基于模糊數(shù)學方法的門式起重機風險評估研究

應法明 陳勇鑫 孫亞良 滕欣定

(紹興市特種設備檢測院 紹興 312071)

基于模糊數(shù)學方法的門式起重機風險評估研究

應法明 陳勇鑫 孫亞良 滕欣定

(紹興市特種設備檢測院 紹興 312071)

本文采用模糊數(shù)學方法對門式起重機潛在風險因素(腐蝕、裂紋、強度及變形)導致的金屬結(jié)構(gòu)破壞進行風險評估。從主梁和支腿兩個角度出發(fā)，建立了不同金屬結(jié)構(gòu)風險影響因素為子系統(tǒng)的多層次評判系統(tǒng)。該方法方便了門式起重機的綜合安全風險評估，為提高其安全性能提供了方向。

門式起重機 模糊數(shù)學 專家系統(tǒng) 風險評估

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模的擴大以及自動化程度的提高，門式起重機在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中的作用越來越大，如已經(jīng)被應用于港口碼頭、鐵路車站和工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域。同時該類起重機的事故也頻頻發(fā)生，如何降低風險，保障人們安全生產(chǎn)，顯得尤為重要。

近年來，人們已將風險分析應用于船舶與海洋工程、航天工程、環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域[1-3]，而起重機的風險評估，研究尚少。

圖1 門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)

本文采用模糊數(shù)學方法對門式起重機金屬結(jié)構(gòu)進行風險評估，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在風險評估系統(tǒng)中，結(jié)合該類起重機風險因素的特點，建立了不同金屬結(jié)構(gòu)風險影響因素為子系統(tǒng)的評判體系，從門式起重機的主梁和支腿兩個角度出發(fā)：(1)對于主梁而言，分別討論腐蝕、裂紋、強度及變形對主梁上翼緣板、下翼緣板、腹板及隔板的影響；(2) 對于支腿而言，分別討論腐蝕、裂紋對支腿外蓋板和腹板的影響，由于支腿的強度和變形對其影響較小，在本文中暫不考慮。研究表明：將模糊綜合評判法應用于門式起重機金屬結(jié)構(gòu)的風險評估中，可以定量地反映出整體金屬結(jié)構(gòu)風險程度；借助工況最不利點的概念，通過分析得出應力非常集中、裂紋最容易出現(xiàn)的部位。

1 起重機金屬結(jié)構(gòu)風險評估系統(tǒng)

1.1 起重機的風險影響因素分析

影響起重機結(jié)構(gòu)風險的因素主要有以下四個方面：

1)腐蝕影響因素。起重機長期工作在戶外環(huán)境中，由于發(fā)生化學和電化學作用而引起的破壞，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

2)裂紋影響因素。隨著使用年限的不斷增加，起重機的金屬結(jié)構(gòu)會在載荷作用下會產(chǎn)生疲勞裂紋。

3)強度影響因素。在工程使用中，必須保證在起重機上施加的應力小于其規(guī)定的載荷強度，否則會出現(xiàn)構(gòu)件的損壞現(xiàn)象。

4)變形影響因素。起重機工作時，主梁應該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。

1.2 模糊控制的數(shù)學原理

模糊數(shù)學是用精確的數(shù)學方法處理無法用數(shù)字來描述的模糊概念或事物。具體地說，模糊綜合評價就是以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)，應用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬等級狀況進行綜合性評價的一種方法，其步驟如下：

1)確定評價對象的因素領(lǐng)域。

有m個評價指標，表明對被評價對象從哪些方面來進行評判描述。

2)確定評語等級論域。

評語集是評價者對被評價對象可能做出的各種總的評價結(jié)果組成的集合V：

3)多因素模糊評價。

利用合適的合成算子將矩陣A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各評價對象的模糊綜合評價結(jié)果向量B。R中不同的行反映了某個被評價對象從不同的單因素來看對各等級模糊子集的隸屬程度。用模糊權(quán)向量A將不同的行進行綜合，就可以得到U。該被評價對象從總體上來看是對各等級模糊子集的隸屬程度，即模糊綜合評價結(jié)果向量B。

