輪胎式集裝箱門式起重機(jī)小車緩沖防護(hù)裝置的HAZOP分析*

陳 星 張 勇 黃仕修 冀行方

海南省鍋爐壓力容器與特種設(shè)備檢驗(yàn)所 ?？?570203

0 引言

隨著全球化程度的不斷加深，世界各國(guó)之間經(jīng)濟(jì)交流日益頻繁，港口作為水陸交通的集結(jié)點(diǎn)與樞紐，其作用愈加凸顯。輪胎式集裝箱門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱RTG）作為一種主要的起重運(yùn)輸設(shè)備，在港口運(yùn)作過(guò)程中扮演著重要的角色。小車是RTG的核心部分，它的零部件多，組成復(fù)雜且質(zhì)量占比大[1]。小車主要由起升機(jī)構(gòu)與行走機(jī)構(gòu)組成，其運(yùn)行狀況直接影響到RTG整機(jī)的功能完整性，而以緩沖器為代表的緩沖防護(hù)裝置則保證小車的安全平穩(wěn)運(yùn)行[2，3]。因此，本文從緩沖防護(hù)裝置的安全性著手，基于危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability，HAZOP）將小車的作業(yè)過(guò)程劃分成4個(gè)單元，通過(guò)引導(dǎo)詞確定偏差對(duì)以緩沖器為代表的起重機(jī)緩沖防護(hù)裝置進(jìn)行HAZOP分析，確定可能產(chǎn)生的后果及其原因。查找安全隱患，最大程度地辨識(shí)危險(xiǎn)源，并對(duì)其基于可靠性理論提出風(fēng)險(xiǎn)建模與優(yōu)化方法，力求降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

1 RTG小車緩沖防護(hù)裝置

起重機(jī)小車是起重運(yùn)輸機(jī)械的核心功能機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)。水平運(yùn)動(dòng)是指小車在起重機(jī)桁架上的水平移動(dòng)，通過(guò)在桁架上的往復(fù)移動(dòng)進(jìn)而將貨物運(yùn)送至指定位置。垂直運(yùn)動(dòng)則是指通過(guò)吊具實(shí)現(xiàn)對(duì)于貨物的夾取，并抬升至指定高度。2種主動(dòng)構(gòu)成了起重機(jī)的主要工作方式。圖1是某種橡膠輪胎門式起重機(jī)的運(yùn)動(dòng)示意圖，即吊具的升降與平移。

圖1 RTG運(yùn)動(dòng)示意圖

目前起重機(jī)小車大多為牽引式小車，即通過(guò)鋼絲繩將動(dòng)力輸入裝置卷筒與小車進(jìn)行連接，按照一定的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的牽引，完成吊具起升運(yùn)動(dòng)以及小車沿軌道運(yùn)行的水平運(yùn)動(dòng)。然而，小車在吊運(yùn)貨物時(shí)，總體的質(zhì)心常處于較靠下的位置，加速度的傳遞路程較長(zhǎng)，導(dǎo)致小車在桁架上的慣性難以預(yù)料。此外，由于人工操作需要一定的經(jīng)驗(yàn)，小車的減速運(yùn)行與?？康碾S機(jī)性較大，整個(gè)過(guò)程并不完全理想。因此，當(dāng)小車運(yùn)行至極限位置，常會(huì)對(duì)起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的碰撞。

為保護(hù)起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的安全以及保證小車的可靠運(yùn)行，緩沖防護(hù)裝置就顯得尤為重要。常見(jiàn)的小車緩沖防護(hù)裝置主要有緩沖器、小車制動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)等[4]。目前，緩沖器是最為常見(jiàn)且起重機(jī)加裝最頻繁的緩沖防護(hù)裝置，其安裝位置如圖2所示。起重機(jī)緩沖器是吸收起重機(jī)的運(yùn)行動(dòng)能，以減緩沖擊的彈性機(jī)構(gòu)，很大程度上保證了起重機(jī)作業(yè)的安全，大大減少了危險(xiǎn)發(fā)生的概率。目前較為常見(jiàn)的緩沖器主要有彈簧緩沖器，以橡膠緩沖器和聚氨酯緩沖器為代表的實(shí)體緩沖器，此外，液壓、液氣緩沖器在實(shí)際中也有一定的應(yīng)用。

圖2 小車主體結(jié)構(gòu)

