一種基于功能安全的起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法*

孫遠(yuǎn)韜 陳凱歌 張 氫 吳占穩(wěn)

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 2 中國特種設(shè)備檢測研究院

1 引言

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)械的應(yīng)用范圍越來越廣、負(fù)載越來越大、各機(jī)構(gòu)工作速度越來越快，對其安全性能的要求越來越嚴(yán)格，但在實(shí)際生產(chǎn)中，對功能安全性的保障一般只在安全規(guī)程中予以描述。

目前，針對起重機(jī)械的風(fēng)險(xiǎn)評估和安全防護(hù)評價(jià)都是基于傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法進(jìn)行的[1-2]。曲珩斌提出了一種基于IAHP和專家群決策的橋式起重機(jī)安全綜合評價(jià)方法，對某通用橋式起重機(jī)進(jìn)行安全性評價(jià)[3]。Ruud S等基于FSA方法提出了一種利用成本效益決策準(zhǔn)則估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制方案(安全功能)目標(biāo)可靠性的方法[4]。2000年5月，國際電工委員會正式發(fā)布了IEC61508標(biāo)準(zhǔn)《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》，提供了功能安全[5-7]分析的基本方法，但長期以來，功能安全的概念僅僅在儀器儀表工程、石油化工和電子可編程等領(lǐng)域有長足的發(fā)展[8-11]，起重機(jī)械基于功能安全的分析方法尚未系統(tǒng)建立。但隨著科技發(fā)展，在起重機(jī)的變頻器、限位傳感器以及超高壓油缸等部件的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)開始嘗試從失效出發(fā)進(jìn)行功能安全設(shè)計(jì)。

為了在設(shè)計(jì)過程中考慮安全防護(hù)系統(tǒng)的安全性和可靠性，有必要從整機(jī)及關(guān)鍵部件的角度嘗試分析安全失效機(jī)理與規(guī)律，根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)及危害程度進(jìn)行起重機(jī)的功能安全分析，從而指導(dǎo)起重機(jī)械的設(shè)計(jì)并能夠逐步應(yīng)用于實(shí)際工程。

2 起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)基于功能安全的設(shè)計(jì)方法

功能安全是指任一隨機(jī)故障、系統(tǒng)故障或共因失效都不會導(dǎo)致安全系統(tǒng)的故障，即設(shè)備或控制系統(tǒng)的安全功能無論在正常情況下還是在有故障存在的情況下，都應(yīng)該保證正確實(shí)施。

功能安全面向的對象為安全防護(hù)系統(tǒng)，IEC61508提供了功能安全分析的基本方法。該方法主要包括3個(gè)部分：風(fēng)險(xiǎn)分析、安全完整性等級和安全生命周期。為進(jìn)一步促進(jìn)起重機(jī)安全評價(jià)的發(fā)展，本文就起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行基于功能安全的設(shè)計(jì)方法研究。

采用可靠性分析方法結(jié)合層級劃分的理論研究，從典型起重機(jī)失效模式與機(jī)理出發(fā)，分析對應(yīng)安全防護(hù)系統(tǒng)的功能安全及其對系統(tǒng)的影響規(guī)律，形成滿足不同安全等級的安全防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法。

考慮到起重機(jī)工作級別，結(jié)合IEC61508提供的功能安全分析方法中提出的安全完整性等級，將功能安全的概念引入到起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評估和安全評價(jià)中，從而建立起起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)基于功能安全的設(shè)計(jì)方法，其流程見圖1。

圖1 起重機(jī)械安全防護(hù)系統(tǒng)基于功能安全的設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法可分為5個(gè)步驟，具體如下。

步驟一：根據(jù)起重機(jī)的工作級別確定安全規(guī)范防護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)計(jì)算，并確定所需的目標(biāo)SIL。

步驟二：采用FMEA分析法對安全防護(hù)系統(tǒng)的失效(故障)模式進(jìn)行分析，并計(jì)算各故障模式的嚴(yán)酷度值，篩選出主要故障模式。

