集裝箱碼頭門式起重機(jī)維修策略決策分析

張翰林,葛世潁,胡健波

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.天津港中企聯(lián)合物流有限公司,天津 300452)

港口作為一個國家海上運(yùn)輸?shù)闹匾修D(zhuǎn)站,是連接海洋與陸地的支點(diǎn),也是城市之間的水陸交通樞紐,對于服務(wù)支撐國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前隨著我國水運(yùn)行業(yè)投資的逐步放緩,港口的建設(shè)從建設(shè)期轉(zhuǎn)向運(yùn)營期,港口的基礎(chǔ)設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)將成為未來一個時期關(guān)注的重點(diǎn)。隨著我國沿海港口集裝箱碼頭的機(jī)械設(shè)備向多功能、大型化發(fā)展,一個設(shè)備發(fā)生故障可能會導(dǎo)致連鎖反應(yīng),從而對港口造成經(jīng)濟(jì)損失。本文提出了以可靠性為中心理論,在保證設(shè)備完好率的前提下,對設(shè)備的維修周期作出預(yù)測,并結(jié)合北方某港口的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,論證該理論的可行性。

國內(nèi)外關(guān)于設(shè)備維修開展了諸多研究。ROSQVIST、LAAKS和REUNANEN等[1]提出以費(fèi)用核算為核心的預(yù)防性維修策略,按照設(shè)備分級管理、風(fēng)險等級確定、選擇維修方式等環(huán)節(jié)形成維護(hù)方案。CATELANI等[2]提出了按照設(shè)備最大使用周期為核心,建立預(yù)防機(jī)制模型,最大程度的提升設(shè)備使用時間,提升經(jīng)濟(jì)性。SELVIK和AVEN等[3]提出了風(fēng)險等級判定的維修理論,并建立了設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)價值的模型。MULLER等[4]通過收集案例信息,建立信息臺賬并實(shí)現(xiàn)共享,為維修方式的選擇提供輔助決策。BERG[5]通過觀察對比相同設(shè)備在不同環(huán)境的故障發(fā)生情況,分別匹配不同的維修策略,進(jìn)而得出設(shè)備維護(hù)的最優(yōu)方案。DING等[6]通過記錄不同程度的老化設(shè)備工作時的數(shù)據(jù),提出了各個階段設(shè)備維護(hù)的方案,對于設(shè)備維修理論的發(fā)展起到了推進(jìn)作用。

余雷[7]通過總體費(fèi)用計(jì)算,結(jié)合設(shè)備運(yùn)營的風(fēng)險分析建立模型,對各種維修方案進(jìn)行評價,同時給出了優(yōu)化維修方案。田輝[8]以碼頭設(shè)備作為研究對象,以信息化監(jiān)測為手段,對設(shè)備進(jìn)行長周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),通過模型計(jì)算預(yù)判出設(shè)備的維修周期。周大偉等[9]通過建立模型,實(shí)現(xiàn)設(shè)備使用周期的預(yù)測。曹勤[10]通過研究拆分模型,將各類構(gòu)件的使用環(huán)境、自身參數(shù)等因素按照評判體系,形成維修決策判定標(biāo)準(zhǔn)。趙金艷[11]按照以可靠性為中心理論,提出了港口設(shè)備維修方案,并給出了相關(guān)建議。

本文以集裝箱門式起重機(jī)為研究對象,分析其設(shè)備風(fēng)險等級,提出維修策略并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

1 以可靠性為中心的策略研究

以可靠性為中心的維修是國際上通用的用于確定設(shè)備預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。其定義為：“按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則,應(yīng)用邏輯決斷方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程或方法”。通過對系統(tǒng)進(jìn)行功能與故障分析,明確系統(tǒng)內(nèi)各故障后果;用規(guī)范化的邏輯決斷程序,確定各故障后果的預(yù)防性對策;通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下,以最小的維修停機(jī)損失和最小的維修資源消耗為目標(biāo),優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

1.1 以可靠性為中心的策略

以可靠性理論為基礎(chǔ)的維修是滿足設(shè)備正常運(yùn)行需求的一種維修理論,其策略就是分析設(shè)備的故障模式和運(yùn)行時的狀態(tài)參數(shù),通過分析設(shè)備的功能性能、功能故障、故障原因、故障表現(xiàn)、故障后果、故障預(yù)防策略等內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)備故障,制定出最合理的維修管理決策,從而更加全面、科學(xué)、合理地提升設(shè)備的可靠性。

本文針對以可靠性為中心的研究策略,在堅(jiān)持可靠性和安全性的前提下,了解研究對象的設(shè)計(jì)功能、用途和工作環(huán)境,通過對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分,明確每個構(gòu)件失效帶來的風(fēng)險和影響,制定分析表格,判定風(fēng)險等級,確定維修策略和周期。

