輪胎式集裝箱門式起重機小車緩沖防護裝置的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備檢驗所 海口 570203

0 引言

隨著全球化程度的不斷加深，世界各國之間經濟交流日益頻繁，港口作為水陸交通的集結點與樞紐，其作用愈加凸顯。輪胎式集裝箱門式起重機（以下簡稱RTG）作為一種主要的起重運輸設備，在港口運作過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，組成復雜且質量占比大[1]。小車主要由起升機構與行走機構組成，其運行狀況直接影響到RTG整機的功能完整性，而以緩沖器為代表的緩沖防護裝置則保證小車的安全平穩運行[2，3]。因此，本文從緩沖防護裝置的安全性著手，基于危險與可操作性分析（Hazard and Operability，HAZOP）將小車的作業過程劃分成4個單元，通過引導詞確定偏差對以緩沖器為代表的起重機緩沖防護裝置進行HAZOP分析，確定可能產生的后果及其原因。查找安全隱患，最大程度地辨識危險源，并對其基于可靠性理論提出風險建模與優化方法，力求降低事故風險。

1 RTG小車緩沖防護裝置

起重機小車是起重運輸機械的核心功能機構，其運動狀態主要分為水平運動與垂直運動。水平運動是指小車在起重機桁架上的水平移動，通過在桁架上的往復移動進而將貨物運送至指定位置。垂直運動則是指通過吊具實現對于貨物的夾取，并抬升至指定高度。2種主動構成了起重機的主要工作方式。圖1是某種橡膠輪胎門式起重機的運動示意圖，即吊具的升降與平移。

圖1 RTG運動示意圖

目前起重機小車大多為牽引式小車，即通過鋼絲繩將動力輸入裝置卷筒與小車進行連接，按照一定的傳動比實現動力的傳遞，進而實現小車的牽引，完成吊具起升運動以及小車沿軌道運行的水平運動。然而，小車在吊運貨物時，總體的質心常處于較靠下的位置，加速度的傳遞路程較長，導致小車在桁架上的慣性難以預料。此外，由于人工操作需要一定的經驗，小車的減速運行與停靠的隨機性較大，整個過程并不完全理想。因此，當小車運行至極限位置，常會對起重機整體結構產生較大的碰撞。

為保護起重機整體結構的安全以及保證小車的可靠運行，緩沖防護裝置就顯得尤為重要。常見的小車緩沖防護裝置主要有緩沖器、小車制動器、限位開關等[4]。目前，緩沖器是最為常見且起重機加裝最頻繁的緩沖防護裝置，其安裝位置如圖2所示。起重機緩沖器是吸收起重機的運行動能，以減緩沖擊的彈性機構，很大程度上保證了起重機作業的安全，大大減少了危險發生的概率。目前較為常見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體緩沖器，此外，液壓、液氣緩沖器在實際中也有一定的應用。

圖2 小車主體結構

2 HAZOP分析過程

2.1 HAZOP簡介

HAZOP最早于1960年由英國某化工業公司提出，其初期目的是為減輕某種化學制劑在生產過程中的生產危害，是一種基于系統工程的、線性的、自上而下的安全評價技術[5]，目前，HAZOP的應用已脫離其原生領域，在機械工業廣泛應用。其通過分析工藝參數在生產過程中的變化和控制上產生的偏差，以及這些變化和偏差對系統的影響和可能的后果，來查找與初期設計目的的不符點，進而提高工作效率，并簡化工作流程。最終通過危險源辨識完成檢驗，并對于相應的后果提出應對措施。

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，根據核心資料進行下一步的具體風險分析并提出應對措施。PID是重中之重，PID圖應當用簡單的線條勾畫出設備功能組成，所有的傳感器和儀表均應以標準圖例和分類編號繪制。

2.2 小車HAZOP分析

對于小車緩沖防護裝置的節點劃分，主要可分為4部分，即小車主體、小車制動器、限位開關、緩沖器。圖3為小車的PID圖，根據小車的安全需要，小車常配備多個限位開關。其中吊具限速器開關用以限制吊具的最高運行速度。上升極限位置限位器開關用以限制吊具與起重機主體結構的最小距離，避免吊具在垂直運動過程中與起重機主體產生碰撞。下降極限位置限位器開關用以限制吊具與起重機主體結構的最大距離，避免吊具超出纏繞所允許的最大運動范圍。超載限制器開關用以限制吊具的最大抓取重量以避免超載的發生。其余的安全防護裝置還有緩沖器與制動器，緩沖器主要用以避免小車在水平運動時與起重機桁架邊緣的碰撞，制動器則用以小車的運動停止與減速。