步驟三：根據(jù)步驟二分析結(jié)果，從下至上建立安全防護(hù)系統(tǒng)故障模式的故障樹，并根據(jù)各部分之間的邏輯關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)的失效概率。

步驟四：根據(jù)步驟三計(jì)算得到的失效概率，結(jié)合IEC61508規(guī)定的SIL劃分標(biāo)準(zhǔn)得到安全防護(hù)系統(tǒng)的SIL等級，并與步驟一所得的目標(biāo)SIL進(jìn)行比較驗(yàn)證。

步驟五：根據(jù)步驟四的驗(yàn)證結(jié)果，若計(jì)算SIL滿足目標(biāo)SIL，則設(shè)計(jì)計(jì)算符合要求；否則，對安全防護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行器以及傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和配置。

上述設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵是建立起重機(jī)工作級別與目標(biāo)SIL之間的關(guān)系，后續(xù)的所有研究均在此基礎(chǔ)上展開。

3 工作級別的劃分與目標(biāo)SIL的確定

3.1 起重機(jī)工作級別劃分

起重機(jī)通過起升和移動吊運(yùn)貨物完成搬運(yùn)任務(wù)，為適應(yīng)起重機(jī)不同的使用情況和工作要求，在設(shè)計(jì)起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對起重機(jī)進(jìn)行工作級別的劃分。《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》規(guī)定，起重機(jī)整機(jī)的工作級別與起重機(jī)的使用等級及起重機(jī)的起升載荷狀態(tài)級別有關(guān)。

起重機(jī)的使用等級是將起重機(jī)可能完成的總工作循環(huán)數(shù)劃分成10個(gè)級別，分別用U0、U1、U2、…、U9表示[12]。

起重機(jī)的起升載荷狀態(tài)級別是指在起重機(jī)的設(shè)計(jì)預(yù)期壽命期限內(nèi)，它的各個(gè)有代表性的起升載荷值的大小及其對應(yīng)的起吊次數(shù)，與起重機(jī)的額定起升載荷值的大小及總的起吊次數(shù)的比值情況。

若起重機(jī)各個(gè)起升載荷值的大小及相應(yīng)的起吊次數(shù)已知，則可計(jì)算出起重機(jī)的載荷譜系數(shù)：

(1)

式中，Ci為與起重機(jī)各個(gè)有代表性的起升載荷相應(yīng)的工作循環(huán)次數(shù)；CT為起重機(jī)總工作循環(huán)次數(shù)；PQi為能表征起重機(jī)在預(yù)期壽命期內(nèi)工作任務(wù)的各個(gè)有代表性的起升載荷；PQmax為起重機(jī)的額定起升載荷；m為冪指數(shù)，為了便于級別的劃分，約定取3。

根據(jù)不同的載荷譜系數(shù)，可將起重機(jī)起升載荷狀態(tài)級別劃分為Q1～Q44個(gè)等級[12]。

根據(jù)上述使用等級及起升載荷狀態(tài)級別的劃分情況，起重機(jī)整機(jī)的工作級別劃分為A1～A8共8個(gè)等級(見表1)。

表1 起重機(jī)整機(jī)工作級別劃分

3.2 目標(biāo)SIL的確定

根據(jù)起重機(jī)的工作級別可以完成對起重機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)及相關(guān)的安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行基于功能安全的設(shè)計(jì)時(shí)，工作級別決定了起重機(jī)所需要達(dá)到的SIL(目標(biāo)SIL)，因此需要建立從起重機(jī)工作級別到目標(biāo)SIL的映射關(guān)系。IEC61508中將安全完整性等級劃分為4個(gè)等級(見表2)，第四等級表示最高的安全完整性程度，第一等級為最低。

