岸邊集裝箱起重機(jī)安全性評(píng)價(jià)研究

盧茹利 楊 慧

1 連云港東糧碼頭有限公司 2 上港集團(tuán)宜東集裝箱碼頭分公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)是專(zhuān)業(yè)的集裝箱裝卸設(shè)備。近年來(lái)，伴隨著集裝箱船舶大型化的發(fā)展，投運(yùn)占比的提升，岸橋逐步朝著裝卸效率高值化、操控系統(tǒng)智能化、機(jī)型尺寸大型化、整機(jī)重量輕量化、額定起重量重型化、能源消耗節(jié)約化的方向發(fā)展，以便適應(yīng)當(dāng)前航運(yùn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)需求[1-2]。

岸橋工作環(huán)境惡劣，具有工作強(qiáng)度大、連續(xù)裝卸作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、沖擊載荷響應(yīng)明顯等工作特點(diǎn)。岸橋是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與零部件、電氣設(shè)備、安全保護(hù)裝置等多個(gè)子系統(tǒng)組成，其中任何一部分出現(xiàn)故障問(wèn)題，都會(huì)引發(fā)安全事故，帶來(lái)巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[3]。由于岸橋長(zhǎng)期處于高腐蝕、天氣情況惡劣的海邊工作環(huán)境，需密切關(guān)注設(shè)備整機(jī)安全性能，避免發(fā)生安全事故。這就要求港口在提高岸橋作業(yè)效率的同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備的安全評(píng)價(jià)，如金屬結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)、壽命評(píng)估，機(jī)構(gòu)與零部件、電氣設(shè)備元器件和安全保護(hù)裝置的故障預(yù)測(cè)、診斷。

岸橋的日常管理以及設(shè)備安全狀態(tài)自我評(píng)估對(duì)設(shè)備管理技術(shù)人員的能力有極高的要求，如何快速客觀地評(píng)估岸橋的整體安全狀態(tài)，是港口企業(yè)急需解決的難題。岸橋安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，獲取客觀真實(shí)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合行業(yè)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備從金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與零部件、電氣設(shè)備和安全保護(hù)裝置等方面做出安全性評(píng)價(jià)[3]。

基于檢測(cè)與評(píng)判，分析單一指標(biāo)的檢測(cè)歷史數(shù)值的分布規(guī)律，結(jié)合岸橋設(shè)計(jì)、制造、管理、檢測(cè)、使用、維修等多方面專(zhuān)家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范等，構(gòu)建一套適用于港口設(shè)備管理的含有金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)與零部件、電氣設(shè)備和安全保護(hù)裝置等各評(píng)價(jià)指標(biāo)的岸橋安全性評(píng)價(jià)體系，可提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、工程實(shí)用性及縮短評(píng)價(jià)時(shí)間，為以后制定起重機(jī)安全評(píng)定規(guī)則提供參考。同時(shí)，可改善港口落后的設(shè)備管理方法，指導(dǎo)技術(shù)人員對(duì)港口大型起重設(shè)備科學(xué)系統(tǒng)的管理，減少設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)時(shí)長(zhǎng)。對(duì)起重機(jī)安全狀態(tài)評(píng)估，合理地進(jìn)行起重機(jī)改造、報(bào)廢，可保證港口的安全生產(chǎn)，最大限度地發(fā)揮起重機(jī)經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備效益。將此研究成果推廣，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 安全性評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)分析的前提是建立一套科學(xué)的安全性評(píng)價(jià)體系。通常體系的建立包括確定科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、選擇合適的評(píng)價(jià)方法、構(gòu)建具有工程實(shí)用性的評(píng)價(jià)模型等一系列過(guò)程。首先，通過(guò)對(duì)港口的實(shí)地調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)的分析，進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選，并采用模糊德?tīng)柗品ㄟM(jìn)行指標(biāo)篩選，確定最終安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)；同時(shí)，利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重；然后通過(guò)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算，最終完成整機(jī)安全性評(píng)價(jià)(見(jiàn)圖1)。

圖1 岸橋評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及權(quán)重的確定

通過(guò)對(duì)港口的實(shí)地調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)的分析，整理影響岸橋安全的指標(biāo)，形成評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選集，采用模糊德?tīng)柗品ê儼稑虿煌I(lǐng)域的專(zhuān)家，對(duì)初選集進(jìn)行評(píng)判、篩選，得到最終的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用層次分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建判斷矩陣，獲取指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行單層及總體層次排序及一致性檢驗(yàn)，最終將多個(gè)專(zhuān)家的指標(biāo)權(quán)重值采用幾何平均法計(jì)算，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重。