1.2 策略研究路徑

以可靠性為中心的策略維護(hù)步驟如圖1所示。以可靠性為中心的維修方式以故障模式分析與影響分析作為依據(jù),針對本文研究對象,提出工作流程如下：(1)了解港口門式起重機(jī)的工作流程,收集前期維護(hù)數(shù)據(jù);(2)細(xì)分設(shè)備的組成,掌握其關(guān)鍵功能,明確核心構(gòu)件;(3)對核心構(gòu)件和其他構(gòu)件進(jìn)行故障模式和影響分析;(4)確定各個構(gòu)件出現(xiàn)故障時的風(fēng)險等級;(5)劃分風(fēng)險等級,同時針對不同的風(fēng)險等級確定維修策略;(6)確定維修原則,給出最優(yōu)的維修周期。

圖1 以可靠性為中心的研究理論流程圖Fig.1 Flowchart of research theory centered on reliability

1.2.1 故障模式與影響分析

故障模式與影響分析是以可靠性為中心決策研究的關(guān)鍵步驟,通過設(shè)備相關(guān)資料的收集和專家評估梳理形成故障模式,并結(jié)合設(shè)備使用環(huán)境對其影響開展科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥?/p>

(1)故障模式。明確設(shè)備的故障,需對設(shè)備的使用環(huán)境、各個構(gòu)件和功能進(jìn)行詳細(xì)的研究,對照其功能可能出現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和預(yù)判,制定維護(hù)策略,消除潛在故障。

(2)影響分析。影響分析即為設(shè)備發(fā)生故障后可能出現(xiàn)的后果,根據(jù)其嚴(yán)重程度劃分風(fēng)險等級,便于為維護(hù)策略提供支撐。故障發(fā)生后產(chǎn)生的后果按重要程度可劃分為對設(shè)計(jì)結(jié)果故障影響、安全性和環(huán)境性故障影響、隱蔽性故障影響、非隱蔽性故障影響和非實(shí)用性故障影響。

1.2.2 判定風(fēng)險等級和確定維修策略

根據(jù)故障程度和影響分析,以及以可靠性為中心理論確定的設(shè)備風(fēng)險等級可將維護(hù)計(jì)劃分為5類：設(shè)計(jì)更改、改進(jìn)型維修策略、預(yù)防型維修策略、養(yǎng)護(hù)型維修策略和狀態(tài)型維修策略。

1.3 以可靠性為中心維修決策的優(yōu)勢

相較以往的維修方式,以可靠性為中心維修決策通過分析設(shè)備各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù),更加全面地掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)劃分和故障原因,并對其運(yùn)行的狀態(tài)做出判斷,從而制定出最合理的維修策略,在降低人員成本和設(shè)備維修成本的同時,提高設(shè)備的運(yùn)行效率,延長設(shè)備的使用壽命。

2 研究方法

2.1 故障模式分析及風(fēng)險判定

2.1.1 故障模式分析

綜合評估港口設(shè)備故障有3個基本因素,即為故障概率、故障檢測難度和故障嚴(yán)重程度,設(shè)備進(jìn)行故障檢測前,會邀請行業(yè)專家、設(shè)備技術(shù)人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)備使用人員應(yīng)用該方法確定評分標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)其劃分等級,制作故障檢測分制表(表1)。

表1 故障檢測分制表(5分制)Tab.1 Fault detection score table (5-point scale)

2.1.2 各因素印象權(quán)重

結(jié)合故障分析表提出的判定分值,通過層數(shù)分析確定每個指標(biāo)的權(quán)重,確定設(shè)備故障的風(fēng)險等級[12]。

(1)判斷矩陣。通過對設(shè)備進(jìn)行拆解,并根據(jù)其重要程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),重要程度最高為9,最低為1,對比兩個結(jié)構(gòu)之間三個要素檢測概率。當(dāng)a要素與b要素同等重要時,分值為1;a要素比b要素稍微重要時,分值為3;a要素比b要素明顯重要時,分值為5;a要素比b要素強(qiáng)烈重要時,分值為7;a要素比b要素極端重要時,分值為9,其中2、4、6、8介于尺度中間(表2)。

表2 專家打分表Tab.2 Expert grading

選擇對其中兩個要素進(jìn)行對比,結(jié)合專家評測,形成判別矩陣(表3)如下：

表3 關(guān)鍵要素判別矩陣Tab.3 Discriminant matrix of key elements

(2)權(quán)重分析。根據(jù)判別矩陣分析三項(xiàng)數(shù)據(jù)的權(quán)重

(1)

