應(yīng)法明 陳勇鑫 孫亞良 滕欣定

(紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興 312071)

基于模糊數(shù)學(xué)方法的門式起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

應(yīng)法明 陳勇鑫 孫亞良 滕欣定

(紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興 312071)

本文采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)門式起重機(jī)潛在風(fēng)險(xiǎn)因素(腐蝕、裂紋、強(qiáng)度及變形)導(dǎo)致的金屬結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。從主梁和支腿兩個(gè)角度出發(fā)，建立了不同金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)影響因素為子系統(tǒng)的多層次評(píng)判系統(tǒng)。該方法方便了門式起重機(jī)的綜合安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為提高其安全性能提供了方向。

門式起重機(jī) 模糊數(shù)學(xué) 專家系統(tǒng) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及自動(dòng)化程度的提高，門式起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中的作用越來越大，如已經(jīng)被應(yīng)用于港口碼頭、鐵路車站和工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域。同時(shí)該類起重機(jī)的事故也頻頻發(fā)生，如何降低風(fēng)險(xiǎn)，保障人們安全生產(chǎn)，顯得尤為重要。

近年來，人們已將風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)用于船舶與海洋工程、航天工程、環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域[1-3]，而起重機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究尚少。

圖1 門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)

本文采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)中，結(jié)合該類起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)因素的特點(diǎn)，建立了不同金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)影響因素為子系統(tǒng)的評(píng)判體系，從門式起重機(jī)的主梁和支腿兩個(gè)角度出發(fā)：(1)對(duì)于主梁而言，分別討論腐蝕、裂紋、強(qiáng)度及變形對(duì)主梁上翼緣板、下翼緣板、腹板及隔板的影響；(2) 對(duì)于支腿而言，分別討論腐蝕、裂紋對(duì)支腿外蓋板和腹板的影響，由于支腿的強(qiáng)度和變形對(duì)其影響較小，在本文中暫不考慮。研究表明：將模糊綜合評(píng)判法應(yīng)用于門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可以定量地反映出整體金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)程度；借助工況最不利點(diǎn)的概念，通過分析得出應(yīng)力非常集中、裂紋最容易出現(xiàn)的部位。

1 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)

1.1 起重機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

影響起重機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的因素主要有以下四個(gè)方面：

1)腐蝕影響因素。起重機(jī)長期工作在戶外環(huán)境中，由于發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而引起的破壞，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

2)裂紋影響因素。隨著使用年限的不斷增加，起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)會(huì)在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。

3)強(qiáng)度影響因素。在工程使用中，必須保證在起重機(jī)上施加的應(yīng)力小于其規(guī)定的載荷強(qiáng)度，否則會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的損壞現(xiàn)象。

4)變形影響因素。起重機(jī)工作時(shí)，主梁應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

1.2 模糊控制的數(shù)學(xué)原理

模糊數(shù)學(xué)是用精確的數(shù)學(xué)方法處理無法用數(shù)字來描述的模糊概念或事物。具體地說，模糊綜合評(píng)價(jià)就是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)的一種方法，其步驟如下：

1)確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素領(lǐng)域。

有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，表明對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象從哪些方面來進(jìn)行評(píng)判描述。

2)確定評(píng)語等級(jí)論域。

評(píng)語集是評(píng)價(jià)者對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種總的評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合V：

3)多因素模糊評(píng)價(jià)。

利用合適的合成算子將矩陣A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B。R中不同的行反映了某個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象從不同的單因素來看對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬程度。用模糊權(quán)向量A將不同的行進(jìn)行綜合，就可以得到U。該被評(píng)價(jià)對(duì)象從總體上來看是對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬程度，即模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B。

模糊綜合評(píng)價(jià)的模型為：

其中bj(j=1,2,…n)是由矩陣A與R的第J列運(yùn)算得到的，表示被評(píng)級(jí)對(duì)象從整體上看對(duì)V等級(jí)模糊子集的隸屬程度。

1.3 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)度W

假定風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)判等級(jí)(q1,q2,…qm)評(píng)判語句、風(fēng)險(xiǎn)影響等級(jí)(g1,g2,…gm)評(píng)判語句的權(quán)重系數(shù)分別為Q={q1,q2,…qm}、G={g1,g2,…gm}，則風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率、風(fēng)險(xiǎn)事件影響的概率分別表示為:

式中：

RP——風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率隸屬度矩陣；RC——風(fēng)險(xiǎn)影響隸屬度矩陣；根據(jù)式(4)可以得到風(fēng)險(xiǎn)度W:

1.4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)相應(yīng)因素風(fēng)險(xiǎn)值得到后，應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)水平作出定性判斷，即給出起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),從而定性判斷其相應(yīng)因素的風(fēng)險(xiǎn)程度。常用的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)：較低級(jí)(0～0.2)、低級(jí)(0.2～0.4)、較高級(jí)(0.4～0.6)、高級(jí)(0.6～0.8)和很高級(jí)(0.8～1.0)。

2 門式起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的典型應(yīng)用

2.1 研究對(duì)象選取

本文選取通用門式起重機(jī)械，型號(hào)為MDG20/5-32，使用壽命為8年，制造單位為紹興麒龍起重機(jī)械有限公司。組織筆者單位10名起重機(jī)專家對(duì)該臺(tái)起重機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立金屬結(jié)構(gòu)整體風(fēng)險(xiǎn)框架圖，如圖2所示：

圖2 門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)整體風(fēng)險(xiǎn)框架圖

圖2中，V為門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)整體風(fēng)險(xiǎn)；

1)對(duì)于主梁而言：V1為主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V11為由于腐蝕導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V11i(i=1～4)為由于腐蝕導(dǎo)致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V12為由于裂紋導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V12i(i=1～4)為由于裂紋導(dǎo)致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V13為由于強(qiáng)度導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V13i(i=1～4)為由于強(qiáng)度導(dǎo)致主梁金屬上翼緣板、腹板、筋板、下翼緣板結(jié)構(gòu)破壞；V14為由于變形導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V141為由于波浪變形導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1411為由于波浪變形導(dǎo)致主梁上翼緣板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1412為由于波浪變形導(dǎo)致主梁腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V142為由于偏斜導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1421為由于偏斜導(dǎo)致主梁上翼緣板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V1422為由于偏斜導(dǎo)致主梁腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V143為由于主梁下沉導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞；V144為由于水平彎曲導(dǎo)致主梁金屬結(jié)構(gòu)破壞。

2)對(duì)于支腿而言：V2為支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V21為由于腐蝕導(dǎo)致支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V211為由于腐蝕導(dǎo)致支腿外蓋板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V212為由于腐蝕導(dǎo)致支腿腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V22為由于裂紋導(dǎo)致支腿金屬結(jié)構(gòu)破壞；V221為由于裂紋導(dǎo)致支腿外蓋板金屬結(jié)構(gòu)破壞；V222為由于裂紋導(dǎo)致支腿腹板金屬結(jié)構(gòu)破壞。

在本文中，由于該臺(tái)起重機(jī)經(jīng)過仔細(xì)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在主梁和支腿的連接焊板靠近主梁側(cè)出現(xiàn)約20mm*30mm的裂紋缺口，所以本文中重點(diǎn)討論裂紋對(duì)該門式起重機(jī)的影響。

首先，由10名專家評(píng)判得到該門式起重機(jī)的可靠性結(jié)果，見表1。而對(duì)于其他影響因素Vij可參考文獻(xiàn)[4]。其次，以可靠性分析得到的結(jié)果為參考依據(jù)，由專家評(píng)判得到該門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)概率隸屬矩陣Dii和風(fēng)險(xiǎn)影響隸屬度矩陣Eii：

表1 專家評(píng)判可靠性結(jié)果

其中P表示概率，C表示影響程度；Dij(i=1,2;j=1～4)和Eij(i=1,2;j=1～4)分別為專家評(píng)判得到的該門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)概率隸屬度矩陣和風(fēng)險(xiǎn)影響隸屬度矩陣。

