張連紅,王鈺鑫
(青島市特種設(shè)備檢驗研究院,山東青島 266101)
通過工作狀態(tài)實時監(jiān)控、安全檢驗與評估,分析機械式停車設(shè)備存在的危險源及其分布點位、發(fā)生的數(shù)量,預(yù)測事故發(fā)生的概率,存在的嚴(yán)重程度,提出應(yīng)采取的安全技術(shù)方案及措施等,減少和消除老舊機械式停車設(shè)備潛在的安全風(fēng)險,以加強機械式停車設(shè)備的安全運行質(zhì)量,滿足低能耗要求,提高服務(wù)民生工作的品質(zhì)。
升降橫移類機械式停車設(shè)備主要由載車板、鋼結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、安全保護裝置構(gòu)成。升降橫移類機械式停車設(shè)備的主框架為鋼架結(jié)構(gòu),它由前后立柱、前后橫梁、縱梁等部件組成,起到支撐傳動系統(tǒng)、動力裝置、載車板載荷的作用。前后立柱通過連接板與基礎(chǔ)螺栓連接,縱梁、前后橫梁、前后立柱、筋板等其他支承裝置采用焊接或螺栓聯(lián)接的形式加以固定。
為減少升降橫移類機械式停車設(shè)備運行過程中的故障問題,應(yīng)該提前對設(shè)備的各部分進行安全檢查和必要的應(yīng)力應(yīng)變分析,通過監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測設(shè)備運行情況,避免運行過程中出現(xiàn)安全事故。圖1 為升降橫移類機械式停車設(shè)備安全檢驗總體流程。
圖1 升降橫移類機械式停車設(shè)備安全檢驗總體流程
2.2.1 金屬結(jié)構(gòu)的檢驗流程
對于金屬結(jié)構(gòu)的安全檢查,不僅要檢查外觀,還要對相關(guān)構(gòu)件進行應(yīng)力應(yīng)變分析,如主要的受力件:載車板、載車板兩側(cè)承重梁、懸掛車庫受拉桿、車板承重梁懸掛梁、懸掛梁滑動導(dǎo)軌以及車庫受力樁腿等。金屬結(jié)構(gòu)檢驗流程如圖2 所示。
圖2 金屬結(jié)構(gòu)檢驗流程
國內(nèi)外對升降橫移類機械式停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析方式和類型,大部分基于構(gòu)件的強度、剛度及穩(wěn)定性分析,沒有進一步對結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測所需的數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)控,也沒有對結(jié)構(gòu)的預(yù)期壽命進行評估。下面對金屬結(jié)構(gòu)重要部件進行應(yīng)力應(yīng)變仿真,找出應(yīng)力應(yīng)變較大的重要位置,以便于裝貼應(yīng)變片,方便連接監(jiān)測設(shè)備,對比較危險部位進行實時監(jiān)控,避免發(fā)生不可控的危險,造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。
對結(jié)構(gòu)進行有限元分析時要考慮最危險的工況并進行以下假設(shè):①不計地震載荷與風(fēng)載荷作用;②整體結(jié)構(gòu)無初始變形與缺陷;③不計由溫差引起的熱應(yīng)力。
2.2.2 金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的仿真分析
從升降橫移類機械式停車設(shè)備的總裝配圖(圖3)可知,單個停車庫最主要的受力件為載車板、載車板的兩側(cè)承重梁、懸掛車庫的受拉桿及車板承重梁的懸掛梁;對于整體車庫框架而言,最主要的受力件為懸掛梁滑動導(dǎo)軌(兩車板、三車板)以及車庫受力樁腿。
圖3 升降橫移類機械式停車設(shè)備的總裝配圖
在三維設(shè)計軟件Solidworks 中建立算例分析,對各受力件進行校核,校核過程相同(假定每輛車重約2 t)。
(1)在插件simulation 下建立算例分析,選擇靜態(tài)分析。
(2)定義構(gòu)件材料屬性。
(3)定義約束。
(4)定義受力大小及方向。
(5)劃分網(wǎng)格。
(6)運行算例。
(7)結(jié)果分析。
鋼絲繩的配置和固定方式也需要重點考慮,對照出廠技術(shù)文件進行宏觀檢查,檢查起重機械配置的鋼絲繩是否與滑輪、卷筒匹配,不能確定或有異議時,用寬鉗口游標(biāo)卡尺和鋼卷尺測量并進行符合性判斷。首次檢驗和新更換的鋼絲繩,需核查使用單位提供的出廠合格證明資料。鋼絲繩檢驗流程如圖4 所示,繩夾數(shù)量見表1。
