jī)主臂架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致臂架折斷的因素也有很多，不僅有使用材料上的問題、設(shè)計上的缺陷、工藝缺陷、安全管理方面的問題，也有操作人員失誤的因素.通過查閱各方面的資料并結(jié)合以往門座式起重機(jī)臂架折斷事故案例，總結(jié)出了導(dǎo)致起重機(jī)臂架折斷的四個最主要因素：材料問題、臂架銹蝕、焊縫問題和臂架波浪度過大[3-7].由此四種主要故障形式逐層深入，進(jìn)而找到導(dǎo)致臂架折斷的11個中間事件和20個基本底事件.根據(jù)故障樹分析程序[8]，建立起門座式起重機(jī)臂架折斷事故的故障樹，如圖1所示，并列出了中間事件和底事件的符號和所代表的含義如表1所示.

圖1 折臂事故故障樹Fig.1 Fault tree of arm fold

事件代號事件說明T門座式起重機(jī)折臂M1材料問題M2臂架銹蝕M3焊縫問題M4主臂架波浪度過大M5材料初始缺陷M6主臂架組成部分問題M7焊縫不符合技術(shù)要求M8應(yīng)力分布不均勻M9縱筋板失效M10臂架變幅鉸接點附件失效M11結(jié)構(gòu)不合理X1臂架表面銹蝕X2臂架內(nèi)部加強(qiáng)肋銹蝕X3焊縫開裂X4長期交變載荷影響X5有初始撓度X6強(qiáng)度不夠X7橫隔板變形X8腹板撕裂X9翼板失穩(wěn)X10筋、隔板焊縫長度不符合要求X11筋隔板焊縫間應(yīng)力過大X12存在焊接參與應(yīng)力X13有夾渣、氣孔、熱烈、漏焊及未焊透等X14接頭設(shè)計造型問題X15縱筋板彎曲變形X16縱筋板剛度不夠X17筋縱板脫焊X18受力復(fù)雜導(dǎo)致折斷X19筋板間距過大X20縱橫向加強(qiáng)勁板布局不合理

1.2 故障樹的定性分析

定性分析在故障樹分析中占有相當(dāng)重要的地位.它目的是分析某事故的發(fā)生規(guī)律及特點，結(jié)合分析找出控制該事件的可行性方案，并分析故障樹中各底事件的重要程度，以便按輕重緩急分別采取針對性的策略.定性分析主要就是計算事故樹的最小割集及各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度.

最小割集就是導(dǎo)致頂事件發(fā)生所必須的、最低限度的基本事件的集合.求解出最小割集是為了掌握事故發(fā)生的各種可能性，了解系統(tǒng)危險性，為事故預(yù)防和調(diào)查分析提供理論依據(jù).由最小割集的定義知，每個最小割集就是頂事件發(fā)生的一種可能.因此，故障樹中有多少個最小割集，頂上事件的發(fā)生就有多少種可能，最小割集越多，頂事件發(fā)生的可能性就越多，系統(tǒng)就越危險.

結(jié)構(gòu)重要度分析是從故障樹入手分析各底事件的重要程度，它是在不考慮(或者認(rèn)為各底事件發(fā)生概率相同)底事件發(fā)生概率的前提下分析底事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的影響程度.

運(yùn)用布爾代數(shù)法，對以上故障樹進(jìn)行簡化得到該故障樹的布爾代數(shù)表達(dá)式：

T=X5X6+X7+X15X16X17+X8+X18+X9+X1X2+X3X10+X3X11+X3X12+X3X13+X4X19+X4X20+X4X14

將上式和底事件以文本文檔的形式導(dǎo)入軟件中即得到最小割集及各底事件的結(jié)構(gòu)重要度如圖2所示，結(jié)構(gòu)重要度如表2所示.

表2 失效樹底事件結(jié)構(gòu)重要度Table 2 Important degree of bottom events

圖2 最小割集計算軟件Fig.2 Software to calculate minimum cut set

從上述軟件分析計算可知，門座式起重機(jī)折臂事故失效樹的全部最小割集共有14個，其中，一階割集(只包含一個底事件的割集)4個，占總數(shù)的28.57%，二階割集(包含兩個底事件的割集)9個，占總數(shù)的64.29%，三階割集(包含三個底事件的割集)1個，占總數(shù)的7.14%.

【一階割集】：{X7},{X8},{X18},{X9}.

