張建榮　董富治　郝晉峰

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗技術部　太原　030027)

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航天發(fā)射場橋式起重機小車運行機構安全分析方法

張建榮董富治郝晉峰

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心試驗技術部太原030027)

以橋式起重機小車運行機構故障為研究對象,應用概率風險評估方法,對某轉載大廳50/20噸橋式起重機進行了安全分析。包括基于FTA和FMEA的小車運行機構故障的風險識別方法、基于模糊可靠性理論的風險評估方法,并提出了橋式起重機安全運行的風險預防和控制措施。

橋式起重機; 安全分析; 概率風險評估; FTA; FMEA

Class NumberTH215

1　引言

某發(fā)射場測試廠房轉載大廳的50/20噸橋式起重機主要是負責試驗任務中火箭、衛(wèi)星的吊裝、轉載和組裝以及設備的裝卸等。該橋式起重機使用壽命已逾20年,因此有必要對其潛在風險進行分析,進而采取合理的應對措施。橋式起重機主要由橋架、大車運行機構和裝有起升、運行機構的小車以及電氣控制部分等組成。無論哪個組成部分發(fā)生故障,都會對試驗任務的順利進行造成直接影響。其中,小車運行機構是主、副起升機構的支撐,其作用是沿小車軌道方向調(diào)整吊鉤的工作位置和搬運產(chǎn)品,如果發(fā)生故障對試驗任務有直接影響。因此,選擇小車運行機構作為研究對象,分析其可能發(fā)生的故障并提出預防措施。

風險評價主要是通過風險識別、風險評估、風險評定,并對風險實施有效控制,從而以最小的成本收獲最大的安全保障。風險評價最早出現(xiàn)在保險行業(yè),20世紀60年代開始全面系統(tǒng)地研究企業(yè)、裝置和設施的風險評價原理和方法。經(jīng)過多年發(fā)展積累逐漸形成了定性風險評價、半定量風險評價和定量風險評價方法[1～2]。定性分析方法在一定程度上給出了系統(tǒng)的風險水平,發(fā)揮了積極作用。但定性方法難以確定出明確具體的安全風險目標,不利于對導致事故的潛在原因及事故可能的發(fā)展過程進行分析研究,也不能對風險的可能性和后果進行量化以供決策者使用[3]。因此,定量風險評價方法是當前研究的熱點。

概率風險評估(Probabilistic Risk Assessment,PRA)是一種系統(tǒng)安全性風險的定量評價方法,其目的是把定性分析轉化成定量評估[4]。但由于評估過程較為復雜,數(shù)據(jù)收集難度較大,在航天領域的應用尚處于起步階段[5]。安全性風險分析的范圍包括設備、人和環(huán)境。橋式起重機安裝在廠房內(nèi)部,受自然環(huán)境影響較小。本文的風險特指測試和發(fā)射過程中使用橋式起重機而帶來的技術風險,就橋式起重機風險事故的不確定性而言,表現(xiàn)為技術故障和人的失誤導致的損失。

2　橋式起重機小車運行機構

小車運行機構采用集中驅動形式,小車一端有一臺電機驅動兩個主動輪從而帶動另一側兩個從動輪運行小車運行機構的控制采用的是變頻器控制三相異步電機和液壓推桿式制動器相結合的調(diào)速方式,小車共有五個檔位。

根據(jù)小車運行機構的結構和收集的資料,構建小車運行機構的功能框圖如圖1所示。

圖1　小車運行機構功能框圖

3　風險識別

風險識別是為了保證系統(tǒng)安全運行,運用安全系統(tǒng)工程的方法來辨識系統(tǒng)中的危險因素,以便采取相應措施消除系統(tǒng)故障或事故。常用的方法主要有:故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)、故障類型和影響分析(Failure Model and Effect Analysis,FMEA)、安全檢查表法、預先危險分析法等。

FMEA在分析設備潛在事故模式方面比較有效,而FTA有助于分析引起事故的原因,并可以確定潛在事故出現(xiàn)概率。因此本文采用FMEA和FTA相結合的方法來進行風險識別。利用FMEA可以對各子系統(tǒng)等進行分析,列出可能發(fā)生的故障及其類型,分析每種故障對系統(tǒng)安全可能產(chǎn)生的影響。利用FTA則可以反過來對造成系統(tǒng)失效的各種因素進行分析,畫出邏輯框圖(故障樹),從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式及其失效概率,并可以計算系統(tǒng)的失效概率。