2 HAZOP分析過(guò)程

2.1 HAZOP簡(jiǎn)介

HAZOP最早于1960年由英國(guó)某化工業(yè)公司提出，其初期目的是為減輕某種化學(xué)制劑在生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)危害，是一種基于系統(tǒng)工程的、線性的、自上而下的安全評(píng)價(jià)技術(shù)[5]，目前，HAZOP的應(yīng)用已脫離其原生領(lǐng)域，在機(jī)械工業(yè)廣泛應(yīng)用。其通過(guò)分析工藝參數(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的變化和控制上產(chǎn)生的偏差，以及這些變化和偏差對(duì)系統(tǒng)的影響和可能的后果，來(lái)查找與初期設(shè)計(jì)目的的不符點(diǎn)，進(jìn)而提高工作效率，并簡(jiǎn)化工作流程。最終通過(guò)危險(xiǎn)源辨識(shí)完成檢驗(yàn)，并對(duì)于相應(yīng)的后果提出應(yīng)對(duì)措施。

HAZOP的核心資料主要包括管道儀表流程圖（PID）、工藝流程圖(PFD)、以往事故信息等，根據(jù)核心資料進(jìn)行下一步的具體風(fēng)險(xiǎn)分析并提出應(yīng)對(duì)措施。PID是重中之重，PID圖應(yīng)當(dāng)用簡(jiǎn)單的線條勾畫(huà)出設(shè)備功能組成，所有的傳感器和儀表均應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)圖例和分類編號(hào)繪制。

2.2 小車HAZOP分析

對(duì)于小車緩沖防護(hù)裝置的節(jié)點(diǎn)劃分，主要可分為4部分，即小車主體、小車制動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)、緩沖器。圖3為小車的PID圖，根據(jù)小車的安全需要，小車常配備多個(gè)限位開(kāi)關(guān)。其中吊具限速器開(kāi)關(guān)用以限制吊具的最高運(yùn)行速度。上升極限位置限位器開(kāi)關(guān)用以限制吊具與起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)的最小距離，避免吊具在垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與起重機(jī)主體產(chǎn)生碰撞。下降極限位置限位器開(kāi)關(guān)用以限制吊具與起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)的最大距離，避免吊具超出纏繞所允許的最大運(yùn)動(dòng)范圍。超載限制器開(kāi)關(guān)用以限制吊具的最大抓取重量以避免超載的發(fā)生。其余的安全防護(hù)裝置還有緩沖器與制動(dòng)器，緩沖器主要用以避免小車在水平運(yùn)動(dòng)時(shí)與起重機(jī)桁架邊緣的碰撞，制動(dòng)器則用以小車的運(yùn)動(dòng)停止與減速。

圖3 小車PID圖

根據(jù)小車的PID圖將小車節(jié)點(diǎn)劃分為4部分，分別為小車主體、制動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)、緩沖器。對(duì)應(yīng)的選擇失速、失效、失效、損壞作為引導(dǎo)詞。其中，小車主體失速的主要原因是限速開(kāi)關(guān)損壞，其可能導(dǎo)致小車在高速下沖撞門式起重機(jī)。為防止意外，可增加限速開(kāi)關(guān)以提高安全性。

制動(dòng)器由于本身構(gòu)造復(fù)雜，其失效原因往往較為多樣，根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的工作原理與載荷情況，其主要失效原因集中在系統(tǒng)壓力不合理、制動(dòng)力矩過(guò)大、制動(dòng)盤油污、制動(dòng)材料材質(zhì)差、彈簧疲勞失效、驅(qū)動(dòng)電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)、液壓缸失效、支架偏斜等。制動(dòng)器的失效直接導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間的失控、嚴(yán)重情況可造成事故或人員傷亡?？赏ㄟ^(guò)提高制動(dòng)材料強(qiáng)度，定期抽檢制動(dòng)盤磨損程度以及彈簧壽命，增加制動(dòng)力檢測(cè)開(kāi)關(guān)等方法降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

限位開(kāi)關(guān)失效的主要原因是采集處理設(shè)備故障、通信設(shè)備故障。其可能導(dǎo)致吊具沖撞小車進(jìn)而造成起重機(jī)小車行走機(jī)構(gòu)的損壞?？刹扇∨鋫涠鄠€(gè)限位開(kāi)關(guān)的方式降低總體失效風(fēng)險(xiǎn)。

緩沖器由于反復(fù)承受載荷，損壞概率較大。造成其損壞的主要原因有吊具吊裝超重，滿載頻次高、緩沖器形狀缺陷、緩沖器安裝不合理、緩沖器橡膠彈性差、緩沖器尺寸不合理等。緩沖器為小車的運(yùn)動(dòng)提供了安全保障。因此緩沖器的損壞直接造成小車剛性碰撞門式起重機(jī)主體，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)損壞。為防止小車的損壞，可采用配備超載檢測(cè)開(kāi)關(guān)，限制吊裝重量、改進(jìn)緩沖器橡膠性能等措施。