模糊綜合評價的模型為：

其中bj(j=1,2,…n)是由矩陣A與R的第J列運算得到的，表示被評級對象從整體上看對V等級模糊子集的隸屬程度。

1.3 計算風險度W

假定風險概率評判等級(q1,q2,…qm)評判語句、風險影響等級(g1,g2,…gm)評判語句的權(quán)重系數(shù)分別為Q={q1,q2,…qm}、G={g1,g2,…gm}，則風險事件發(fā)生的概率、風險事件影響的概率分別表示為:

式中：

RP——風險發(fā)生概率隸屬度矩陣；RC——風險影響隸屬度矩陣；根據(jù)式(4)可以得到風險度W:

1.4 風險等級劃分

在起重機金屬結(jié)構(gòu)相應因素風險值得到后，應對風險水平作出定性判斷，即給出起重機金屬結(jié)構(gòu)風險等級,從而定性判斷其相應因素的風險程度。常用的風險等級劃分為5個等級：較低級(0～0.2)、低級(0.2～0.4)、較高級(0.4～0.6)、高級(0.6～0.8)和很高級(0.8～1.0)。

2 門式起重機風險評估系統(tǒng)的典型應用

2.1 研究對象選取

本文選取通用門式起重機械，型號為MDG20/5-32，使用壽命為8年，制造單位為紹興麒龍起重機械有限公司。組織筆者單位10名起重機專家對該臺起重機進行風險評估，建立金屬結(jié)構(gòu)整體風險框架圖，如圖2所示：

圖2 門式起重機金屬結(jié)構(gòu)整體風險框架圖

圖2中，V為門式起重機金屬結(jié)構(gòu)整體風險；

1)對于主梁而言：V1為主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V11為由于腐蝕導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V11i(i=1～4)為由于腐蝕導致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V12為由于裂紋導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V12i(i=1～4)為由于裂紋導致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V13為由于強度導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V13i(i=1～4)為由于強度導致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V14為由于變形導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V141為由于波浪變形導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1411為由于波浪變形導致主梁上翼緣板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1412為由于波浪變形導致主梁腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V142為由于偏斜導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1421為由于偏斜導致主梁上翼緣板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1422為由于偏斜導致主梁腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V143為由于主梁下沉導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V144為由于水平彎曲導致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞。

2)對于支腿而言：V2為支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V21為由于腐蝕導致支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V211為由于腐蝕導致支腿外蓋板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V212為由于腐蝕導致支腿腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V22為由于裂紋導致支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V221為由于裂紋導致支腿外蓋板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V222為由于裂紋導致支腿腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞。

在本文中，由于該臺起重機經(jīng)過仔細檢驗，發(fā)現(xiàn)在主梁和支腿的連接焊板靠近主梁側(cè)出現(xiàn)約20mm*30mm的裂紋缺口，所以本文中重點討論裂紋對該門式起重機的影響。

首先，由10名專家評判得到該門式起重機的可靠性結(jié)果，見表1。而對于其他影響因素Vij可參考文獻[4]。其次，以可靠性分析得到的結(jié)果為參考依據(jù)，由專家評判得到該門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)風險概率隸屬矩陣Dii和風險影響隸屬度矩陣Eii：

表1 專家評判可靠性結(jié)果

其中P表示概率，C表示影響程度；Dij(i=1,2;j=1～4)和Eij(i=1,2;j=1～4)分別為專家評判得到的該門式起重機金屬結(jié)構(gòu)風險概率隸屬度矩陣和風險影響隸屬度矩陣。

