起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)防性檢修方案分析

李紅昌，慕生勇

(西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院, 陜西 西安 710065)

起重機(jī)通過(guò)吊臂進(jìn)行重物的上升、下降或者移動(dòng)，屬于間歇性、重復(fù)性機(jī)械設(shè)備。由于起重機(jī)涉及生命和施工安全，屬于危險(xiǎn)性高的機(jī)電設(shè)備，我國(guó)將其納入特種設(shè)備范圍(注：《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例(國(guó)務(wù)院第373條令)》)，并進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)督和管理[1]。起重機(jī)監(jiān)察周期固定，如果不同企業(yè)未進(jìn)行不同設(shè)備的差異化管理，一方面可能導(dǎo)致部分設(shè)備檢修過(guò)度,另一方面也可能產(chǎn)生檢修滯后,即檢修時(shí)設(shè)備已經(jīng)存在較高風(fēng)險(xiǎn)。檢修結(jié)果模糊分析方法僅進(jìn)行“合格”與“不合格”評(píng)價(jià)，缺少零件失效定量分析。本文針對(duì)上述情況，分析起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防性檢修問(wèn)題，并提出相應(yīng)的應(yīng)用方案。

1 起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防性評(píng)估

起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是判斷機(jī)械是否可靠的重要方法，其過(guò)程屬于基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)(risk based inspection,RBI)，即通過(guò)對(duì)各零件失效模式的定量和定性分析，驗(yàn)證起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性和可行性。

1.1 定性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防性評(píng)估方法

起重機(jī)械零件眾多，為了減少風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工作量，需要在前期進(jìn)行簡(jiǎn)單、有效的定性分析。定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以推斷和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，按照高、較高、中和低的等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。

依據(jù)國(guó)內(nèi)起重機(jī)械行業(yè)的情況，考慮上述評(píng)估因素影響，制定失效可能性的定性評(píng)估方法。起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系數(shù)為4個(gè)，即故障系數(shù)(DF)、檢測(cè)系數(shù)(IF)、條件系數(shù)(CCF)和工藝系數(shù)(PF)[2]。

1.1.1故障系數(shù)

故障系數(shù)是對(duì)故障的識(shí)別系數(shù)，其值代表機(jī)械損壞程度。機(jī)械損壞程度用DF表示，其分為故障是否發(fā)生(DF1)、發(fā)生頻率(DF2)和故障發(fā)生率(DF3)，計(jì)算公式為：DF=DF1+DF2+DF3。故障是否發(fā)生(DF1)又分為量化和非量化故障，非量化故障的DF1值為0或10，量化故障的DF1值為0,5和10；發(fā)生頻率(DF2)和故障發(fā)生率(DF3)賦值0，2和5，程度越高其賦值越大。

1.1.2檢測(cè)系數(shù)

檢測(cè)系數(shù)是檢測(cè)情況的表示值，代表故障檢測(cè)的有效性。故障檢測(cè)情況可以用IF表示，其包括故障原因有效性(IF1)、歷史檢測(cè)情況(IF2)、檢測(cè)綜合程度(IF3)，其計(jì)算公式為：IF=IF1+IF2+IF3。IF1、IF2和IF3賦值均為-5,-2和0，數(shù)值越大檢測(cè)情況越好。

1.1.3條件系數(shù)

條件系數(shù)表示起重機(jī)械的保養(yǎng)程度，用CCF表示。CCF分為保養(yǎng)合理性(CCF1)、零件質(zhì)量?jī)?yōu)劣(CCF2)、保養(yǎng)有效性(CCF3)，計(jì)算公式為CCF=CCF1+CCF2+CCF3。CCF1、CCF2、CCF3賦值均為0，1和3，數(shù)值越大檢測(cè)情況越好[3]。

1.1.4工藝系數(shù)

工藝系數(shù)是零件運(yùn)行過(guò)程中，非預(yù)期性故障的發(fā)生頻率，用PF表示。PF包括中斷發(fā)生頻率(PF1)和穩(wěn)定性(PF2)，其計(jì)算公式為PF=PF1+PF2。PF1,PF2賦值為0，2和5，數(shù)值越大工藝越好。

可能系數(shù)D是上述4個(gè)系數(shù)的總和，表達(dá)式為：

(1)