3.1FMEA對小車運行機構風險識別

FMEA方法已經(jīng)在可靠性領域比較成熟,不再詳細描述分析過程。小車運行機構的故障類型和影響分析的最終結果見表1,共分析22個故障類型。從小車運行機構全系統(tǒng)來看,可能出現(xiàn)的故障主要包括小車喪失運動能力、小車啃軌和小車碰撞。因此選擇這三個事件作為下一步故障樹分析時的中間事件,進一步進行風險識別。

表1　橋式起重機小車運行機構的FMEA分析表(局部)

3.2FTA對小車運行機構風險識別

經(jīng)過FMEA方法識別風險,確定了三個中間事件。據(jù)此可以建立小車運行機構的故障樹。小車運行機構故障樹總圖見圖2。采用演繹法逐層分析每一層事件發(fā)生的所有可能的原因,一直分解到底事件為止,確定小車運行機構故障的基本事件,并建立小車運行機構的故障樹。

圖2　小車運行機構故障樹總圖

經(jīng)分析,故障樹的基本事件共計26個,見表2,建立三個中間事件的故障樹見圖3～圖5。

圖3　小車碰撞事故的故障樹

序號基本事件名稱故障原因部件或出處B1制動器抱不緊制動器B2推桿不動作制動器B3制動瓦襯磨損嚴重制動器B4制動輪有劃痕、凹坑制動器B5制動輪磨損超標制動器B6行程限位器電氣開關失效行程限位B7安全尺調(diào)整不當行程限位B8操作人員估計錯誤操作人員B9指揮人員失誤或不到位指揮人員

圖4　小車啃軌的故障樹

圖5　小車喪失運動能力的故障樹

4　風險評估

風險評估的任務包括風險評價中事件概率的定性評價和定量評價。定性評價主要是通過求出故障樹的最小割集,確定頂事件發(fā)生的事故模式、原因以及基本事件對頂事件的影響程度。定量評價是要確定各基本事件的失效概率,從而計算頂事件的失效概率。

4.1定性分析

根據(jù)前面建立的故障樹可以對小車運行機構進行風險評價的定性分析,求出小車運行機構的最小割集。本文采用布爾代數(shù)進行化簡,得到其最小割集。運用布爾代數(shù)法化簡故障樹可以參考文獻[6～7]。

小車運行機構最小割集表達式:

T=M1+M2+M3

根據(jù)布爾代數(shù)的化簡方法化簡,得到小車運行機構故障樹的最小割集有37組,其中只有一個基本事件構成的割集有31組,兩個基本事件構成的割集有3組,三個基本事件構成的割集有3組。具體的割集構成:{B1}、{B2}、{B3}、{B4}、{B5}、{B6}、{B7}、{B8}、{B9}、{B10}、{B11}、{B13}、{B19}、{B20}、{B22}、{B23}、{B24}、{B25,B26}。

根據(jù)系統(tǒng)特征進行定性分析可得,從故障樹的邏輯符號數(shù)量和最小割集來看,“或門”占的比例較大,由一個基本事件構成的割集較多,說明系統(tǒng)運行狀態(tài)存在較多的潛在危險因素,這些危險因素為制定預防和改進措施指明了方向。

4.2定量分析

一般來說,導致風險事件的因素可以分為三類,一是機械設備的可靠性;二是人的可靠性;三是環(huán)境的可靠性。由于我們分析的橋式起重機安裝在廠房內(nèi),基本可以忽略自然環(huán)境如暴風等因素的影響,因此重點分析機械的可靠性和人的可靠性。在此基礎上,就可以確定系統(tǒng)頂事件的失效概率。

1) 機械設備的可靠性

根據(jù)文獻[8],機械設備的失效中存在隨機性和模糊性,可以利用模糊數(shù)學來計算基本事件的可靠性,形成模糊可靠性理論。以傳動軸斷裂為例,根據(jù)文獻中的方法可以確定傳動軸扭轉應力正態(tài)概率分布函數(shù):

式中μ,σ是正態(tài)分布的均值和標準差。

由于傳動軸斷裂的應力是一個連續(xù)隨機變量,宜采用梯形分布來描述隸屬度函數(shù):

式中a1,a2為分布參數(shù),且均大于零,根據(jù)傳動軸材料特點來選取。經(jīng)詢問太重工作人員,小車運行機構傳動軸的材料為經(jīng)表面淬火的45鋼,屈服強度大于355MPa,故選取a1=355,a2=400。

