劉關(guān)四 丁克勤 靳 慧 陳 力

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2. 東南大學(xué) 南京 211189）

冶金起重機(jī)作為冶金行業(yè)安全、正常生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，其工作的可靠性、安全性、先進(jìn)性一直受到人們的高度重視。冶金起重機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，絕大多數(shù)冶金起重機(jī)在高溫、高粉塵甚至含有害氣體的惡劣環(huán)境中工作。近10年來，冶金起重機(jī)事故連續(xù)發(fā)生，安全形勢十分嚴(yán)峻，在2006年～2011年間起重機(jī)事故共370起，其中冶金起重機(jī)事故128起，占事故總數(shù)的37.54%。2007年4月18日，遼寧省鐵嶺市發(fā)生的鋼水包傾覆致使32名工人死亡的特別重大事故，造成了惡劣的社會影響[1]。

冶金起重機(jī)失效樹分析分為定性分析和定量分析，失效樹定性分析是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的失效模式。定量分析是求出各單元（底事件)的結(jié)構(gòu)重要度，概率重要度和關(guān)鍵重要度，最后可根據(jù)關(guān)鍵重要度的大小排序確定最佳故障診斷和維修順序，同時也可作為首先改善相對不大可靠的底事件的數(shù)據(jù)。由于多方面的因素現(xiàn)場實際運行設(shè)備失效概率數(shù)據(jù)是很難獲得的，若底事件失效概率數(shù)據(jù)不能獲取就無法對失效樹進(jìn)行相關(guān)的定量計算，目前國內(nèi)外眾多學(xué)者已就解決此問題進(jìn)行了不同方法的探討研究。如南昌工程學(xué)院李松領(lǐng)等人利用故障樹分析和隸屬度函數(shù)建立水電機(jī)組的故障樹，并將計算得到的故障模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為故障概率進(jìn)而對水電機(jī)組故障樹進(jìn)行定量分析，為水電機(jī)組振動故障診斷提供支撐[2]。太原工業(yè)學(xué)院的李耀宙等人以液氨儲罐火災(zāi)爆炸為頂事件，運用故障樹（FTA)和層次分析法（AHP)分別對液氨儲罐的常見危險性因素進(jìn)行評價分析，將FTA危險性因素分為四類，分別計算其結(jié)構(gòu)重要度，再利用AHP中指標(biāo)層權(quán)重對FTA分析結(jié)果進(jìn)行對比驗證，為液氨儲罐在實際運行中提供參考[3]。山東工商學(xué)院的賈曉珊等人使用事故樹分析法對高處墜落事故的原因進(jìn)行了分析，利用層次分析法對引起事故原因進(jìn)行分析并找到主要原因，從而有針對性地采取相關(guān)措施對高處墜落事故進(jìn)行管理、控制及預(yù)防[4]。這些方法都沒有解決FTA中底事件失效概率的問題。

1 冶金起重機(jī)失效模式分析及失效樹建立

1.1 冶金起重機(jī)失效模式分析

起重機(jī)按照其結(jié)構(gòu)層次劃分可分為金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件等四大部分。金屬結(jié)構(gòu)常見的失效模式包括強(qiáng)度不足、下?lián)线^大、裂紋、局部失穩(wěn)、和磨損等；機(jī)構(gòu)常見的失效模式包括裂紋、強(qiáng)度不足、磨損，制動器合不攏、制動器制動力不足、制動器制動位移過大、減速機(jī)斷齒、減速機(jī)斷軸等；電控系統(tǒng)常見失效模式包括短路、斷路、絕緣下降、斷軸、起升限位失效和超速限位失效等；關(guān)鍵零部件常見失效模式包括裂紋、強(qiáng)度不足、磨損、斷絲、斷股和脫鉤等。冶金起重機(jī)失效模式如表1所示。

表1 失效模式一覽表

1.2 冶金起重機(jī)失效樹建立

失效樹是系統(tǒng)頂事件，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的中間事件和導(dǎo)致中間事件發(fā)生的底事件以“與”、“或”的邏輯關(guān)系以樹形結(jié)構(gòu)方式表示的圖形結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)致冶金起重機(jī)吊物墜落頂事件發(fā)生的中間事件包括結(jié)構(gòu)失效、機(jī)構(gòu)失效、電控系統(tǒng)失效和關(guān)鍵零部件失效等，因此可根據(jù)導(dǎo)致該事件發(fā)生的原因依次自上而下直至底層失效不能再細(xì)分，逐層建立起冶金起重機(jī)吊物墜落失效樹。失效樹的結(jié)構(gòu)層次如圖1關(guān)鍵零部件失效樹～圖4機(jī)構(gòu)失效樹所示。

2 基于AHP的底事件概率計算研究

2.1 建立模糊層次評估模型

在冶金起重機(jī)吊物墜落失效樹分析的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生的結(jié)構(gòu)失效、機(jī)構(gòu)失效、關(guān)鍵部件失效和機(jī)構(gòu)失效的底事件進(jìn)一步歸類，從而建立18個底事件的模糊層次評估模型。起重機(jī)層次評估模型如圖5起重機(jī)層次評估模型所示。