表2 SIL劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1劃分的起重機(jī)整機(jī)工作級別，使用等級表征著起重機(jī)的使用頻繁程度，載荷譜系數(shù)KP表征起重機(jī)在工作過程中的吊重情況。綜合以上2個(gè)因素，將表1中的8個(gè)工作級別劃分為4個(gè)等級。A1～A2為第一等級，表示起重機(jī)使用頻繁程度很小或很少起升額定重量的情況，這種情況下起重機(jī)工作的安全裕度很大，起重機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)發(fā)生故障和失效的概率很小，對應(yīng)著SIL4；A3～A5為第二等級，表示起重機(jī)使用頻繁程度較小或較少起升額定重量的情況，這種情況下起重機(jī)工作的安全裕度較大，起重機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)發(fā)生故障和失效的概率較小，對應(yīng)著SIL3；A6～A7為第三等級，表示起重機(jī)使用頻繁程度中等或較多起升額定重量的情況，這種情況下起重機(jī)工作的安全裕度較小，起重機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)發(fā)生故障和失效的概率較大，對應(yīng)著SIL2；A8為第四等級，表示起重機(jī)使用頻繁程度高或頻繁起升額定重量的情況，這種情況下起重機(jī)工作的安全裕度很小，起重機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)在執(zhí)行安全功能時(shí)發(fā)生故障和失效的概率很大，對應(yīng)著SIL1。

上述方法可用于定性描述起重機(jī)工作級別與目標(biāo)SIL之間的關(guān)系。為了得到兩者的確切關(guān)系，可以建立工作級別與目標(biāo)SIL的函數(shù)關(guān)系，從而完成映射。

定義SIL是關(guān)于工作級別Ai的函數(shù)，則其函數(shù)關(guān)系可描述為

SIL=f(Ai)

(2)

式中Ai與起重機(jī)的總工作循環(huán)次數(shù)CT和載荷譜系數(shù)Kp有關(guān)，是可定義目標(biāo)SIL與工作級別Ai的關(guān)系，為

SIL=f(CT,Kp)

(3)

4 SIL驗(yàn)證

4.1 失效分析

完成起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)及確定目標(biāo)后，需要對其進(jìn)行失效分析。具體地，針對每一組件，列出其所有可能的失效模式。各組件的每種失效模式所占總失效概率的百分比，一般都能通過相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)查出，或者通過以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判定。針對各種失效模式，分析每種失效模式會對當(dāng)前系統(tǒng)造成的危害程度。

采用FMEA分析方法分析起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的失效模式及各失效模式的失效機(jī)理，最終完整辨別出起重機(jī)各系統(tǒng)的失效模式并對其危害程度進(jìn)行分析。FMEA分析的目的是為了發(fā)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)中的產(chǎn)生故障的原因及其危害程度，用量化的數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)給用戶。

4.2 平均失效概率計(jì)算

在FMEA分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立各失效模式的功能函數(shù)(極限狀態(tài)方程)，對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行處理，獲得各失效模式的失效概率，記為Fi(t)。由表4可知，SIL的最終確定由平均失效概率PFDavg決定，對于各失效模式，PFDavg由在時(shí)間間隔T的算術(shù)平均值獲得

(4)

根據(jù)各失效模式的平均失效概率PFDavg，采用故障樹分析(FTA)明確安全防護(hù)系統(tǒng)各部件之間的層次關(guān)系、失效故障之間的因果關(guān)系等。在故障樹的基礎(chǔ)上，計(jì)算各個(gè)子系統(tǒng)或關(guān)鍵零部件的失效概率。

設(shè)系統(tǒng)各零部件的發(fā)生失效的平均概率分別為PFDavg1,PFDavg2,…,PFDavgn，則對于串聯(lián)系統(tǒng)其平均失效概率為

(5)

對于并聯(lián)系統(tǒng)其平均失效概率為

(6)

4.3 SIL劃分與SIL驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算得到起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)失效概率，即可根據(jù)表2所示的IEC61508提供的SIL劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行SIL劃分。

將上述獲得的SIL與目標(biāo)SIL進(jìn)行比較，驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)方案下的SIL是否符合目標(biāo)設(shè)定的要求，若符合要求，則基于功能安全的起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法合理；否則，不合理，需要對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)調(diào)整與改進(jìn)。