【二階割集】：{X5X6},{X1X2},{X3X10},{X3X11},{X3X12},{X3X13},{X4X19},{X4X20},{X4X14}.

【三階割集】：{X15X16X17}.

【底事件重要度排序】：

X3 > X4 > X9 = X8 = X7 = X18 > X6 = X5 = X20 = X2 = X19 = X14 = X13 = X12 = X11 = X10 = X1 > X17 = X15

1.3 故障樹的定量分析

故障樹定量分析的任務(wù)是：在已知基本事件發(fā)生概率的情況下，計算系統(tǒng)頂上事件發(fā)生的概率、各基本事件的概率重要度及臨界重要度，并以此為依據(jù)，綜合考慮各底事件的重要性，為重大危險源的辨識提供定量資料[9].

1.3.1 頂事件的發(fā)生概率 頂事件的發(fā)生概率就是故障樹頂事件發(fā)生的可能性的大小，它的大小與各底事件的發(fā)生概率有直接的關(guān)系，其計算公式如下：

式中:r，s，t——最小割集的序數(shù)；

k——最小割集的個數(shù)；

xi∈Gr——i事件屬于r最小割集；

xi∈Gr∪Gs——i事件屬于r最小割集或s最小割集.

查閱并參考各種相關(guān)資料數(shù)據(jù)，給出各底事件發(fā)生的概率，如表3所示.

表3 底事件發(fā)生概率Table 3 Probability of the bottom events

經(jīng)計算得

g=3.5×10-2

該計算結(jié)果僅供參考.

1.3.2 計算各底事件的臨界重要度 一般情況下用來衡量底事件重要度的指標(biāo)有結(jié)構(gòu)重要度和臨界重要度.前面定性分析中已經(jīng)給出了各底事件的結(jié)構(gòu)重要度.臨界重要度是考慮事故頻率即嚴(yán)重度，它從敏感度和自身概率大小的雙重角度反映了基本事件的重要程度，即從本質(zhì)上反映了各底事件在故障樹中的重要度.臨界重要度是各底事件發(fā)生的改變量與頂事件發(fā)生概率的改變量之比之間的關(guān)系，第i個基本事件的臨界重要度系數(shù)計算式為

頂上事件發(fā)生概率對基本事件i發(fā)生的變化率為

通過計算得出各底事件的臨界重要度，將其排序如表4所示.

表4 底事件臨界重要度Table 4 Critical importance of bottom events

2 故障樹分析結(jié)論

從表4中可以看出，底事件的臨界重要度越大，表示其危險重要度越高，它的發(fā)生就越容易導(dǎo)致頂上事件發(fā)生.根據(jù)數(shù)量級的不同，把表中的數(shù)據(jù)分為四組，第一組X3(焊縫開裂)，X13(有夾渣、氣孔、熱烈、漏焊及未焊透等)等原因臨界重要度最高，是導(dǎo)致門座式起重機(jī)折臂事故發(fā)生比較重要的風(fēng)險因素.而焊縫開裂的直接原因又是X4(長期交變載荷).第二組X1、X2、X4、X10、X11、X12、X19和X20均屬工藝造型因素，它們的臨界重要度低于第一組，這說明它們的危險重要度較第一組低.第三組X16臨界重要度低于第二組，而第四組X6、X15、X17為表中數(shù)量級最低的底事件，說明這幾個基本事件是該系統(tǒng)中危險度最低的基本事件即最不容易導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件.表中這四組底事件的臨界重要度依次遞減，危險重要度也依次遞減.從上面的分析可知，門座式起重機(jī)臂架折斷事故要從人為因素以及工藝造型因素對其進(jìn)行控制.下面根據(jù)門機(jī)折臂事故各底事件的臨界重要度表給出預(yù)防門座式起重機(jī)折臂事故發(fā)生的主要措施：

① 嚴(yán)禁超載，一定要在起重機(jī)的額定載荷范圍內(nèi)工作；

② 定期檢驗，及時發(fā)現(xiàn)存在安全隱患的地方并改進(jìn)；

③ 嚴(yán)格按照門座式起重機(jī)臂架的設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)計制造適當(dāng)增加臂架上下蓋板厚度以降低工作應(yīng)力；

④ 定期進(jìn)行安全教育，增強(qiáng)安全意識，嚴(yán)格管理；

⑤ 做好起重機(jī)表面防腐蝕工作，對長期暴露在外的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的防腐蝕處理.

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