水工門式啟閉機(jī)安全評(píng)估系統(tǒng)及流程

徐羅軍 徐 超 余橋芳 謝學(xué)武 余春梅

1湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院宜昌分院 宜昌 443000 2武漢先思科技有限公司 武漢 430000

0 引言

大型水工起重機(jī)械的安全評(píng)估是利用系統(tǒng)工程方法對(duì)在用設(shè)備在服役期間可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件的概率和嚴(yán)重性，利用數(shù)學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)、分析、評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)，并根據(jù)可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的大小提出相應(yīng)的安全對(duì)策措施，以達(dá)到設(shè)備安全運(yùn)行的過(guò)程。起重機(jī)械安全評(píng)估既是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位搞好安全生產(chǎn)的重要保障，也是政府部門對(duì)特種設(shè)備安全監(jiān)督管理的需要[1，2]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于水工類起重機(jī)械安全評(píng)估還沒(méi)有統(tǒng)一的做法，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有明確的規(guī)定，如何科學(xué)合理地對(duì)這類起重機(jī)械進(jìn)行安全評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果采取相應(yīng)預(yù)防措施保證安全工作，是一個(gè)得到普遍關(guān)注但又未得到較好解決的問(wèn)題。

1 水工門式啟閉機(jī)安全評(píng)估系統(tǒng)

本文以水工機(jī)械中常見(jiàn)的水工門式啟閉機(jī)作為研究對(duì)象，構(gòu)建水工門式啟閉機(jī)安全評(píng)估系統(tǒng)，如圖1所示，安全評(píng)估系統(tǒng)由水工門式啟閉機(jī)失效模式研究、門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)載荷譜獲取及有限元分析仿真、應(yīng)力測(cè)試、金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)以及門式啟閉機(jī)的整機(jī)安全評(píng)估等方面組成。

圖1 水工門式啟閉機(jī)壽命及安全評(píng)估系統(tǒng)圖

2 水工門式啟閉機(jī)安全評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)容

1）查閱相關(guān)資料，研究水工用門式啟閉機(jī)的主要失效模式及其失效機(jī)理；

2）收集水工門式啟閉機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)圖紙、制造及焊接工藝、主要受力結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能，在考慮實(shí)際工況的前提下，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與有限元仿真分析相結(jié)合的方法獲取啟閉機(jī)載荷譜；

3）通過(guò)確定的疲勞載荷模型，根據(jù)不同典型周期所對(duì)應(yīng)的載荷譜而獲得的P-S-N曲線和疲勞累積損傷準(zhǔn)則對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及可靠性進(jìn)行評(píng)估，估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；

4）引用風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法對(duì)水工門式啟閉機(jī)在使用過(guò)程中的安全管理、主要零部件、重要構(gòu)件以及控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置等各評(píng)估單元及項(xiàng)目發(fā)生危險(xiǎn)的概率和發(fā)生危險(xiǎn)后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，最后通過(guò)整機(jī)的安全評(píng)級(jí)給出相應(yīng)的使用檢測(cè)維修建議或計(jì)劃。

3 水工門式啟閉機(jī)整機(jī)安全評(píng)估原理

該項(xiàng)目引用基于風(fēng)險(xiǎn)法評(píng)估方法，根據(jù)設(shè)置各評(píng)估單元及項(xiàng)目發(fā)生危險(xiǎn)的概率和發(fā)生危險(xiǎn)后果的嚴(yán)重程度，利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)設(shè)備的各個(gè)評(píng)估單元和整機(jī)進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)的劃分。對(duì)可預(yù)見(jiàn)的危險(xiǎn)事件和在服役期間發(fā)生的頻次確定其嚴(yán)重程度和概率等級(jí)（見(jiàn)表1、表2）。將危險(xiǎn)隱患的嚴(yán)重程度和概率等級(jí)進(jìn)行組合，得到具體危險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)表3）。

表1 危險(xiǎn)嚴(yán)重程度表

表2 危險(xiǎn)概率等級(jí)表

結(jié)合水工門式啟閉機(jī)實(shí)際狀況，對(duì)不同的評(píng)估項(xiàng)目根據(jù)表3進(jìn)行評(píng)級(jí)，然后根據(jù)表4對(duì)不同的評(píng)估項(xiàng)目進(jìn)行賦值。

表3 矩陣法確定危險(xiǎn)等級(jí)表

表4 危險(xiǎn)等級(jí)賦值

對(duì)每一個(gè)評(píng)估項(xiàng)目根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行賦值后，每個(gè)評(píng)估單元的安全狀況得分為

式中：Dj為第j個(gè)評(píng)估單元最終的安全狀況得分，Vi(i=1，…，n)為對(duì)應(yīng)于該評(píng)估單元中的第i個(gè)評(píng)估項(xiàng)目的危險(xiǎn)類別的賦值，n為一個(gè)評(píng)估單元中所有進(jìn)行評(píng)估項(xiàng)目的個(gè)數(shù)。

