岸邊集裝箱起重機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障模式及其影響分析

秦仙蓉 趙俊陸 丁 旭 張 氫 孫遠(yuǎn)韜

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804

0 引言

岸邊集裝箱橋式起重機(jī)（以下簡稱岸橋）是碼頭前沿用于集裝箱裝卸的起重機(jī)，是港口的核心設(shè)備。岸橋發(fā)生故障不但會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)帶來巨大安全隱患。疲勞斷裂是岸橋金屬結(jié)構(gòu)斷裂的主要形式，結(jié)構(gòu)腐蝕、不正當(dāng)?shù)牟僮鞯纫彩枪收习l(fā)生的誘因。目前，有關(guān)于橋式起重機(jī)的故障分析研究大部分集中在起重機(jī)的局部結(jié)構(gòu)上[1-4]，如鋼絲繩、吊軌小車、吊鉤、螺栓等，對(duì)于故障整體之間的關(guān)聯(lián)分析較少。為此，本文以岸橋的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成以及故障模式進(jìn)行分類，根據(jù)故障判定的相關(guān)準(zhǔn)則，進(jìn)行了故障原因及影響分析，最終構(gòu)成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的FMEA分析表。

1 岸橋結(jié)構(gòu)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)故障

岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)起重機(jī)的承載骨架，其健康狀態(tài)直接影響著這個(gè)港口的安全運(yùn)營。如圖1所示，岸橋結(jié)構(gòu)是典型的空間結(jié)構(gòu)，主要由大梁系統(tǒng)、門框系統(tǒng)、拉桿系統(tǒng)、梯形架等組成。岸橋結(jié)構(gòu)的承載性能主要用強(qiáng)度和剛度2個(gè)指標(biāo)衡量，強(qiáng)度用于表征結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，剛度描述的是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，包括結(jié)構(gòu)變形及因不同部件的變形而造成的不協(xié)調(diào)狀態(tài)等。

在岸橋重大事故案例中，大部分事故由外部環(huán)境因素引發(fā)，如集裝箱船舶的沖撞及突發(fā)陣風(fēng)引起的大車防風(fēng)裝置失效等，而岸橋結(jié)構(gòu)失效所致的事故同樣存在，故岸橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及其健康狀態(tài)評(píng)估一直是岸橋設(shè)備方和港口管理方的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障主要有開裂、表面磨損、焊縫的脫焊與開焊、金屬材料因工作環(huán)境影響引起的腐蝕與銹蝕、表層涂膜的剝離和部分連接件的脫落與松動(dòng)等，具體情況如圖1所示。

2 故障判定及故障原因分析

2.1 故障判定準(zhǔn)則

岸橋金屬結(jié)構(gòu)部分的故障表現(xiàn)比較明顯，可直接通過目測(cè)的方法進(jìn)行[5]，如鋼材發(fā)生較大的塑性變形、材料開裂、各部件連接處產(chǎn)生松動(dòng)或位移等。部分故障因結(jié)構(gòu)部件的尺寸發(fā)生變化而產(chǎn)生（如大變形、鋼材的腐蝕、連接件的磨損等），這類故障會(huì)嚴(yán)重影響岸橋的安全以及正常運(yùn)行，可根據(jù)其設(shè)計(jì)規(guī)范[6，7]的要求，通過停機(jī)監(jiān)測(cè)來確定岸橋是否依然可安全運(yùn)行，如連接處螺栓與銷軸的松動(dòng)與磨損、構(gòu)件腐蝕、油漆剝離等會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在受載時(shí)可能會(huì)因強(qiáng)度不足導(dǎo)致岸橋整體垮塌。此外，在實(shí)際運(yùn)行中還有運(yùn)營方根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給定的附加要求，如前后大梁截面腐蝕程度需要小于設(shè)計(jì)板厚的10%、油漆剝離面積需要小于整體面積的10%、前后大梁的最大撓度不超過L/350（L為梁的有效懸臂長度）、對(duì)稱位置上拉桿間的強(qiáng)度差小于15%等。

焊縫、構(gòu)件出現(xiàn)的裂紋會(huì)嚴(yán)重威脅到岸橋的安全，必要時(shí)需停機(jī)檢測(cè)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)表面探傷。為了不傷及結(jié)構(gòu)，表面探傷采用無損探傷，常見的方法有磁粉、滲透探傷和超聲波探傷等。磁粉檢測(cè)操作簡單、成本低，但對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高；滲透檢測(cè)可檢測(cè)出裂紋在表面的分布情況，但對(duì)于裂紋的擴(kuò)展情況較難確定；超聲波探傷應(yīng)用范圍相對(duì)較廣，線性超聲波用于探測(cè)宏觀的裂紋，而因材料疲勞產(chǎn)生的微裂紋采用非線性的超聲波進(jìn)行檢測(cè)具有更高的靈敏度[8]。

當(dāng)起重機(jī)工作時(shí)，為避免因負(fù)載振動(dòng)引起共振，有些工況下需對(duì)結(jié)構(gòu)部件的動(dòng)剛度進(jìn)行檢驗(yàn)[9]。