式中,a1為零件失效的過渡期的下限值;a2為零件失效的過渡期的上限值;μ為正態(tài)分布參數(shù)均值;σ為正態(tài)分布參數(shù)標準差。

代入數(shù)據(jù)就可以得到傳動軸的可靠度了,則傳動軸的失效概率為

其他機械設備失效有關的基本事件失效概率可以根據(jù)上述模型計算出來,其他復雜設備故障(如電機燒壞)的概率可參考相關文獻獲得。

2) 人的可靠性

人的可靠度一般定義為:在規(guī)定的時間內(nèi)以及規(guī)定的條件下,人無差錯地完成所規(guī)定的任務的概率,參考文獻[9]確定人的可靠度的方法,分為連續(xù)作業(yè)、不連續(xù)作業(yè)兩種情況。這里主要考慮連續(xù)作業(yè)的情況。

連續(xù)作業(yè)人的可靠度模型:

式中,R(t)為時刻t時人的動作可靠度;λ(t)為時刻t的人為差錯率。

[10]中人的可靠性方面相關的數(shù)據(jù),根據(jù)上述模型可以對操作人員的可靠度進行計算,完成人的可靠性方面的相關分析。

基本事件失效概率計算結果如表3所示。

3) 頂事件失效概率

頂事件失效概率的確定采用一種工程計算方法,利用頂事件失效概率的上、下限來求其近似值。當qi<0.01時,取P(q)=F1-F2/2就可得到較為精確的近似值。該方法的具體過程可參考文獻[10]。

表3　小車運行機構風險評價結果(局部)

求解結果:小車運行機構中間事件概率:M1=7.61E-2,M2=2.85E-2,M3=3.24E-2,則小車運行機構頂事件失效概率為T=1.37E-1。從中間事件失效概率可以得出這樣的結論:小車碰撞是小車運行機構運行時需要重點關注和預防的風險事故。

4.3確定風險控制項目

理論上,應該根據(jù)風險損失和風險概率之積,即風險度的大小排序來確定需要重點控制的風險項目,但是目前還沒有一套行之有效的量化估計各項損失的方法,特別是對于非經(jīng)濟損失的量化難度很大。因此,本文僅根據(jù)風險事件發(fā)生概率排序選擇部分風險控制項目。按照帕累托原則,20%的風險事故會導致80%的風險損失,因此選擇26個基本事件中風險概率排序靠前的五個基本事件中作為重點控制項目。

4.4風險預防和控制

全部由或門連接的基本事件是會直接導致頂事件發(fā)生的,因此需要重點控制。前五個基本事件中會直接導致頂事件發(fā)生的基本事件包括:制動器制動、指揮人員失誤或不到位推桿不動作、推桿不動作、大于規(guī)定速度、4車輪安裝精度不夠。

對制動器制動和大于規(guī)定速度,要對操作人員進行技術培養(yǎng)和理論培訓,加強安全教育,使其改掉不合理的操作習慣;對推桿不動作,要加強推桿機械機構的維護保養(yǎng),保證液壓油的潔凈,防止漏油;對指揮人員失誤或不到位,要加強安全教育,增強責任心,提高指揮人員的指揮水平;對4車輪安裝精度不夠,要提高安裝過程的質量跟蹤人員責任心,加強安裝后的調(diào)試工作,確保設備安裝精確到位。

從中間事件失效概率來看,平時維護保養(yǎng)時應重點關注小車碰撞風險事故,做好安全尺、限位開關、緩沖器等部件的監(jiān)測和預防性維修。

5　結語

本文依據(jù)概率風險評估方法的實施過程,對橋式起重機小車運行機構進行了安全性分析和評價。通過建立起小車運行機構的故障樹,進行定性分析;并利用模糊數(shù)學和人因可靠性方法得到基本事件的失效概率,從而對系統(tǒng)進行定量分析。由于風險損失的數(shù)值需要結合專家意見估計,因此確定風險控制項目時,僅考慮了風險概率,而沒有考慮風險損失,這是本文的不足之處,同時也是以后的研究中需要補充的內(nèi)容。

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Safety Analysis Method of Bridge Crane Trolley Mechanical Equipment of Aerospace Launch

ZHANG JianrongDONG FuzhiHAO Jinfeng

(Test Technology Department, Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan030027)

This paper takes bridge crane as research object, and uses PRA method to analyze the safety of 50/20t bridge crane in one plant. The method includes that risk distinguish method of fault of trolley mechanical equipment based on FTA and FMEA, risk estimate method based on fuzzy reliability theory, and risk prevent and control measures of bridge crane.

bridge crane, safety analysis, probability risk analysis, FTA, FMEA

2016年2月10日,

2016年3月24日

張建榮,男,博士,工程師,研究方向:航天發(fā)射場非標設施設備。董富治,男,碩士,工程師,研究方向:航天發(fā)射場地面設施設備總體。郝晉峰,男,博士,工程師,研究方向:航天發(fā)射場空調(diào)配電設備。

TH215

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.08.041