3 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)化的關(guān)鍵是根據(jù)節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)詞產(chǎn)生的原因和后果，針對(duì)所辨識(shí)出的危險(xiǎn)源進(jìn)行優(yōu)化?；贖AZOP分析法，可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)失效原因歸納總結(jié)，進(jìn)而找到制動(dòng)器系統(tǒng)的失效模式并對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立對(duì)應(yīng)失效模式的功能函數(shù)（極限狀態(tài)方程），對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行相關(guān)處理。最后再根據(jù)極限狀態(tài)方程建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，提高各節(jié)點(diǎn)的可靠性，降低危險(xiǎn)發(fā)生的可能。

緩沖器作為RTG緩沖防護(hù)裝置的重要組成部分，對(duì)于確保小車正常且安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。因此，本文將根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立一般緩沖器的功能安全函數(shù)，以此作為緩沖器優(yōu)化的建模依據(jù)。

起重機(jī)的碰撞動(dòng)能為

式中：m為碰撞質(zhì)量，對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)緩沖器而言，碰撞質(zhì)量包括起重機(jī)或小車的質(zhì)量，吊重的質(zhì)量則視起重機(jī)的構(gòu)造而定，對(duì)剛性懸掛的吊具或有導(dǎo)向架以限制吊重?cái)[動(dòng)的起重機(jī)，要將吊重質(zhì)量考慮在內(nèi)，對(duì)柔性懸掛的吊具或吊重能自由擺動(dòng)的起重機(jī)，不予考慮吊重質(zhì)量；v為碰撞速度，對(duì)于無(wú)自動(dòng)減速裝置或限位開(kāi)關(guān)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，大車取85%額定運(yùn)行速度，小車取額定速度，對(duì)于有自動(dòng)減速裝置或限位開(kāi)關(guān)者，按減速后的實(shí)際速度計(jì)算，但不小于50%的額定運(yùn)行速度。因?qū)嶋H碰撞速度與每臺(tái)起重機(jī)在使用中運(yùn)行制動(dòng)器的制動(dòng)力矩調(diào)整有關(guān)，故在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可都按50%額定運(yùn)行速度取值。

單個(gè)緩沖器所承載的動(dòng)能為

式中：Ek為起重機(jī)碰撞動(dòng)能，n為所需緩沖器數(shù)目。

驅(qū)動(dòng)力做功為

式中：Fw為驅(qū)動(dòng)力，S為緩沖行程。

單個(gè)緩沖器所受總能量為

單個(gè)緩沖器所受沖擊力為

最終，可根據(jù)單個(gè)緩沖器的極限狀態(tài)情況建立功能函數(shù)。

1）緩沖容量功能函數(shù)

2）緩沖行程功能函數(shù)

3）緩沖力功能函數(shù)

由于緩沖器功能函數(shù)較多，所以將3個(gè)功能函數(shù)統(tǒng)一處理，作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，按照其危險(xiǎn)程度及其作用關(guān)鍵性分配權(quán)重為3:3:4，并對(duì)各個(gè)功能函數(shù)實(shí)行反正切歸一化，保證量綱的統(tǒng)一，故對(duì)緩沖器進(jìn)行優(yōu)化建模為

基于順序二次規(guī)劃(Sequential Quadratic Programming，SQP)進(jìn)行非線性約束優(yōu)化，取起始點(diǎn)為3個(gè)變量的約束中點(diǎn)，最終經(jīng)過(guò)11次迭代可得到最優(yōu)點(diǎn)為[28 000，2.185 5，100 000]，收斂曲線如圖4所示。

圖4 收斂曲線

4 結(jié)論

本文從RTG小車整體出發(fā)，按照其組成或功能進(jìn)行區(qū)域劃分，并基于HAZOP分析，對(duì)RTG小車的緩沖防護(hù)裝置進(jìn)行了危險(xiǎn)源辨識(shí)，提出了潛在的風(fēng)險(xiǎn)。該方法有效地將風(fēng)險(xiǎn)分層、將問(wèn)題細(xì)化，便于找出微小的安全隱患。最終結(jié)合危險(xiǎn)源的失效原因提出了功能函數(shù)的建立方法，以緩沖器為例進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，為RTG小車整體失效風(fēng)險(xiǎn)的降低提供了基本方法與理論依據(jù)。