《武汉工程大学学报》 2013年06期
62-66
出版日期：2013-06-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
事故树分析法在港机故障检测中的应用
0引言随着加入世贸组织的不断深入化，我国逐渐成为进出口贸易大国.据网上资料显示，2012年前8个月，我国进口贸易额达13 091亿美元，出口11 885亿美元\[1\].港口机械在日益壮大的对外贸易中所起的作用越来越重要.然而港口机械中，门座式起重机所占的比重在一半以上，因此，港口门座式起重机的安全正常运行是我国对外贸易顺利进行的关键所在.但如今，经常听到有关门座式起重机发生事故的报道，这些事故的发生，给国家带来巨大的损失.港口门座式起重机这种结构复杂，体积庞大的装载机械由于工作环境恶劣，各个部件都有可能存在潜在隐患.因此，对港口门座式起重机进行系统的危险源辨识，在事故发生前采取预防措施，做到防患于未然是十分必要的.事故树分析（accident tree analysis ,简称ATA)法起源于故障树分析法（简称FTA），是一种演绎的安全系统分析方法，是以人们对从结果推断可能原因的思维方法为基础而发展起来的分析方法，只抓住一个特殊的事故进行原因分析，而不论这一事故是否真正发生，通过一整套科学有效的方法找出对事故发生起作用的基本原因（基本事件），即可实现对引发事故的各种基本原因进行分析.它能够直观的分析出危险性所在，逻辑性很强，可以做定性分析、定量分析\[2\].1门座式起重机事故树的建立结合门座式起重机的工作环境以及事故案例\[34\]，以“门座式起重机事故”作为顶上事件，二级中间事件以“倒塌”和“货物坠落”为主，按照事故树建立的方法\[5\]，经过逐层寻找上层事件的原因，层层深入，直到不能再分（底事件）.根据这两种主要事故模式，共找出导致顶上事件发生的原因包括120个中间事件和186个底事件.最后把这些中间事件和底事件用逻辑符号连接起来即建立起了门座式起重机的事故树，如图1所示.并列出了部分中间事件及底事件（由于中间事件和底图1门座式起重机事故事故树Fig.1Accident tree of gantry crane accident事件比较多，这里只列出了部分中间事件和一阶割集的所有底事件）的符号以及所代表的含义，如表1所示.表1事故树事件代号及事件说明Table 1Explain event of gantry crane accident代号事件说明代号事件说明代号事件说明M1倒塌X59自重不合格X158照明电路故障M2货物坠落X65制动过程振动太大X159电磁铁电源线进端口不正确M3防风装置失效X66冲撞其他物体X160切断电源电磁铁断电（应不断电）M4操作问题X67吊物重心不稳X161无备用电源M5自然灾害X70质量缺陷X162控制器不动作M6啃道X71强度不够X163轴变形M7金属结构失效X72捆绑不牢X164轴断裂M8吊钩问题X73挂钩方法错误X167温度过高M9钢丝绳问题X74无防脱钩装置X168硬物进入摩擦面M10折臂X83吊钩表面裂纹X170制动轮与制动片接触问题X1洪灾X84吊钩螺纹处因应力集中产生的裂纹X171制动器推动器故障X2地震X88扭转变形超过10%X172超速器保护装置故障X25无超速保护装置X89危险面和吊钩颈部产生塑性变形X173起升、下降限位器故障X26超速保护装置失灵X90吊钩锈蚀X174行走驱动轮直径有差别X31存有侥幸心理X117起动、制动过猛X175行走轮之间距离不相等X34起升高度限位器失效X126压板个数不够X176车轮的水平偏斜过大X43平衡系统不达标X127压板上螺钉松动X177车轮有垂直偏斜X44尾重过重X128无防脱绳装置X178驱动不同步造成门机跑偏X45尾重过轻X133横隔板变形X179行走轮内圆锥滚子轴承损坏或轴承间隙过大X49长期满载荷工作X137腹板撕裂X180轮距误差太大X51铰接处脱落X138翼板失稳X181轮道顶部高低偏差太大X52焊缝开裂X139受力复杂导致折断X182坡度太大X53结构不合理X150系统压力不足X183轨道纵向直线度超过允许误差X54大拉杆断裂X153控制柜故障X184轨道接头高低误差过大X55象鼻梁断裂X154电阻器问题X185转盘开裂X56主臂梁断裂X155照明装置问题X186润滑不良X57交变应力导致裂纹扩展X156馈电装置故障X58铰点安装不合理X157电路保护装置故障2事故树的定性分析定性分析是事故树的核心内容，其目的是分析该类型事故的发生规律及特点，经过专家讨论分析找出控制事故的可行方案.其主要内容包括：求解事故树的最小割集、基本事件的结构重要度以及制定预防事故的措施\[6\].最小割集就是导致顶事件发生所必须的、最低限度的基本事件的集合.求解出最小割集是为了掌握事故发生的各种可能性，了解系统危险性，为事故预防和调查分析提供理论依据.由最小割集的定义知，每个最小割集就是顶事件发生的一种可能.因此，事故树中有多少个最小割集，顶上事件的发生就有多少种可能，最小割集越多，顶事件发生的可能性就越多，系统就越危险\[7\].结构重要度分析是从事故树入手分析各底事件的重要程度，它是在不考虑（或者认为各底事件发生概率相同）底事件发生概率的前提下分析底事件的发生对顶事件发生的影响程度.第6期舒安庆，等：事故树分析法在港机故障检测中的应用武汉工程大学学报第35卷2.1求最小割集对事故树进行定性分析首先需要对事故树进行简化，运用布尔代数法化简后得到事故树的代数表达式：T=M4+M5+M6+M7+M8+M9+M10+M11由于此事故树的底事件比较多，通过人工计算得到最小割集和各底事件的结构重要度的计算量十分大，因此，运用本实验室自己编写的进行事故树定性分析的简易软件进行分析.运用此软件只需将事故树的代数表达式及底事件以文本文档的形式导入即可完成大量的计算工作.