在計(jì)算得到每一個(gè)評(píng)估單位的安全狀況得分后，整個(gè)設(shè)備進(jìn)行安全狀況得分為

式中：Z為設(shè)備的整體安全情況綜合得分，m為評(píng)估單元個(gè)數(shù)，βj為j個(gè)評(píng)估單元的權(quán)重值。

4 水工門式啟閉機(jī)整機(jī)安全評(píng)估流程

水工門式啟閉機(jī)安全評(píng)估流程如圖2所示，在確定項(xiàng)目啟動(dòng)后，對(duì)門式啟閉機(jī)的連接方式及其失效模式、失效機(jī)理進(jìn)行研究，同時(shí)收集評(píng)估對(duì)象相應(yīng)資料及信息，在考慮實(shí)際工況的前提下，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與有限元仿真分析相結(jié)合的方法獲取啟閉機(jī)載荷譜，并利用相關(guān)理論及數(shù)學(xué)模型計(jì)算出主要金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命，在此基礎(chǔ)上，對(duì)門式啟閉機(jī)進(jìn)行評(píng)估單元的劃分，分別對(duì)水工門式啟閉機(jī)整機(jī)的設(shè)備管理、金屬結(jié)構(gòu)、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置等各評(píng)估單元及項(xiàng)目的傷害嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的估計(jì)判定。根據(jù)判定結(jié)構(gòu)出具安全評(píng)價(jià)報(bào)告，并給出相應(yīng)的使用檢測(cè)維修建議或計(jì)劃，如果風(fēng)險(xiǎn)已減小或達(dá)到可接受的程度，則評(píng)估結(jié)束，如果風(fēng)險(xiǎn)未減小或仍不可接受，需重新進(jìn)行減小或消除風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 水工門式啟閉機(jī)壽命及安全評(píng)估流程圖

5 安全評(píng)估的實(shí)施

5.1 起重機(jī)械失效分析

在進(jìn)行起重機(jī)械的安全評(píng)估前，有必要對(duì)起重機(jī)械的失效[3]進(jìn)行分析研究，其失效形式可能是單一因素也可能是由多種因素復(fù)合造成的，且其失效形式多種多樣，失效的結(jié)構(gòu)往往由一個(gè)宏觀表征現(xiàn)象體現(xiàn)。在起重機(jī)械服役期間，腐蝕和疲勞往往被認(rèn)為是單一的過(guò)程，其導(dǎo)致的結(jié)果分別為金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕失效和結(jié)構(gòu)的機(jī)械失效，具體表征為構(gòu)件中裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展以至斷裂[4]。

在實(shí)際對(duì)起重機(jī)械作用過(guò)程中，疲勞和腐蝕是一組有協(xié)同效應(yīng)的作用形式，2個(gè)因素相互增強(qiáng)，使得失效作用更普遍、更嚴(yán)重。特別是活性的腐蝕作用對(duì)周期疲勞有加強(qiáng)的作用，反過(guò)來(lái)周期的疲勞損失對(duì)腐蝕起到加劇的效果，所以在實(shí)際分析研究中，把腐蝕疲勞視作一種組合的失效。

5.2 基于Ansys的起重機(jī)械有限元分析

起重機(jī)械的有效工作年限主要取決于其金屬結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞破壞[5，6]，疲勞是金屬結(jié)構(gòu)失效的重要影響因素之一[7，8]，疲勞破壞作用于結(jié)構(gòu)上，其表征先是在結(jié)構(gòu)某一部位產(chǎn)生裂紋，往往是出現(xiàn)在淺表面，在內(nèi)部有缺陷的地方也易出現(xiàn)裂紋，把容易產(chǎn)生裂紋的地方稱為結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)區(qū)域[9]。在實(shí)際研究中，經(jīng)常通過(guò)有限元分析計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)高危部位進(jìn)行分析，其流程如圖3所示。

圖3 水工門式啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析流程圖

水工門式啟閉機(jī)由上部小車機(jī)構(gòu)和下部門架鋼結(jié)構(gòu)組成，為了使靜力學(xué)分析得到更好的精度和更快的求解速度，將水工門式啟閉機(jī)靜力學(xué)分析分解為上部小車結(jié)構(gòu)和下部門架鋼結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析2部分進(jìn)行。其中上部小車結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的三維模型僅包括上部小車結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，下部門架鋼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析考慮到載荷施加的方便性和精準(zhǔn)性，其三維模型包括了上部小車結(jié)構(gòu)的4對(duì)輪組（見(jiàn)圖4）和下部門架鋼結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）的三維實(shí)體模型，依次建立2個(gè)有限元分析項(xiàng)目。

圖4 小車結(jié)構(gòu)有限元分析網(wǎng)絡(luò)圖

圖5 門架有限元分析網(wǎng)絡(luò)圖

水工門式啟閉機(jī)在正常工作下，經(jīng)常會(huì)在不同的工況下工作，根據(jù)工作實(shí)際結(jié)合圖紙，在啟閉機(jī)小車項(xiàng)目和門架項(xiàng)目上分別施加不同工況下的載荷，如圖6、圖7所示。