圖3 小車PID圖

根據小車的PID圖將小車節點劃分為4部分，分別為小車主體、制動器、限位開關、緩沖器。對應的選擇失速、失效、失效、損壞作為引導詞。其中，小車主體失速的主要原因是限速開關損壞，其可能導致小車在高速下沖撞門式起重機。為防止意外，可增加限速開關以提高安全性。

制動器由于本身構造復雜，其失效原因往往較為多樣，根據各個構件的工作原理與載荷情況，其主要失效原因集中在系統壓力不合理、制動力矩過大、制動盤油污、制動材料材質差、彈簧疲勞失效、驅動電機不運轉、液壓缸失效、支架偏斜等。制動器的失效直接導致制動時間的失控、嚴重情況可造成事故或人員傷亡。可通過提高制動材料強度，定期抽檢制動盤磨損程度以及彈簧壽命，增加制動力檢測開關等方法降低失效風險。

限位開關失效的主要原因是采集處理設備故障、通信設備故障。其可能導致吊具沖撞小車進而造成起重機小車行走機構的損壞。可采取配備多個限位開關的方式降低總體失效風險。

緩沖器由于反復承受載荷，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。緩沖器為小車的運動提供了安全保障。因此緩沖器的損壞直接造成小車剛性碰撞門式起重機主體，導致鋼結構損壞。為防止小車的損壞，可采用配備超載檢測開關，限制吊裝重量、改進緩沖器橡膠性能等措施。

3 風險優化

風險優化的關鍵是根據節點引導詞產生的原因和后果，針對所辨識出的危險源進行優化。基于HAZOP分析法，可根據各節點失效原因歸納總結，進而找到制動器系統的失效模式并對其失效機理進行分析，根據設計準則建立對應失效模式的功能函數（極限狀態方程），對設計變量進行相關處理。最后再根據極限狀態方程建立數學模型，進而優化設計變量，提高各節點的可靠性，降低危險發生的可能。

緩沖器作為RTG緩沖防護裝置的重要組成部分，對于確保小車正常且安全運行起著至關重要的作用。因此，本文將根據設計準則建立一般緩沖器的功能安全函數，以此作為緩沖器優化的建模依據。

起重機的碰撞動能為

式中：m為碰撞質量，對運行機構緩沖器而言，碰撞質量包括起重機或小車的質量，吊重的質量則視起重機的構造而定，對剛性懸掛的吊具或有導向架以限制吊重擺動的起重機，要將吊重質量考慮在內，對柔性懸掛的吊具或吊重能自由擺動的起重機，不予考慮吊重質量；v為碰撞速度，對于無自動減速裝置或限位開關的運行機構，大車取85%額定運行速度，小車取額定速度，對于有自動減速裝置或限位開關者，按減速后的實際速度計算，但不小于50%的額定運行速度。因實際碰撞速度與每臺起重機在使用中運行制動器的制動力矩調整有關，故在設計計算時，可都按50%額定運行速度取值。

單個緩沖器所承載的動能為

式中：Ek為起重機碰撞動能，n為所需緩沖器數目。

驅動力做功為

式中：Fw為驅動力，S為緩沖行程。

單個緩沖器所受總能量為

單個緩沖器所受沖擊力為

最終，可根據單個緩沖器的極限狀態情況建立功能函數。

1）緩沖容量功能函數

2）緩沖行程功能函數

3）緩沖力功能函數

由于緩沖器功能函數較多，所以將3個功能函數統一處理，作為一個目標函數進行優化，按照其危險程度及其作用關鍵性分配權重為3:3:4，并對各個功能函數實行反正切歸一化，保證量綱的統一，故對緩沖器進行優化建模為

基于順序二次規劃(Sequential Quadratic Programming，SQP)進行非線性約束優化，取起始點為3個變量的約束中點，最終經過11次迭代可得到最優點為[28 000，2.185 5，100 000]，收斂曲線如圖4所示。

圖4 收斂曲線

4 結論

本文從RTG小車整體出發，按照其組成或功能進行區域劃分，并基于HAZOP分析，對RTG小車的緩沖防護裝置進行了危險源辨識，提出了潛在的風險。該方法有效地將風險分層、將問題細化，便于找出微小的安全隱患。最終結合危險源的失效原因提出了功能函數的建立方法，以緩沖器為例進行了參數優化，為RTG小車整體失效風險的降低提供了基本方法與理論依據。