2.2 故障原因分析

故障原因分析指的是分析人、環(huán)境、物理或化學(xué)因素等對(duì)故障各個(gè)約定層次的直接誘因與間接誘因，通過故障原因分析可在源頭上開展有針對(duì)性地預(yù)防工作。故障原因基于不同的故障模式分類而不同，岸橋基本層面的故障原因主要有材料的裂紋、開裂；鋼結(jié)構(gòu)變形；焊縫；材料的銹蝕、涂層剝離；輪壓；連接件等。

1）材料的裂紋、開裂 應(yīng)追溯其受沖擊載荷、碰撞以及疲勞載荷的原因，此時(shí)應(yīng)結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及實(shí)際工況運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析；

2）鋼結(jié)構(gòu)變形 主要考慮承載是否超標(biāo)、是否偏載嚴(yán)重等原因，也應(yīng)注意實(shí)際工況中碰撞所致的變形；

3）焊縫 探究焊接質(zhì)量的監(jiān)控以及焊縫處所受疲勞應(yīng)力的原因，同時(shí)還應(yīng)注意焊縫所體現(xiàn)的問題可能是多重故障模式傳遞而至，需判別其最初始的直接原因；

4）材料的銹蝕、涂層剝離 這類故障模式多與其所處環(huán)境有關(guān)，主要原因有環(huán)境侵蝕、頻繁摩擦或未做事先維護(hù)等；

5）輪壓 應(yīng)考慮是否超載運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)是否受較強(qiáng)風(fēng)侵襲；

6）連接件 此為多重故障模式，其本身產(chǎn)生的原因可能是防松措施不到位、疲勞應(yīng)力反復(fù)或材料自身磨損等。

故障模式的體現(xiàn)及原因的分析，往往是多重傳遞所致，故在分析故障影響時(shí)需要注意不同約定層次故障之間的關(guān)聯(lián)影響問題。

影響岸橋正常運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)事故往往是多種故障相伴而生的，經(jīng)過不同層次故障的傳遞和疊加會(huì)促進(jìn)新故障的生成，如腐蝕和磨損會(huì)消減零部件的尺寸，從而降低材料的剛度，在施加相同載荷的情況下，經(jīng)過腐蝕和磨損的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生更大撓度的變形，由此可能會(huì)阻礙小車的正常運(yùn)行。腐蝕和磨損還會(huì)降低整體的動(dòng)剛度，吊裝過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，降低動(dòng)剛度就意味著更容易發(fā)生共振造成整體結(jié)構(gòu)垮塌。當(dāng)結(jié)構(gòu)各部件的連接部位發(fā)生磨損后，連接件強(qiáng)度降低更容易被破壞，較大的空隙更容易受到?jīng)_擊載荷的影響致使連接材料斷裂。當(dāng)零部件的材料強(qiáng)度不均衡時(shí)，會(huì)因受力不均衡造成側(cè)偏，還可能會(huì)在交變載荷作用下加速材料的疲勞，產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展等。

3 構(gòu)建故障模式效應(yīng)分析表

故障模式效應(yīng)分析（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）是根據(jù)現(xiàn)有的資料和客戶需求，系統(tǒng)分析故障結(jié)構(gòu)，鑒別系統(tǒng)中每一個(gè)潛在的故障模式，分析引起故障的原因，建立一份完整的故障模式效應(yīng)分析表格，然后利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行相關(guān)分析[10]。在FMEA分析中，通常是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）的大小來判斷故障模式的影響嚴(yán)重程度[11]，一般RPN表示為故障危害度S、故障發(fā)生頻度O和故障檢測(cè)度D的乘積，即

RPN值越大，影響程度就越大。故障危害度S可以二次拆分為經(jīng)濟(jì)度、安全度與操作度，一般表示為三者的算術(shù)平均值。結(jié)合岸橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與國家標(biāo)準(zhǔn)[12]，組成風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN的因素按照程度不同分為10個(gè)等級(jí)，故障危害度S數(shù)值越大，代表評(píng)判岸橋結(jié)構(gòu)實(shí)際故障模式的危害及其影響程度越大；故障檢測(cè)度D越大表示發(fā)生此故障探測(cè)難度越高，故障發(fā)生頻度O數(shù)值越大說明此類型故障發(fā)生越頻繁。

基于岸橋的實(shí)際工程實(shí)踐以及相關(guān)專家評(píng)判，形成的岸橋結(jié)構(gòu)初始FMEA分析表如表1所示。FMEA表的評(píng)分應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的，在每個(gè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，都應(yīng)重新結(jié)合監(jiān)測(cè)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行重新評(píng)分，推動(dòng)FMEA分析的結(jié)果動(dòng)態(tài)變化，從而動(dòng)態(tài)反映岸橋結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的逐步演化。

表1 岸橋結(jié)構(gòu)FMEA表（RPN：風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)）

續(xù)表1

4 結(jié)論

本文對(duì)岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式及其影響分析（FMEA分析），論述了岸橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分析了主要結(jié)構(gòu)故障形式及其發(fā)生原因，制定了故障判定準(zhǔn)則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的FEMA分析表，從而為岸橋的安全運(yùn)維和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)巡檢與監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。