圖1 關(guān)鍵零部件失效樹

圖2 結(jié)構(gòu)失效樹

圖3 電控系統(tǒng)失效樹

圖4 機(jī)構(gòu)失效樹

根據(jù)引起吊物墜落底事件的分類，將導(dǎo)致同一類中間事件發(fā)生的底事件組成一個評價集，因此根據(jù)圖5可分別構(gòu)造四個評價集。

圖5 起重機(jī)層次評估模型

2.2 建立各層次的判斷矩陣

根據(jù)評價集各指標(biāo)的相對重要性，對每一層次中的各因素給出相對重要度的判斷矩陣，即兩兩對比判斷矩陣。這些兩兩判斷采用“1～9”區(qū)間標(biāo)度，主對角線元素規(guī)定為 1，即aij=1（i=1，2，3，...，n)。兩兩判斷矩陣應(yīng)具有以下特性：aij=1/aji（i≠j)。

λ值的標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)λ＜0.1時，即要求專家判斷的一致性與隨機(jī)判斷的一致性之比小于0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；反之，當(dāng)λ＞0.1時，應(yīng)該對原判斷矩陣作適當(dāng)修正，然后對新的判斷矩陣重新計算一致性，直到得到一個具有滿意一致性的判斷矩陣為止[5]。

2.3 基于AHP的模糊失效率計算

在單級模糊綜合評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行多級模糊綜合評價，逐級獲取各層評價因素的權(quán)重矩陣和最終評價因子的隸屬度矩陣，進(jìn)而對起重機(jī)按照所建立的評估指標(biāo)體系進(jìn)行模糊綜合評估，最終得到各底事件的模糊失效率。

因此，各級底事件的綜合權(quán)重即模糊失效率見表2底事件模糊失效率一覽表所示。

表2 底事件模糊失效率一覽表

3 基于模糊失效率的起重機(jī)FTA定量分析

3.1 底事件結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度表示的是在故障樹結(jié)構(gòu)方面對各底事件在系統(tǒng)中的重要度[6]，其定義為：

式中：

φ（x)——失效樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)；

∑——對x1，x2，…，xi-1，xi+1，…，xn取0或1的多有可能進(jìn)行的求和，i=1，2，3，…，n。

通過計算可以得到各底事件的結(jié)構(gòu)重要度排序：

由上述結(jié)果可知底事件X11，X4，X3對頂事件的影響較大，其次是X2，X18，X17等，對頂事件影響最小的是X12，X13。當(dāng)冶金起重機(jī)發(fā)生吊物墜落故障時，可根據(jù)失效樹中底事件結(jié)構(gòu)重要度的大小順序逐步排查原因。

3.2 底事件概率重要度

概率重要度表示設(shè)備中某組成元件故障發(fā)生概率的變化對頂事件故障發(fā)生概率的影響程度[7]。概率重要度定義為：

式中：

表3 底事件概率重要度一覽表

通過表3計算可以得到各底事件的概率重要度排序：

由上述結(jié)果可知底事件概率重要度排序依次為X11、X4、X3、X7、X8、X6、X2、X10、X15、X14、X16、X17、X18、X1、X5、X9、X12、X13。因此，當(dāng)冶金起重機(jī)發(fā)生吊物墜落故障時，從底事件發(fā)生概率層面考慮應(yīng)按照重要度排序依次進(jìn)行故障排查。

3.3 底事件關(guān)鍵重要度

關(guān)鍵重要度是底事件的故障概率的變化率與它引起的頂事件發(fā)生概率的變化率的比值。

式中：

P（T)——頂事件發(fā)生的概率；

P（Xi)——底事件Xi發(fā)生的概率；

IP（i)——第i個底事件的概率重要度[8]。

表4 底事件關(guān)鍵重要度一覽表

通過表4計算可以得到各底事件的關(guān)鍵重要度排序：

由上述結(jié)果可知，綜合考慮底事件的結(jié)構(gòu)重要度和概率重要度兩個發(fā)面。底事件關(guān)鍵重要度排序依次為X11、X17、X18、X15、X10、X4、X3、X7、X16、X1、X5、X2、X8、X6、X9、X12、X14、X13。因此，當(dāng)冶金起重機(jī)發(fā)生吊物墜落故障時，綜合考慮應(yīng)按照上述排序依次進(jìn)行故障排查。

4 結(jié)論

本文采用FTA和AHP相結(jié)合的分析方法，將導(dǎo)致冶金起重機(jī)吊物墜落事故的18個關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，構(gòu)建冶金起重機(jī)失效樹，并進(jìn)一步對失效樹底事件進(jìn)行分類，繼而采用AHP獲得各底事件的權(quán)重，同時等效為各底事件發(fā)生的模糊失效率對失效樹進(jìn)行定量分析。通過失效樹結(jié)構(gòu)重要度分析、概率重要度分析和關(guān)鍵重要度分析可以看出，導(dǎo)致冶金起重機(jī)吊物墜落的主要因素依次為脫鉤、起升限位失效、超速限位失效、斷路、斷軸、局部失穩(wěn)、下?lián)线^大和制動力不足等因素。

在日常維護(hù)管理過程中應(yīng)該針對典型失效部位及原因加強(qiáng)管理，如加強(qiáng)對吊鉤的日常檢查，防止脫鉤；定期對起升限位開關(guān)、超速限位開關(guān)進(jìn)行性能測試確保限位能夠正常工作；加強(qiáng)對電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器和制動器等關(guān)鍵部件的巡檢，將其納入到日常巡檢工作范圍中；加強(qiáng)對鋼結(jié)構(gòu)局部變形、上拱度、下?lián)隙燃傲鸭y缺陷的檢查必要時可采用相應(yīng)的監(jiān)測手段對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。