软件界面如图2所示.图2最小割集计算软件Fig.2Software to calculate minimum set由图2可知，门座式起重机事故树共有199个最小割集，其中，一阶割集（只包含一个底事件的割集）72个，占总数的36.18%，二阶割集（包含两个底事件的割集）63个，占总数的31.66%，三阶割集（包含三个底事件的割集）55个，占总数的27.64%，四阶割集（包含四个底事件的割集）4个，占总数的2.01%，五阶割集（包含五个底事件的割集）0个，占总数的0.00%，六阶割集（包含六个底事件的割集）2个，占总数的1.01%，七阶割集（包含七个底事件的割集）3个，占总数的1.51%.因为每一个割集就是顶上事件发生的一种可能性，所以本事故树顶上事件发生的可能性共有174种.而且，最小割集的阶数越低，就越容易导致顶上事件发生.因此，事故树中的72个一阶割集为本事故树的薄弱环节，应当引起管理人员的重视.2.2一阶割集中底事件的结构重要度通过求最小割集，找出了事故树的72个最容易导致顶上事件发生的重大危险源（即一阶割集），计算它们的结构重要度，并对一阶割集进行结构重要度排序，能够看出这些重大危险源里面对系统可靠性影响的大小，以便维修保养人员更加注意这些环节.结构重要度的计算方法是将每个最小割集赋值1，然后平均分配给该最小割集里的每个底事件，最后累加起来得到每个底事件的结构重要度.本事故树一阶割集的结构重要度如表2所示.表2一阶割集结构重要度Table 2Structure importance of the first cut set代号结构重要度代号结构重要度代号结构重要度代号结构重要度X11.000X591.000X1331.000X1681.000X21.000X651.000X1371.000X1701.000X251.000X661.000X1381.000X1711.000X261.000X671.000X1391.000X1721.000X311.500X701.000X1501.000X1731.000X341.000X711.000X1531.000X1741.000X431.000X721.000X1541.000X1751.000X441.000X731.500X1551.000X1761.000X451.000X741.000X1561.000X1771.000X496.083X831.000X1571.000X1781.000X511.000X841.000X1581.000X1791.000X523.500X881.000X1591.000X1801.000X532.000X891.000X1601.000X1811.000X541.000X901.000X1611.000X1821.000X551.000X1171.500X1621.000X1831.000X561.000X1261.000X1631.000X1841.000X571.500X1271.000X1641.000X1851.000X581.000X1281.000X1671.000X1861.000按上述方法计算出每个一阶割集的结构重要度的数值如表2所示，并对重大危险源排序如下：X49>X52>X53>X73=X57=X31=X117>X90=X89=X88=X84=X83=X74=X72=X71=X70=X67=X66=X65=X59=X58=X56=X55=X54=X51=X45=X44=X43=X34=X26=X25=X26=X186=X185=X184=X183=X182=X181=X180=X179=X178=X177=X176=X175=X174=X173=X172=X171=X170=X168=X167=X164=X163=X162=X161=X160=X159=X158=X157=X156=X155=X154=X153=X150=X139=X138=X137=X133=X128=X127=X126=X1由定义可知，一阶割集是最容易导致顶上事件发生的基本事件，为重大危险源，而在这些重大危险源中，结构重要度值越高的，对顶上事件的影响就越大.所以，在预防类似事故发生时，就应该把这些事件作为重点防范对象.2.3事故树定性分析结论与对策从一阶割集可知，门座式起重机的72个危险源涉及到门座式起重机的设计、制造、安装、维护保养及操作等环节.其中，设计、安装及维护保养方面的原因占了很大的比重.而在以上几个方面中，X49、X52、X53、X73、X57、X31、X117这7个基本事件的结构重要度值较大，为本事故树的主要重大危险源，应该特别引起门机制造使用方的注意.针对以上重大危险源，为使门座式起重机的长期安全正常运行给出以下几个方面的措施：1）在有设计制造资质的前提下，严格按照门座式起重机的国家设计标准设计制造.保证各种受力部件的结构合理.2）选材要合格，尽量避免材料的原始缺陷.如避免材料有初始裂纹或者初始挠度等.3）安装的各个环节一定要符合安装要求，确保在误差范围内精确安装.4）聘请有操作资历且经验丰富的操作人员操作.合理调运，不超载、不超速，正确吊运.5）定期检查起重机的各种电气制动装置以及报警系统，对于失效的装置及时给予更换.6）严格按照起重机的检验时间、检验项目进行检验，不拖检、不漏检，检验不合格的及时处理.并做好运行期间的维护保养工作.对于焊缝处要严格检查，存在裂纹的地方要及时维修或更换，以免交变应力导致裂纹扩展.3结语通过对门座式起重机可能发生的事故建立事故树，求出该事故树的199个最小割集，其中最容易导致顶上事件发生的一阶割集72个，计算出其结构重要度并排序，最终确定了导致门座式起重机常见事故“倒塌”和“货物坠落”的重大危险源并提出相应的预防及改进措施，为预防和避免门座式起重机此类事故发生提供了有力依据.从而保证其安全正常运行.致谢感谢中国特种设备检测研究院提供的项目支持.