圖4 鋼絲繩檢驗流程
表1 繩夾數(shù)量
安全保護裝置中的制動器在總裝置中的作用非常重要,使用前需要檢驗,檢驗流程如圖5 所示。
圖5 制動器檢驗流程
對于機械式停車設(shè)備專項安全保護和防護裝置的檢驗,可以對每個裝置的外觀及安裝位置進行檢查,為防止個別裝置漏檢,設(shè)置如圖6 所示的檢驗流程。
圖6 專項安全保護和防護裝置檢驗流程
人們需要根據(jù)通用工程監(jiān)控系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行風(fēng)險等級的評定,提出降低風(fēng)險的措施,最后進行綜合安全評估和主要構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)期。
對于滑動導(dǎo)軌這樣重要的構(gòu)件就可以進行壽命的預(yù)期,以便于維護或者更換損壞構(gòu)件。由于升降橫移類機械式停車設(shè)備特定的工況,滑動導(dǎo)軌所受載荷的交變次數(shù)不高,故可以將其看作低周疲勞壽命的計算問題。
20 世紀(jì)50年代初,曼森(Manson)和柯芬(Coffin)第一次提出了用塑性應(yīng)變累積的觀點計算低周疲勞壽命的理論。經(jīng)過反復(fù)的試驗及探索,得出了對稱應(yīng)變條件下塑性應(yīng)變幅度△εp與斷裂循環(huán)次數(shù)N 之間的關(guān)系,即曼森-柯芬方程:△εpNα=C,式中:α 是塑性指數(shù);C是疲勞延性系數(shù)。α、C 均是與零件材料性能有關(guān)的常數(shù)。試驗表明:α=0.5~0.7,常取0.5。C 在此處可以取0.1。對于兩車板導(dǎo)軌,求得:N=1 000 000;對于三車板導(dǎo)軌,求得:N=250 000。按照一天交變100 次計算,三車板導(dǎo)軌大約可以工作7年,兩車板導(dǎo)軌大約可以工作28年。
用戶對機械式停車設(shè)備的操作性能、自動化程度、運行效能、工作的安全有效性、設(shè)備運行安全監(jiān)控適時診斷的要求越來越高,機械式停車設(shè)備屬于國家強檢的特種設(shè)備,其潛在的安全隱患比較多,采用通用工業(yè)監(jiān)控對機械式停車設(shè)備進行監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運轉(zhuǎn)故障與危險狀態(tài),并進行報警提示。
通用工業(yè)監(jiān)控軟件一般采取常規(guī)通信方式(例如:USB接口、總線、以太網(wǎng)、串口)與計算機、傳感器、電子儀表、變頻控制器等接口進行數(shù)據(jù)通信。其與I/O 設(shè)備通過*.Dll 動態(tài)庫實現(xiàn)通信。機械式停車設(shè)備控制系統(tǒng)采用“低壓電器+PLC+上位機”的典型結(jié)構(gòu)。電氣部分主要由升降橫移電機、傳感器、限位開關(guān)構(gòu)成。PLC 主要是通過控制程序,接收各個狀態(tài)信號輸入,產(chǎn)生各個接觸器控制信號。上位機通過組態(tài)軟件開發(fā)車庫運行畫面,完成對車庫運行狀態(tài)的監(jiān)控。
依據(jù)危險發(fā)生的概率等級和嚴(yán)重程度對查找的危險隱患進行風(fēng)險評定,判斷風(fēng)險等級和風(fēng)險類別。風(fēng)險等級評定依據(jù)危險隱患的嚴(yán)重程度和概率等級,交叉組合得出I、II、III 類風(fēng)險類別。
嚴(yán)重程度分為4 個級別:1、2、3、4。1 表示高:死亡、系統(tǒng)損壞或嚴(yán)重的環(huán)境損失;2 表示中:嚴(yán)重傷害、嚴(yán)重職業(yè)病、主要的系統(tǒng)或環(huán)境損失;3 表示低:較小傷害、較輕的職業(yè)病、次要的系統(tǒng)或環(huán)境損失;4 表示可忽略:不會引起傷害、職業(yè)病、系統(tǒng)或環(huán)境損失。
概率等級分為6 個級別:A、B、C、D、E、F。A 表示“頻繁”:有可能經(jīng)常發(fā)生;B 表示“很可能”:有可能發(fā)生幾次;C 表示“偶爾”:有可能發(fā)生一次且以上;D 表示“極少”:一般不發(fā)生,也有可能發(fā)生;E 表示“不太可能”:可能不發(fā)生;F 表示“不可能”:不可能發(fā)生。
風(fēng)險類別分為3 個類別:I、II、III。I:需要采取防護措施以降低風(fēng)險;II:需要進行復(fù)查,如果有解決的方法也確實有解決的價值性,需要采取安全防護方案來降低風(fēng)險;III:不需要任何行動。
