門座式起重機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.武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100013)

0 引 言

隨著現代化發展的趨勢，起重機的作用日益廣泛，特別是港口碼頭、鐵路貨運場、建筑工地、室內外礦工企業、鋼鐵化工等地方的大笨重貨物的搬運[1].然而，起重機械設備中蘊藏諸多的危險因素，起重機械傷害事故是由多種因素造成的，涉及設計制造、使用維護、安裝修理等多個環節.從常見起重機械事故來分，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].門座式起重機這種大型裝載機械由于工作環境惡劣，使用頻繁、容易過載，折臂事故時有發生.這種事故的發生不僅嚴重威脅著現場施工人員的生命安全，拖延工作進度，也給企業帶來了不可估量的經濟損失.

故障樹分析法(FAT)，直觀而明了地對危險性進行分析，邏輯性強，可以做定性分析和定量分析.通過定性分析和定量分析，能夠找出一個系統某項故障產生的原因，也可以對最容易導致系統故障的因素進行預測，以提前做好維護保養工作做到防患于未然.體現了它對系統安全問題研究的系統性、準確性和預測性.正是由于故障樹分析法的準確性與預測性，它被廣泛應用于大型企業的設備健康監測中，結合設備的工作環境等因素，建立故障樹，通過分析故障樹就能找出設備的危險源.我國從1978年開始，在航空、化工、核工業、冶金、機械等工業企業部門對這一方法進行研究應用.實踐表明，事故樹分析法是系統安全工程重要的分析方法之一.為了減少工作量，本文在布爾代數法的基礎上用VB開發了故障樹定性分析的簡易軟件，通過運行此程序，工作人員能夠對故障樹中的各階割集個數及其所占的比例以及各個底事件的結構重要度一目了然，節省了大量的手工計算時間.

1 門座式起重機折臂事故故障樹分析

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

1.1 折臂事故故障樹的建立

門座式起重機主臂架結構比較復雜，導致臂架折斷的因素也有很多，不僅有使用材料上的問題、設計上的缺陷、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合以往門座式起重機臂架折斷事故案例，總結出了導致起重機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，進而找到導致臂架折斷的11個中間事件和20個基本底事件.根據故障樹分析程序[8]，建立起門座式起重機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焊縫不符合技術要求M8應力分布不均勻M9縱筋板失效M10臂架變幅鉸接點附件失效M11結構不合理X1臂架表面銹蝕X2臂架內部加強肋銹蝕X3焊縫開裂X4長期交變載荷影響X5有初始撓度X6強度不夠X7橫隔板變形X8腹板撕裂X9翼板失穩X10筋、隔板焊縫長度不符合要求X11筋隔板焊縫間應力過大X12存在焊接參與應力X13有夾渣、氣孔、熱烈、漏焊及未焊透等X14接頭設計造型問題X15縱筋板彎曲變形X16縱筋板剛度不夠X17筋縱板脫焊X18受力復雜導致折斷X19筋板間距過大X20縱橫向加強勁板布局不合理

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重要的地位.它目的是分析某事故的發生規律及特點，結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構重要度.

最小割集就是導致頂事件發生所必須的、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生的各種可能性，了解系統危險性，為事故預防和調查分析提供理論依據.由最小割集的定義知，每個最小割集就是頂事件發生的一種可能.因此，故障樹中有多少個最小割集，頂上事件的發生就有多少種可能，最小割集越多，頂事件發生的可能性就越多，系統就越危險.

結構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(或者認為各底事件發生概率相同)底事件發生概率的前提下分析底事件的發生對頂事件發生的影響程度.

運用布爾代數法，對以上故障樹進行簡化得到該故障樹的布爾代數表達式：

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入軟件中即得到最小割集及各底事件的結構重要度如圖2所示，結構重要度如表2所示.

表2 失效樹底事件結構重要度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，占總數的28.57%，二階割集(包含兩個底事件的割集)9個，占總數的64.29%，三階割集(包含三個底事件的割集)1個，占總數的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是：在已知基本事件發生概率的情況下，計算系統頂上事件發生的概率、各基本事件的概率重要度及臨界重要度，并以此為依據，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 頂事件的發生概率 頂事件的發生概率就是故障樹頂事件發生的可能性的大小，它的大小與各底事件的發生概率有直接的關系，其計算公式如下：

式中:r，s，t——最小割集的序數；

k——最小割集的個數；

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資料數據，給出各底事件發生的概率，如表3所示.

表3 底事件發生概率Table 3 Probability of the bottom events

經計算得

g=3.5×10-2

該計算結果僅供參考.

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有結構重要度和臨界重要度.前面定性分析中已經給出了各底事件的結構重要度.臨界重要度是考慮事故頻率即嚴重度，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生的改變量與頂事件發生概率的改變量之比之間的關系，第i個基本事件的臨界重要度系數計算式為

頂上事件發生概率對基本事件i發生的變化率為

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，它的發生就越容易導致頂上事件發生.根據數量級的不同，把表中的數據分為四組，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，是導致門座式起重機折臂事故發生比較重要的風險因素.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為表中數量級最低的底事件，說明這幾個基本事件是該系統中危險度最低的基本事件即最不容易導致頂事件發生的事件.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，門座式起重機臂架折斷事故要從人為因素以及工藝造型因素對其進行控制.下面根據門機折臂事故各底事件的臨界重要度表給出預防門座式起重機折臂事故發生的主要措施：

① 嚴禁超載，一定要在起重機的額定載荷范圍內工作；

② 定期檢驗，及時發現存在安全隱患的地方并改進；

③ 嚴格按照門座式起重機臂架的設計要求進行設計制造適當增加臂架上下蓋板厚度以降低工作應力；

④ 定期進行安全教育，增強安全意識，嚴格管理；

⑤ 做好起重機表面防腐蝕工作，對長期暴露在外的鋼結構進行必要的防腐蝕處理.

參考文獻:

[1] 李菁，靳慧，丁克勤.300 t造船龍門起重機結構動力特性分析[J].武漢理工大學學報，2010，32(6)：54-58.

[2] 田復興.起重機械安全管理使用指南[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 段天宏，張小永，陸后軍.門座式起重機的脫鉤事故故障樹分析與對策研究[J].現代機械，2006(4)：43-45.

[4] 倪葉明.防止門機臂架折斷事故的3個關鍵[J].港口機械，1999(9)：13-14.

[5] 沈家楨.具有初撓度的四邊簡支帶縱向加勁板受壓實驗研究——門座式起重機臂架失穩在線檢測原理[J].上海海運學院學報，1996(1)：24-30.

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[7] 孫昌之.港口門座式起重機臂架彎折事故分析[J].起重運輸機械，1996(1)：35-36.

[8] GB7829-87.故障樹分析程序[S].

[9] 樊運曉，羅云.系統安全工程[M].北京：化學工業出版社，2009.