3.1 指標(biāo)選取

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選。在查閱岸橋歷史維修、運(yùn)行故障事故記錄、日常維護(hù)保養(yǎng)、使用狀況記錄及定期檢驗(yàn)檢查記錄等設(shè)備臺(tái)賬和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)性、科學(xué)性、可操作性、適用性的原則，初步選取了43個(gè)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指標(biāo)、19個(gè)機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)指標(biāo)、16個(gè)電氣設(shè)備系統(tǒng)指標(biāo)和7個(gè)安全保護(hù)裝置系統(tǒng)指標(biāo)，形成了安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)初選集。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選。初步選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)需經(jīng)過(guò)專(zhuān)家對(duì)其合理性進(jìn)行評(píng)判和篩選，以3輪問(wèn)卷調(diào)查的方式進(jìn)行。第一輪問(wèn)卷調(diào)查目的是對(duì)初選評(píng)價(jià)指標(biāo)表述準(zhǔn)確性、合理性、科學(xué)性和工程實(shí)用性進(jìn)行評(píng)判意見(jiàn)征詢；第二輪問(wèn)卷調(diào)查目的是對(duì)專(zhuān)家評(píng)判后的指標(biāo)按照灰色地帶檢驗(yàn)法進(jìn)行指標(biāo)的一致性檢驗(yàn)；第三階段問(wèn)卷主要目的是專(zhuān)家參考上一輪數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行修正，專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)意見(jiàn)共識(shí)達(dá)成一致，最終確定的岸橋安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)圖2)。

圖2 岸橋安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)以上選取的岸橋安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法，建立岸橋安全性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層、指標(biāo)層判斷矩陣，并分別計(jì)算出特征向量ω、最大特征值λmax，并根據(jù)CI與RI的值，算出CR，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后得出整個(gè)指標(biāo)體系中的各指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重。

4 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)值的計(jì)算

在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何根據(jù)實(shí)測(cè)或?qū)＜以u(píng)判獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)分一直缺乏科學(xué)合理的方法。本節(jié)基于評(píng)價(jià)指標(biāo)工程現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況，構(gòu)造指標(biāo)的無(wú)量綱化的分值函數(shù)，從而為實(shí)測(cè)指標(biāo)狀態(tài)值的評(píng)判提供計(jì)算依據(jù)。

4.1 定量化指標(biāo)狀態(tài)值統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)了34臺(tái)正常服役時(shí)間10～20 a的額定載荷40 t岸橋檢驗(yàn)報(bào)告，對(duì)岸橋前臂梁、主梁、梯形架、前拉桿、門(mén)框、門(mén)框連接等結(jié)構(gòu)件8個(gè)測(cè)點(diǎn)的靜載應(yīng)力和動(dòng)載應(yīng)力對(duì)比值；前臂梁、主梁結(jié)構(gòu)下?lián)隙?、前臂梁上翹度和主梁上拱度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納、統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)區(qū)間見(jiàn)表1。

首先對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間劃分，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)頻數(shù)，獲得不同指標(biāo)的頻數(shù)分布直方圖，用于指導(dǎo)后續(xù)分布函數(shù)假設(shè)、曲線擬合、參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)。以六級(jí)直方圖為例，金屬結(jié)構(gòu)件前臂梁A點(diǎn)靜載應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)頻數(shù)分布直方圖見(jiàn)圖3。

圖3 前臂梁A點(diǎn)靜載應(yīng)力概率分布

4.2 指標(biāo)分布的擬合及假設(shè)檢驗(yàn)

威布爾分布在可靠性分析，材料性能評(píng)估方面應(yīng)用較為廣泛，大多數(shù)采用的是雙參數(shù)威布爾分布。研究岸橋在實(shí)際檢測(cè)中的指標(biāo)數(shù)據(jù)分布，為了獲取更高的精度，選用三參數(shù)威布爾分布進(jìn)行擬合及參數(shù)估計(jì)。

4.2.1 三參數(shù)威布爾分布函數(shù)

威布爾分布的概率密度函數(shù)為：

(1)

分布函數(shù)為：

(2)

式中，a為尺度參數(shù)；b為形狀參數(shù)；c為位置參數(shù)。a值的“特征”在于它對(duì)應(yīng)的母體概率分布函數(shù)值總等于0.632，與形狀參數(shù)b無(wú)關(guān)。

4.2.2 威布爾三參數(shù)的參數(shù)估計(jì)