然后，給出不同等級下因素的風險概率權(quán)重系數(shù)QV，見式（8）：

給出不同等級下因素的風險影響權(quán)重系數(shù)GV，見式（9）：

最后，通過計算，可以得到腐蝕、裂紋、強度、變形的概率隸屬度矩陣RP：

通過計算，可以得到腐蝕、裂紋、強度、變形的概影響隸屬度矩陣RC：

將上述結(jié)果代入式(4)和式(5),利用Matlab軟件計算得到該門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)風險度W=PTC=0.7173，由風險評判等級可以得出該起重機風險程度高，需要進行相應的整改和修復。

2.2 工況最不利點

門式起重機金屬結(jié)構(gòu)工況最不利點：在工況為滿載起重小車位于主梁跨中或位于懸臂段時，起重機大車運行制動的同時，吊載下降制動時，為最不利的載荷狀態(tài)，即為應力集中點，如圖3所示：1) 滿載位于主梁跨時，A-A，B-B，C-C點為工況最不利點；2)滿載位于懸臂段時，D點為工況最不利點。

圖3 工況最不利點

2.3 裂紋產(chǎn)生的原因

1) 圖3中，當載荷在跨中或懸臂端時，上述工況最不利點部位受力狀況較復雜，有彎曲應力、剪切應力和焊接應力等。既要承受起升載荷和自重載荷引起的彎曲應力和剪切應力，同時又受運行的側(cè)向載荷，大、小車制動慣性載荷和風載荷等作用，局部合成應力較大，故此部位應力集中點極易產(chǎn)生疲勞破壞。

2) 制作時接縫間隙過大或下翼緣板局部未開坡口，焊縫質(zhì)量不高，焊接殘余應力過高及鋼板母材本身局部質(zhì)量不高而引起的。

2.4 可行性修復

通常利用焊接和焊縫加固的方法修復裂紋。修復后，再利用上述評估方法，發(fā)現(xiàn)該金屬結(jié)構(gòu)風險度降低了，其值W=PTC=0.2036。

3 結(jié)束語

本文采用模糊數(shù)學方法綜合評判了門式起重機金屬結(jié)構(gòu)風險，分別從主梁和支腿兩個角度出發(fā)，研究腐蝕、裂紋、強度及變形這四個風險因素對其金屬結(jié)構(gòu)的影響，宏觀上反映了金屬結(jié)構(gòu)潛在風險，整體上把握了金屬結(jié)構(gòu)的風險程度，更加直觀地掌握其風險情況，從而保證該類起重機金屬結(jié)構(gòu)的安全使用。引入工況最不利點的概念，通過分析得出應力非常集中、裂紋最容易出現(xiàn)的點，這也是起重機檢驗檢測工作的重點。

1 杜勇，王文輝．水環(huán)境安全與風險評估研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學，2013,41(32):12703～12704．

2 尤慶華，陳杰，胡甚平,等．集裝箱船舶順流靠泊風險評估與操作要領(lǐng)[J]．中國航海，2013,36(4): 143～146．

3 孫璐．基于模糊綜合評價法的航天型號項目風險評估[J]．航天工業(yè)管理，2012(6):12～18．

4 李波．橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)風險評估及其可靠性分析[D]．上海：上海交通大學，2010．

Study on Gantry Crane Risk Assessment Based on the Fuzzy Mathematics Method

Ying Faming
(Shaoxing City Special Equipment Inspection Institute Shaoxing 312071)

Fuzzy mathematics method is adopted to conduct risk assessment on the structure damage caused by potential risks such as corrosion, crack, strength and deformation of the metal structure of gantry crane．On beam and legs, the multi1evel judgment system with the subsystems of different metal structure damages of gantry crane is established．This method facilitates the comprehensive securi

ty risk assessment of the gantry crane, to provide guideline for improving its safety performance.

Gantry crane Fuzzy mathematics Expert system Risk assessment

X941

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－4 3－04D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.012

應法明（1985～）,男,碩士,工程師,檢驗員,從事特種設備檢驗檢測。

2014-06-15）