圖6 小車項(xiàng)目的載荷

圖7 門架項(xiàng)目的載荷

靜力學(xué)分析的最后一步是在有限元項(xiàng)目中通過(guò)求解器進(jìn)行求解分析，并利用后處理工具對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析，確定在每一種工況下水工門式啟閉機(jī)的最危險(xiǎn)區(qū)域及最大等效應(yīng)力值。小車項(xiàng)目和門架項(xiàng)目中Von Mises等效應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

圖8 小車項(xiàng)目中Von Mises等效應(yīng)力云圖

圖9 門架項(xiàng)目中Von Mises等效應(yīng)力云圖

5.3 應(yīng)力測(cè)試與載荷譜獲取

水工門式啟閉機(jī)的應(yīng)力測(cè)試[9]是對(duì)其應(yīng)力集中部位和受力不利部位選取測(cè)試點(diǎn)，在多種工況下對(duì)選取的測(cè)試點(diǎn)所受應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)采集，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。

有限元分析的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果顯示，啟閉機(jī)上部小車結(jié)構(gòu)比下部門架鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、應(yīng)變值高出很多，危險(xiǎn)點(diǎn)一般出現(xiàn)在上部小車結(jié)構(gòu)中，故測(cè)試的測(cè)試點(diǎn)均分布在上部小車結(jié)構(gòu)中。根據(jù)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)均安排在小車結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸的一側(cè)，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 應(yīng)變片布置情況概覽

要對(duì)水工門式啟閉機(jī)進(jìn)行安全評(píng)估，獲取其危險(xiǎn)部位應(yīng)力譜是不可或缺的重要信息。通過(guò)對(duì)水工門式啟閉機(jī)的實(shí)際應(yīng)力測(cè)量，可獲得置信度高的應(yīng)力譜，其疲勞載荷譜的采集流程如圖11所示。

圖11 載荷譜采集流程

根據(jù)水工門式啟閉機(jī)實(shí)際工況，載荷譜的編輯采用雨流計(jì)數(shù)法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)編輯后可得到不同受力點(diǎn)處的載荷譜，使得最終獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果符合工程實(shí)際。

5.4 啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算

水工門式啟閉機(jī)在不同工況下，其主要受力結(jié)構(gòu)件所受的應(yīng)力各不相同，不論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)都有很多學(xué)者對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命進(jìn)行研究，本文主要采用名義應(yīng)力應(yīng)變法和局部應(yīng)力應(yīng)變法對(duì)門式啟閉機(jī)的壽命進(jìn)行評(píng)估，其主要流程如圖12所示。

圖12 啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)流程圖

5.5 水工門式啟閉機(jī)評(píng)估單元的劃分

根據(jù)評(píng)估系統(tǒng)構(gòu)建的框架，結(jié)合水工門式啟閉機(jī)在使用過(guò)程中的具體情況，將整個(gè)門式啟閉機(jī)劃分為設(shè)備管理、金屬結(jié)構(gòu)、主要零部件、電氣系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置5個(gè)評(píng)估單元，并對(duì)每個(gè)評(píng)估單元進(jìn)行詳細(xì)劃分。

1）設(shè)備管理子系統(tǒng)的評(píng)估單元 檔案、記錄等資料管理情況、零配件的更換及供應(yīng)情況、使用頻繁程度、載荷情況、故障及維修情況；

2）金屬結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的評(píng)估單元 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)裂紋、結(jié)構(gòu)變形、腐蝕、連接、靜剛度等；

3）主要零部件評(píng)估單元 專用吊梁、起升機(jī)構(gòu)的卷筒、大小車車輪、滑輪組、減速器、起升鋼絲繩、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、制動(dòng)器等；

4）電氣控制統(tǒng)的評(píng)估單元 工作電壓、控制電路、動(dòng)力電路、電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置等；

5）重要安全防護(hù)評(píng)估單元 設(shè)備的起升高度限位裝置、大車的行程限位開(kāi)關(guān)、整機(jī)的超載保護(hù)裝置、各機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖保護(hù)裝置、行程止擋裝置、緩沖器、電纜卷筒放纜終點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)水工門式啟閉機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)安全評(píng)估，不僅要對(duì)相應(yīng)的零部件和重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，還要對(duì)整機(jī)進(jìn)行宏觀的分析評(píng)估。對(duì)零部件和重要結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)估是對(duì)整機(jī)進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)，也是整機(jī)評(píng)估的一部分，通過(guò)對(duì)零部件和重要結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)程度的分析判定，對(duì)各部件進(jìn)行權(quán)重分配，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的安全情況的判定。在評(píng)估過(guò)程中不僅要求評(píng)估者具備相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，還要求獲取大量的安全數(shù)據(jù)。一套完善的評(píng)估系統(tǒng)及流程的確定對(duì)于評(píng)估工作有重要的參考作用。