然后，給出不同等級(jí)下因素的風(fēng)險(xiǎn)概率權(quán)重系數(shù)QV，見式（8）：

給出不同等級(jí)下因素的風(fēng)險(xiǎn)影響權(quán)重系數(shù)GV，見式（9）：

最后，通過計(jì)算，可以得到腐蝕、裂紋、強(qiáng)度、變形的概率隸屬度矩陣RP：

通過計(jì)算，可以得到腐蝕、裂紋、強(qiáng)度、變形的概影響隸屬度矩陣RC：

將上述結(jié)果代入式(4)和式(5),利用Matlab軟件計(jì)算得到該門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)度W=PTC=0.7173，由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判等級(jí)可以得出該起重機(jī)風(fēng)險(xiǎn)程度高，需要進(jìn)行相應(yīng)的整改和修復(fù)。

2.2 工況最不利點(diǎn)

門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工況最不利點(diǎn)：在工況為滿載起重小車位于主梁跨中或位于懸臂段時(shí)，起重機(jī)大車運(yùn)行制動(dòng)的同時(shí)，吊載下降制動(dòng)時(shí)，為最不利的載荷狀態(tài)，即為應(yīng)力集中點(diǎn)，如圖3所示：1) 滿載位于主梁跨時(shí)，A-A，B-B，C-C點(diǎn)為工況最不利點(diǎn)；2)滿載位于懸臂段時(shí)，D點(diǎn)為工況最不利點(diǎn)。

圖3 工況最不利點(diǎn)

2.3 裂紋產(chǎn)生的原因

1) 圖3中，當(dāng)載荷在跨中或懸臂端時(shí)，上述工況最不利點(diǎn)部位受力狀況較復(fù)雜，有彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力和焊接應(yīng)力等。既要承受起升載荷和自重載荷引起的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，同時(shí)又受運(yùn)行的側(cè)向載荷，大、小車制動(dòng)慣性載荷和風(fēng)載荷等作用，局部合成應(yīng)力較大，故此部位應(yīng)力集中點(diǎn)極易產(chǎn)生疲勞破壞。

2) 制作時(shí)接縫間隙過大或下翼緣板局部未開坡口，焊縫質(zhì)量不高，焊接殘余應(yīng)力過高及鋼板母材本身局部質(zhì)量不高而引起的。

2.4 可行性修復(fù)

通常利用焊接和焊縫加固的方法修復(fù)裂紋。修復(fù)后，再利用上述評(píng)估方法，發(fā)現(xiàn)該金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)度降低了，其值W=PTC=0.2036。

3 結(jié)束語

本文采用模糊數(shù)學(xué)方法綜合評(píng)判了門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，分別從主梁和支腿兩個(gè)角度出發(fā)，研究腐蝕、裂紋、強(qiáng)度及變形這四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)的影響，宏觀上反映了金屬結(jié)構(gòu)潛在風(fēng)險(xiǎn)，整體上把握了金屬結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)程度，更加直觀地掌握其風(fēng)險(xiǎn)情況，從而保證該類起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全使用。引入工況最不利點(diǎn)的概念，通過分析得出應(yīng)力非常集中、裂紋最容易出現(xiàn)的點(diǎn)，這也是起重機(jī)檢驗(yàn)檢測工作的重點(diǎn)。

1 杜勇，王文輝．水環(huán)境安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013,41(32):12703～12704．

2 尤慶華，陳杰，胡甚平,等．集裝箱船舶順流靠泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與操作要領(lǐng)[J]．中國航海，2013,36(4): 143～146．

3 孫璐．基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的航天型號(hào)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]．航天工業(yè)管理，2012(6):12～18．

4 李波．橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及其可靠性分析[D]．上海：上海交通大學(xué)，2010．

Study on Gantry Crane Risk Assessment Based on the Fuzzy Mathematics Method

Ying Faming
(Shaoxing City Special Equipment Inspection Institute Shaoxing 312071)

Fuzzy mathematics method is adopted to conduct risk assessment on the structure damage caused by potential risks such as corrosion, crack, strength and deformation of the metal structure of gantry crane．On beam and legs, the multi1evel judgment system with the subsystems of different metal structure damages of gantry crane is established．This method facilitates the comprehensive securi

ty risk assessment of the gantry crane, to provide guideline for improving its safety performance.

Gantry crane Fuzzy mathematics Expert system Risk assessment

X941

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－4 3－04D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.012

應(yīng)法明（1985～）,男,碩士,工程師,檢驗(yàn)員,從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測。

2014-06-15）