4.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)IEC61508要求將安全防護(hù)系統(tǒng)分為執(zhí)行器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和驅(qū)動器系統(tǒng)，當(dāng)SIL驗(yàn)證不滿足要求時(shí)，分別對執(zhí)行器的主要機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高其可靠性。此外，IEC61508給出了多種傳感器優(yōu)化配置方案，通過多傳感器的串并聯(lián)設(shè)計(jì)可以顯著提高傳感器子系統(tǒng)的可靠性。通過上述方法，對安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低系統(tǒng)失效概率，使其落在目標(biāo)SIL對應(yīng)的概率區(qū)間內(nèi)。

5 算例分析

某型號起重機(jī)的額定起重量為41 t，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，該型號起重機(jī)使用較頻繁，平均吊運(yùn)載荷為20 t，一般承受載荷15 t、20 t、25 t、30 t，其對應(yīng)的頻率分別為0.12、0.45、0.32、0.11。

5.1 目標(biāo)SIL的確定

由上述內(nèi)容可知，該類型起重機(jī)的使用等級為U6，計(jì)算得到起升機(jī)構(gòu)的載荷譜系數(shù)

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》，該起重機(jī)起升載荷狀態(tài)級別為Q2，根據(jù)表1可得，其工作級別為A6，對應(yīng)目標(biāo)SIL2。

5.2 起升制動系統(tǒng)平均失效概率計(jì)算

制動器系統(tǒng)是起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，上述起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的制動采用智能型制動系統(tǒng)。

智能制動系統(tǒng)由制動器(執(zhí)行器)、傳感器(限位開關(guān)等)、驅(qū)動器組成。其中制動器的關(guān)鍵部件包括制動臂(杠桿式)、制動拉桿、制動彈簧、彈簧拉桿和制動盤。在設(shè)計(jì)過程中，采用較大的安全系數(shù)，即其為高可靠性產(chǎn)品，記各部件的可靠性為99.5%，則制動器的平均失效概率為

傳感器子系統(tǒng)主要包括限位開關(guān)、感應(yīng)式接近開關(guān)、接觸式傳感器和正壓力傳感器。電子元件的可靠

性通常用指數(shù)分布可靠度函數(shù)表示，其可靠度為

R(t)=e-λt

假設(shè)上述傳感器有一恒定的失效率λ=0.01失效/h，則1 h內(nèi)傳感器正常工作的可靠度為

R(1)=e-0.01×1=0.99

根據(jù)式(5)計(jì)算可得傳感器子系統(tǒng)的平均失效概率為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在保證制動器和傳感器正常工作的情況下，驅(qū)動器子系統(tǒng)的平均失效概率很低，不妨假設(shè)為

Pfmonitor=1×10-3

根據(jù)上述分析，可計(jì)算得到制動器系統(tǒng)的平均失效概率為

PFDavgsys=Pfbrake·Pfsensor·Pfmonitor=9.75×10-7

5.3 SIL驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算所得制動器系統(tǒng)的平均失效概率可判斷：計(jì)算SIL為2，與初始確定的目標(biāo)SIL一致，故滿足要求，完成設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

本文將功能安全的概念引入到起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，建立起典型起重機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)基于功能安全的設(shè)計(jì)方法的總體技術(shù)路線。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》規(guī)定的起重機(jī)工作級別，分別采用定性和定量方法實(shí)現(xiàn)起重機(jī)工作級別與目標(biāo)SIL之間的映射關(guān)系。通過FMEA和FTA法計(jì)算安全防護(hù)系統(tǒng)失效概率，從而確定防護(hù)系統(tǒng)的SIL，并與目標(biāo)SIL進(jìn)行比對，根據(jù)對比結(jié)果指導(dǎo)安全防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以某型號起重機(jī)智能制動器系統(tǒng)為例，對上述方法進(jìn)行了應(yīng)用，并驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性，在起重機(jī)的安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有一定的推廣價(jià)值。