其中,計(jì)算Mi的三次方根

(2)

求解特征向量

(3)

根據(jù)式(1),連續(xù)乘積的結(jié)果計(jì)算為：M1=30,M2=1/12,M3=2/5;根據(jù)式(2),計(jì)算結(jié)果為：WW1=3.1,WW2=0.44,WW3=0.74;根據(jù)式(3),特征向量的結(jié)果計(jì)算為：W1=0.73,W2=0.1,W3=0.17;即：W1失效嚴(yán)重度系數(shù)為0.73;W2故障發(fā)生的概率系數(shù)為0.1;W3故障檢測的困難系數(shù)為0.17。

2.2 判定故障風(fēng)險等級

建立綜合評分標(biāo)準(zhǔn),其中Q代表綜合得分。Wi為失效發(fā)生概率、故障嚴(yán)重程度和檢測難易度的評分系數(shù),Yi為專家評測分?jǐn)?shù),其關(guān)系如下

(4)

在獲得綜合得分后,將風(fēng)險等級分為5類。4～5時風(fēng)險等級為A。3～4時風(fēng)險等級為B,2～3時風(fēng)險等級為C,1～2時風(fēng)險等級為D,0～1時風(fēng)險等級為E,A為最高,E為最低。

2.3 維修決策

2.3.1 維修決策分類

根據(jù)危險等級判定,確定給出維修方式,具體如下：

(1)危險等級為A的故障——設(shè)計(jì)更改。此類故障的影響一般是無法預(yù)知和降低的,因此,在面對此類故障時,需聯(lián)系設(shè)備供應(yīng)商,通過修改設(shè)計(jì)缺陷、更換材料等方式從根本上杜絕此類故障發(fā)生。

(2)危險等級為B的故障——改進(jìn)型維修策略。此類故障對環(huán)境和安全影響較大,其出現(xiàn)通常存在兩個原因,一是結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)缺乏合理性,導(dǎo)致運(yùn)行故障;二是設(shè)備總體設(shè)計(jì)正確,但其中某一零部件因設(shè)計(jì)、材料或者使用環(huán)境等方面出現(xiàn)問題,導(dǎo)致故障發(fā)生。面對第一種問題,采取的維修策略與A類故障相同,建議修改設(shè)計(jì)缺陷,而面對第二種問題如果為核心部件需采用改進(jìn)型維修的策略;如果是易耗品部件建議采用預(yù)防型維修的策略,從而防范化解風(fēng)險。

(3)危險等級為C的故障——預(yù)防型維修策略。此類故障一般只針對設(shè)備本身,對環(huán)境和安全造成的影響中等,針對此類故障需結(jié)合實(shí)際情況對其實(shí)現(xiàn)定期檢測或者利用信息化手段進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,實(shí)行預(yù)防型維修策略,在預(yù)知問題或者問題的初期對其處理。

(4)危險等級為D的故障——養(yǎng)護(hù)型維修策略。此類故障對環(huán)境和安全造成的影響較小,此類故障一般是由于設(shè)備零部件之間的磨損或者超過使用壽命造成的,應(yīng)實(shí)行養(yǎng)護(hù)型維修策略,需對設(shè)備不同構(gòu)件進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)和更換,即可有效避免。

(5)危險等級為E的故障——狀態(tài)型維修策略。此類故障為風(fēng)險等級最低的故障,一般不會對環(huán)境和安全造成影響,因此,對于此類故障可采取狀態(tài)型維修策略,出現(xiàn)故障后進(jìn)行修理即可。

2.3.2 計(jì)算維修周期

(1)參數(shù)設(shè)定。設(shè)備失效率為g(t),隨著時間變化而變化,設(shè)備的失效率在每次預(yù)防維修后以常數(shù)u倍遞增,設(shè)備正常工作所要求的最低設(shè)備完好率為B。設(shè)備的預(yù)防維修時間為T,設(shè)備的失效率在預(yù)防維修后變?yōu)榱?如果未到預(yù)設(shè)的預(yù)防維修時間就發(fā)生故障需進(jìn)行小修,故障小修的時間為Tm;設(shè)備單次更新費(fèi)用為sx,單次的預(yù)防維修費(fèi)用為sy,單次故障小修的費(fèi)用為sz;N為設(shè)備一次更新時間內(nèi)的預(yù)防維修次數(shù)(含設(shè)備更新次數(shù)),Nk為第k個預(yù)防維修周期內(nèi)的小修次數(shù)。