通過(guò)對(duì)失效可能性的計(jì)算，依據(jù)表1的數(shù)值確定相應(yīng)的等級(jí)[4]。

表1 失效可能性的等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在對(duì)起重機(jī)械零件失效可能性和失效后果進(jìn)行初步判斷后，應(yīng)該采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行評(píng)價(jià)，其模式如圖1所示。風(fēng)險(xiǎn)矩陣橫坐標(biāo)是失效后果，縱坐標(biāo)是失效可能性，依據(jù)上述分析標(biāo)準(zhǔn)，確定零件橫縱坐標(biāo)，進(jìn)行定性風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果評(píng)估，明確其等級(jí)，即高、中高、中和低，0～0.2代表低，0.2～0.4代表中，0.4～0.6代表中高，0.6～0.8代表高。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣示意圖

1.2 定量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防性評(píng)估方法

起重機(jī)械定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以后，還需要進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.2.1失效概率計(jì)算

起重機(jī)械失效概率計(jì)算公式為：

F=FG×FE×FM

(2)

式中：F為實(shí)際失效概率；FG為通用失效概率；FE為修正系數(shù)；FM為評(píng)價(jià)系數(shù)。

零部件通用失效概率的理論值無(wú)法準(zhǔn)確獲得，可以從石化行業(yè)內(nèi)比較系統(tǒng)的RBI失效數(shù)據(jù)庫(kù)中起重機(jī)械年故障數(shù)量與預(yù)期故障數(shù)量的比值獲得，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，要對(duì)失效概率進(jìn)行修正。在借鑒RBI技術(shù)框架的基礎(chǔ)上，提出零件實(shí)際失效概率的修正計(jì)算公式[5]：

F=FG×FE×FM×FL

(3)

式(3)在式(2)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加缺陷修正系數(shù)FL來(lái)提高實(shí)際失效概率的準(zhǔn)確性。

1.2.2修正系數(shù)計(jì)算

起重機(jī)械修正系數(shù)通過(guò)層次分析法、灰色綜合評(píng)價(jià)法獲得：首先確定各層次系數(shù)，然后進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和結(jié)果分析，最后利用灰色綜合評(píng)價(jià)法獲得修正系數(shù)。

表2 起重機(jī)械修正系數(shù)層次模型

修正系數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定等級(jí)依據(jù)專(zhuān)業(yè)評(píng)估人員對(duì)表2中細(xì)則層11個(gè)系數(shù)進(jìn)行打分后計(jì)算獲得，其評(píng)價(jià)樣本矩陣[6]為：

式中：dijk為樣本矩陣D的元素，就是第j個(gè)專(zhuān)家的評(píng)價(jià)結(jié)果；p為專(zhuān)家人數(shù)。依據(jù)灰色綜合評(píng)價(jià)法，建立白化權(quán)函數(shù)，內(nèi)容如下：

第一灰類(lèi)“低”(e=1)，設(shè)定灰數(shù)?1=[9,∞]，其白化權(quán)函數(shù)為：

第二灰類(lèi)“中”、第三灰類(lèi)“中高”、第四灰類(lèi)“高”白化權(quán)函數(shù)計(jì)算略過(guò)。

得出起重機(jī)械修正系數(shù)的各權(quán)重后，結(jié)合灰色綜合評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行白化值、權(quán)向量和權(quán)矩陣計(jì)算，最后得出修正系數(shù)。對(duì)于三級(jí)系數(shù)Aij，其中第e個(gè)評(píng)價(jià)灰類(lèi)的白化值為xije。

三級(jí)系數(shù)Aij的綜合白化值xij為：

三級(jí)系數(shù)Aij的權(quán)向量rij為：

二級(jí)系數(shù)的灰色矩陣Ri權(quán)向量為：

Ri=[ri1ri2…rin]T

依據(jù)損傷系數(shù)A1、通用系數(shù)A2、機(jī)械系數(shù)A3和其他系數(shù)A4，計(jì)算修正系數(shù)A的權(quán)向量Ri和矩陣R。權(quán)向量和矩陣的計(jì)算公式為ri=ω*·Ri，其中i=1，2，3，4；權(quán)矩陣R的計(jì)算公式為R=[r1r2r3r4]T。最后得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果M，其公式為M=ω*·R。起重機(jī)零件修正系數(shù)FE的計(jì)算公式為FE=M·V，其中V=[9 7 5 3 1]T。