圖7 風(fēng)險類別判定準(zhǔn)則
依據(jù)風(fēng)險等級的評定結(jié)果,總結(jié)機械式停車設(shè)備設(shè)備本體、使用管理和維護保養(yǎng)中存在的隱患問題和安全危害,采取合理化的保護方案。
根據(jù)《起重機械安全規(guī)程》,如果有安全隱患的部件符合《起重機械主要零部件報廢標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 5972《起重機 鋼絲繩 保養(yǎng)、維護、安裝、檢驗和報廢》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的報廢規(guī)定,或制造單位對產(chǎn)品的報廢規(guī)定,需采取更換的方式來消除危險隱患。否則,應(yīng)采取調(diào)整的方式來消除危險隱患。
如果不能通過更換或調(diào)整的方式消除或降低危險隱患,應(yīng)告知使用單位采取諸如增加警示標(biāo)識等方法來表示該設(shè)備、裝置、系統(tǒng)的遺留風(fēng)險程度。
4.6.1 綜合安全情況等級判斷在判斷風(fēng)險類別后,按表2 賦值:根據(jù)公式(1)計算綜合安全等級分值:
表2 風(fēng)險類別
式中,vi(i=1,…,n)表示第i 個風(fēng)險情況對應(yīng)的風(fēng)險類別賦值;n 為所有進行風(fēng)險評估的風(fēng)險情況的個數(shù)。
根據(jù)表3 判斷綜合安全情況等級。
表3 安全情況等級
安全評估結(jié)論:
(1)四級:應(yīng)建議立即停止使用機械式停車設(shè)備,除非消除風(fēng)險。
(2)三級:應(yīng)立即采取安全保護方案消除隱患風(fēng)險。
(3)二級:需采取安全保護措施消除或降低隱患風(fēng)險。
(4)一級:需加強監(jiān)護使用。
4.6.2 降低風(fēng)險的安全措施建議
(1)如果修理可以恢復(fù)存在風(fēng)險的零部件或系統(tǒng)的安全功能,應(yīng)提出修理建議。
(2)如果修理不可以恢復(fù)存在風(fēng)險的零部件或系統(tǒng)的安全功能,應(yīng)提出改造建議。
(3)如果修理和改造都可以恢復(fù)存在風(fēng)險的零部件或系統(tǒng)的安全功能,或修理、改造更換的價格比較高,不值得修理改造,宜提出更新的建議。
(4)如果日常使用管理、日常維護保養(yǎng)管理存在隱患問題,應(yīng)提出整改建議。
本文主要根據(jù)機械式停車設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、使用年限和環(huán)境等因素,以及在使用停車設(shè)備時常出現(xiàn)故障、部件或者系統(tǒng)功能失效等現(xiàn)象,做了以下工作:
(1)對容易發(fā)生危險的金屬結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值仿真,分析這些構(gòu)件容易損壞的部位,即應(yīng)力應(yīng)變較大的部位,然后在相應(yīng)位置裝貼應(yīng)變片,并將應(yīng)變片接入安全系統(tǒng)進行閾值的設(shè)定,方便出現(xiàn)危險情況進行報警。
(2)根據(jù)危害事件的發(fā)生概率和危害程度對設(shè)備的安全等級作出判斷,提出保護措施來降低風(fēng)險。
(3)對潛在的影響停車設(shè)備系統(tǒng)運行安全的危險因素進行定性、定量分析,預(yù)測停車設(shè)備存在的危險源、分布位置、數(shù)量、故障概率以及嚴(yán)重程度等影響停車設(shè)備系統(tǒng)或部件壽命周期的安全狀況,提出降低風(fēng)險的對策和措施。
(4)對重要的機械構(gòu)件進行了使用壽命的預(yù)期估計,對于產(chǎn)品生產(chǎn)之初的設(shè)計缺陷或標(biāo)準(zhǔn)改變帶來的歷史遺留問題進行分析,推進改造修理,盡力清除安全隱患。
(5)創(chuàng)新點:對金屬構(gòu)件容易發(fā)生危險的位置裝貼應(yīng)變片,并且接入安全監(jiān)控系統(tǒng),設(shè)定安全范圍下的閾值,系統(tǒng)可以實時監(jiān)控數(shù)值的變化,一旦出現(xiàn)問題就會報警,提醒人們進行現(xiàn)場勘查。通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)對設(shè)備安全等級作出判斷,提出保護措施來降低風(fēng)險。