(2)建立模型。設(shè)備維修費(fèi)用=設(shè)備更新費(fèi)用+設(shè)備預(yù)防維修費(fèi)+設(shè)備故障維修費(fèi)用,其中設(shè)備故障后如不能滿足設(shè)備完好率要求,則不在支付預(yù)防維護(hù)費(fèi)用,改為更新設(shè)備,即本次設(shè)備更新周期結(jié)束。計(jì)算式如下

(5)

設(shè)備維修時間=預(yù)防維修時間+設(shè)備故障小修時間,計(jì)算式如下

(6)

設(shè)備維修的平均費(fèi)用S(N,T)=設(shè)備維修費(fèi)用/設(shè)備維修時間,計(jì)算式如下

(7)

設(shè)備失效率與設(shè)備預(yù)防維修周期內(nèi)的故障次數(shù)相關(guān),其關(guān)系可表示為

(8)

因此設(shè)備更新周期內(nèi)總故障為

(9)

將式(9)帶入式(7),求得平均維修費(fèi)用為

(10)

設(shè)備完好率=設(shè)備全周期-設(shè)備失效率,其中設(shè)備失效率=設(shè)備故障期/(設(shè)備維護(hù)期+設(shè)備故障期),第k個周期的設(shè)備完好率如下

(11)

故障模式的遞增模型選擇威布爾分布進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算式為

(12)

將式(12)帶入式(11)求導(dǎo),可知

(13)

因此,求解設(shè)備完好率B問題模型如下

(14)

將式(12)帶入式(10)求導(dǎo),S(N,T)問題模型如下

(15)

文中BN(N,T)作為約束條件,在保證設(shè)備完好率的前提下,計(jì)算設(shè)備一次更新周期內(nèi)平均費(fèi)用S(N,T)為最小值時,N與T的值。

3 實(shí)例分析

3.1 風(fēng)險等級判定

本文以集裝箱門式起重機(jī)作為研究對象,對其開展研究分析。集裝箱門式起重機(jī)的主體包括整體車載運(yùn)行結(jié)構(gòu)、金屬框架結(jié)構(gòu)、龍門架結(jié)構(gòu)和起升結(jié)構(gòu)4個部分,通過判定其風(fēng)險等級,選擇最優(yōu)的維修策略。

3.1.1 失效模式分析

本文以集裝箱門式起重機(jī)中重要的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和起升結(jié)構(gòu)為例,對兩個設(shè)備的維修數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)。

表4 以可靠性為中心的分析結(jié)果Tab.4 Analysis results centered on reliability

3.1.2 影響分析及各項(xiàng)指標(biāo)評定

通過對北方某港口兩個構(gòu)件6月至10月的維修數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,綜合多位專家打分,從而得出3個要素的統(tǒng)計(jì)評分,詳見表5和表6。

表5 運(yùn)行結(jié)構(gòu)三個要素統(tǒng)計(jì)評分Tab.5 Statistical scores of the three elements of operation structure

表6 起升結(jié)構(gòu)三個要素統(tǒng)計(jì)評分Tab.6 Statistical scores of the three elements of the lifting structure

3.1.3 危險等級判定及確定維修策略

結(jié)合專家評測分?jǐn)?shù)表,判定故障風(fēng)險等級,確定維修方案,代入式(4),形成判定結(jié)果如表7所示。

表7 風(fēng)險等級判定及及維修策略選擇Tab.7 Risk level determination and maintenance strategy selection

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將上文研究理論代入實(shí)際,根據(jù)北方某港口集裝箱門式起重機(jī)現(xiàn)有維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息,通過計(jì)算平均值可知,該設(shè)備單次維修系數(shù)α=0.5、β=4,最低設(shè)備完好率B=0.95,單次維修遞增次數(shù)u=1.1,單次更新費(fèi)用sx=20萬元,最小故障維修費(fèi)用為sy=3萬元,單次維護(hù)檢查費(fèi)用sz=1萬元,每次進(jìn)行故障小修的時間為Tt=0.006 a。

通過計(jì)算可知,最佳維修策略為：N=19.82,T=0.44 a,即預(yù)防維修的間隔為0.44 a,在設(shè)備部件進(jìn)行19次維修后進(jìn)行更換。

4 結(jié)論

本文提出了一種以可靠性為中心的維修策略,通過現(xiàn)場設(shè)備調(diào)研和專家分析等方法將其分解成為獨(dú)立的構(gòu)件,確定每個構(gòu)件的故障發(fā)生概率、影響程度和檢測難易程度的權(quán)重,分析其運(yùn)行方式,判定其故障原因、風(fēng)險等級和維修策略,并在保證設(shè)備完好率的前提下,給出了適用于設(shè)備維修和更換的合理周期,降低了僅憑借經(jīng)驗(yàn)判定設(shè)備故障的影響,為港口實(shí)際維修管理決策提供了依據(jù)。