1.2.3評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)評(píng)價(jià)系數(shù)關(guān)系到起重機(jī)械所有零件的風(fēng)險(xiǎn)排序，以及不同單位起重機(jī)械的比較風(fēng)險(xiǎn)值。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行規(guī)范化處理，即將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)換為評(píng)估系數(shù)的推薦比例。推薦比例是起重機(jī)械單位管理水平與行業(yè)評(píng)估管理水平的比值，其中行業(yè)管理水平以百分?jǐn)?shù)表示，50%表示中等，100%表示高。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果M與系統(tǒng)評(píng)價(jià)系數(shù)P的對(duì)應(yīng)關(guān)系的公式為：P×M=101-2x，0

1.2.4超標(biāo)缺陷系數(shù)

2 實(shí)例計(jì)算

本文以某公司現(xiàn)役橋式起重機(jī)的主牽引繩為例，設(shè)定其失效模式為斷絲，失效原因?yàn)閺澢⑵诶?，?jì)算起重機(jī)械定量風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值。

2.1 失效概率計(jì)算

鋼絲繩使用時(shí)間為600h，通過(guò)失效概率計(jì)算可知，F(xiàn)G=0.017 1。

2.1.1各級(jí)次系數(shù)權(quán)重

通過(guò)各級(jí)次系數(shù)的兩兩比較，依據(jù)權(quán)重評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)Aij進(jìn)行賦值，得出的結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 權(quán)重評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1.2起重設(shè)備修正系數(shù)

對(duì)各級(jí)次系數(shù)進(jìn)行分析，得出評(píng)價(jià)權(quán)矩陣D=[6.4,5,7,1,5,6.5,2.4,9,4.4,2.4]T。然后計(jì)算三級(jí)次系數(shù)的權(quán)重矩陣，以及二級(jí)次系數(shù)的權(quán)向矩陣，即r1=[0.232 1 0.398 6 0.366 7 0.102 5 0]，r2=[0.274 2 0.352 4 0.224 1 0.037 2 0.111 8]，r3=[0.253 2 0.325 6 0.255 6 0.126 7 0.033 2]，r4=[0.468 0 0.354 5 0.133 2 0.029 4 0.002 6]。由此可知，起重設(shè)備的修正系數(shù)A的灰色權(quán)重矩陣R為：

起重機(jī)械修正系數(shù)FE=M·V=6.387 1。

2.1.3失效概率計(jì)算

管理評(píng)價(jià)系數(shù)FM=5，鋼絲失效狀態(tài)下超標(biāo)缺陷系數(shù)FL=1，則失效概率值F=0.071 1×6.397 1×1×5=0.550 1。依據(jù)從石化行業(yè)內(nèi)比較系統(tǒng)的RBI失效數(shù)據(jù)庫(kù)中起重機(jī)械年故障數(shù)量與預(yù)期故障數(shù)量的比值獲得FG=0.071 1。

2.2 失效后果

通過(guò)收集某公司的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，計(jì)算人員傷亡費(fèi)CH、經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)CP和環(huán)節(jié)保護(hù)費(fèi)CE，分別為：

CH=30×0.009 2×20=5.5(萬(wàn)元)

CP=0.2×20+0.2+1×0.4=4.6(萬(wàn)元)

CE=0.05×200+2+0.2=12.2(萬(wàn)元)

由此可得總失效后果：

C=5.5+4.6+12.2=22.3(萬(wàn)元)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值計(jì)算

由上述計(jì)算可知，失效概率為0.550 1，失效后果為22.3萬(wàn)元，則鋼絲繩定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為

O=F·C=0.550 1×22.3=12.27(萬(wàn)元)

由此可知，該起重機(jī)械整體價(jià)格為25萬(wàn)元，通過(guò)定量風(fēng)險(xiǎn)矩陣(圖1)分析可知其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防性檢修方案，不僅為起重機(jī)械檢修提供了預(yù)防性解決方法，還為起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了理論支持。預(yù)防性檢修方案具有定性和定量?jī)?yōu)勢(shì)，能縮小檢修范圍，降低風(fēng)險(xiǎn)概率，加強(qiáng)事后、定期、視情和狀態(tài)環(huán)節(jié)的聯(lián)系。預(yù)防性檢修方案對(duì)RBI數(shù)據(jù)庫(kù)提供了方案補(bǔ)充，擴(kuò)大了貝葉斯應(yīng)用范圍，能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)起重機(jī)械風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)概率，指導(dǎo)起重機(jī)械維修實(shí)踐。但是，本文以較為簡(jiǎn)單的案例驗(yàn)證檢修方案的可行性，要真正在實(shí)踐中體現(xiàn)其價(jià)值，還需要進(jìn)行深層次的模型完善和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，更大范圍地對(duì)檢修方案設(shè)計(jì)進(jìn)行映射。

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