依靠三參數(shù)a，b，c的最大似然函數(shù)為

L(x1,x2,…xn;a,b,c)=

(3)

式(3)最大似然函數(shù)的極值點(diǎn)即三參數(shù)估計(jì)值，對(duì)式(3)兩邊分別取對(duì)數(shù)得：

當(dāng)?lnL/?θ=0時(shí)，L(x1,x2,···xn;a,b,c)達(dá)到最大值。求解二元方程組：

圖4 前臂梁A點(diǎn)概率密度函數(shù)

4.3 指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算

4.3.1 定量化指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算

主要承載金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)價(jià)通?？紤]前臂梁、主梁、前拉桿、梯形架、門(mén)框和門(mén)框連接靜載應(yīng)力檢測(cè)值，結(jié)構(gòu)件靜載應(yīng)力值必須小于材料(Q345)許用應(yīng)力臨界值246.4 MPa。通過(guò)之前的統(tǒng)計(jì)分析和假設(shè)檢驗(yàn)，確定參數(shù)得到指標(biāo)評(píng)價(jià)值函數(shù)。

以前臂梁箱梁上翼緣板測(cè)點(diǎn)A的應(yīng)力值為例設(shè)為變量σa，根據(jù)A點(diǎn)的概率密度函數(shù)可得分布函數(shù)(CDF)圖(見(jiàn)圖5)。由圖5可知，前臂梁箱梁上翼緣板A點(diǎn)最小應(yīng)力值為2 MPa,分布概率為0.632時(shí)的特征應(yīng)力為35.5 MPa，計(jì)算確定函數(shù)參數(shù)得到A點(diǎn)靜載應(yīng)力無(wú)量綱化處理函數(shù)式見(jiàn)式(4)。

圖5 A點(diǎn)的CDF圖

(4)

4.3.2 定性化指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算

定性化指標(biāo)根據(jù)各指標(biāo)分級(jí)情況，采用三角形分布型隸屬函數(shù)，依據(jù)專(zhuān)家評(píng)判建議和統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定如下3種隸屬函數(shù)，見(jiàn)圖6。

圖6 定性化指標(biāo)隸屬度函數(shù)曲線

根據(jù)指標(biāo)評(píng)價(jià)值，依據(jù)各自對(duì)應(yīng)的分級(jí)隸屬函數(shù)確定隸屬度R1,R2,…,Rn，最后得到模糊關(guān)系矩陣R=(R1,R2,…,Rn)，并代入式(5)進(jìn)行評(píng)價(jià)值的計(jì)算。

B=WR

(5)

式中，B為模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集；W為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量；R為模糊關(guān)系矩陣。

或：

(b1,b2,…,bm)=(ω1,ω2,…,ωn)×

(6)

式中，bj為綜合評(píng)判指標(biāo)；ωi為每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重；rij表示影響評(píng)價(jià)指標(biāo)ui隸屬程度。

得到綜合評(píng)判指標(biāo)bj(j=1,2,…,m)之后，利用加權(quán)平均法，進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算得到最終評(píng)判結(jié)果，即：

(7)

式中，νj取值為綜合評(píng)價(jià)集的中間值。

以上海某港口一臺(tái)服役13年的岸橋主要機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)為例，由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)專(zhuān)家根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際狀況，采用目測(cè)識(shí)別、診斷的方法進(jìn)行評(píng)判、打分，最終確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分。依據(jù)圖6(a)計(jì)算每一個(gè)指標(biāo)隸屬度，確定主要機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)的模糊關(guān)系矩陣：

由3.2節(jié)可得，機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)各指標(biāo)權(quán)重向量：W=(0.0940.2080.4460.1980.054)，由此根據(jù)(5)可得模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集B:

(b1,b2,b3,b4,b5)=

機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)最終評(píng)價(jià)結(jié)果：

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該岸邊集裝箱起重機(jī)的機(jī)構(gòu)與零部件系統(tǒng)安全狀況一般，屬于帶故障運(yùn)行，需要對(duì)有故障的地方特定檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題即時(shí)修復(fù)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)岸橋安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)定量化指標(biāo)數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行擬合、假設(shè)、檢驗(yàn)，構(gòu)造了無(wú)量綱化處理函數(shù)，為定量化指標(biāo)評(píng)價(jià)值的計(jì)算提供依據(jù)；對(duì)定性化指標(biāo)，構(gòu)造了不同類(lèi)型定性化指標(biāo)的隸屬函數(shù)曲線，用于評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的確定和模糊關(guān)系矩陣的構(gòu)建，為定性化指標(biāo)定量化處理提供方法。