起重机械风险评估方法与预防性检修策略研究

摘要

起重机械是隐藏危险因素最多，发生事故几率最大，事故后果最严重的机电类特种设备之一。目前，我国起重机械数量年均增长约20％左右，各类起重机械保有量已超过250万台。与此同时，涉及起重机械的伤亡事故占各类伤亡事故的比例也逐年上升。目前我国各地区、各行业发生在起重作业中的伤亡事故约占全部伤亡事故的25％左右。每年涉及起重机械事故的死亡人数在所有机械类事故死亡人数中居首位。因此，加强起重机械的安全管理和事故预防刻不容缓。风险评估是事故预防的前提和基础，目前针对起重机械的系统性安全评估方法欠缺，对于在役尤其是超期服役的起重设备而言，系统而实用的风险评估方法研究具有较大的理论意义和工程实用价值。
　　目前，行业内采用法定定期检验制度来实现起重机械的安全运行和事故预防。该制度对于起重设备的安全运行，在一定程度上起到了基础性保障作用。然而，由于检验项目和检验周期基本固定，不区分企业和设备个体的差异，容易造成对一般设备的过度检验和高风险设备的检验不足;检验结果仅定性表示为“合格”与“不合格”，由于缺少零部件风险的定量计算，其安全状况的评估结果对起重机械事故预防的参考价值有限。论文围绕起重机械风险评估方法与预防性检修策略及若干相关问题开展研究工作，完成了起重机械主要零部件的FMEA分析、失效数据与通用失效概率信息的收集、钢丝绳小样本可靠性试验、起重机械的建模与仿真、零部件风险的定性与定量评估计算、起重机械RCM预防性检修策略的制定、起重机械风险评估实施规范及评估软件的编制等工作，论文具体研究内容如下：
　　(1)在完成380多例起重机事故故障统计分析的基础上，建立了起重机械失效分析数据库。进行了失效模式与影响分析，得出了其全部失效模式，进而分析了对应的失效原因和失效后果。针对钢丝绳的典型失效模式弯曲疲劳和磨损，开展了小样本物理试验，获取了试验条件下的失效数据。设计了起重机零部件失效样本采集表，采用调查统计问卷和深入凌钢、鞍钢、三洋重工等起重机使用和制造企业实地调研等方式，获得了部分起重机零部件的大样本失效数据，进而完成了相应的失效寿命计算。
　　(2)鉴于起重机零部件的现场失效数据通常比较有限，提出了基于Bayes理论的起重机零部件小样本可靠寿命预测方法。根据零部件研制阶段的试验数据和同类或相似部件的相关检测记录确定可靠性评估的验前分布，结合小样本现场可靠性试验数据，应用Bayes理论融合零部件的验前信息和现场试验数据，得到产品可靠寿命的验后分布，进而实现零部件失效寿命的预测。在缺少现场失效数据的情况下，该方法为起重机零部件失效寿命的获取提供了新途径。
　　(3)利用有限元软件的二次开发功能建立了起重机械虚拟仿真试验平台。实现了塔式起重机的参数化建模与虚拟工况载荷的施加，利用Ansys软件自动获取整机的强度、刚度和稳定性分析结果，为起重机械受力结构的安全评估提供了依据。
　　(4)在完成FMEA分析和获取主要零部件通用失效概率信息的基础上，基于RBI技术建立了起重机械定性风险评估模型，确定了起重机零部件的风险等级排序。基于层次分析法和灰色综合评价法，建立了起重机零部件失效概率的修正计算模型，结合零部件失效后果的定量化经济性评估，提出了起重机零部件的定量风险评估方法。最后，提出了应用上述成果，在起重机械风险评估中，对由定性风险评估确定为高风险零部件进行定量风险评估的实用性实施方法。
　　(5)基于ACCESS数据库，以VB软件为开发工具编制了起重机械风险评估系统软件。该软件能够自动完成起重机零部件的定性和定量风险评估，输出WORD格式的评估报告，并给出相应故障零部件的检测部位、检测方法和检测周期建议。
　　(6)开展了基于RCM技术的起重机械预防性检修策略研究。综合考虑零部件在维修间隔期内的可靠性、经济性和可用度，给出了有限使用期不完全预防维修周期的计算方法。针对具有可测量潜在退化过程的零部件，考虑其故障的发生过程，提出了基于首次检测和重复检测的非定期视情检修策略，基于经济性和可用度准则分别给出了首次检测和重复检测的最佳检测周期的计算方法。
　　(7)综合理论研究成果，制定了起重机械风险评估实施规范。实施规范给出了层次分析法中各因子等级评定的实用量化评估准则，制定了起重机零部件定性和定量风险评估的标准化实施流程。最后，基于实施规范和评估软件完成了近20例典型起重机的风险评估工程应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 起重机械概述

1．1．1 起重机械简介

1．1．2 起重机械的特点及应用

1．1．3 目前我国起重机械安全监督管理方式存在的不足

1．2 相关领域的国内外研究现状

1．2．1 起重机械风险评估技术及研究进展

1．2．2 基于风险的检测(RBI)技术国内外研究及应用现状

1．2．3 以可靠性为中心的维修(RCM)技术国内外研究及应用现状

1．2．4 虚拟试验技术的国内外研究现状

1．3 论文选题来源、背景、研究意义和主要研究内容

1．3．1 论文选题来源

1．3．2 论文选题背景

1．3．3 论文研究意义

1．3．4 论文主要研究内容

第2章 相关理论与技术基础概述

2．1 机械装备安全评估理论与技术基础

2．1．1 失效模式与影响分析(FMEA)

2．1．2 层次分析法

2．1．3 灰色综合评价技术

2．2 基于风险的检测(RBI)技术

2．2．1 RBI技术概述

2．2．2 RBI技术的实施过程

2．3 以可靠性为中心的维修(RCM)技术

2．3．1 RCM技术概述

2．3．2 RCM技术的实施过程

2．4 虚拟试验技术

2．4．1 虚拟样机技术概述

2．4．2 虚拟试验技术及软件实现

第3章 起重机械建模与仿真

3．1 起重机械虚拟试验技术总体研究思路

3．2 起重机械虚拟试验的技术实现

3．2．1 塔机整机建模

3．2．2 塔机参数化加载

3．2．3 塔机有限元后处理

3．3 应用计算实例

3．3．1 整机建模

3．3．2 工况加载

3．3．3 后处理结果

3．4 虚拟仿真计算结果与现场应力测试结果比对验证分析

3．4．1 H25／23型塔式起重机现场测试情况

3．4．2 现场结构应力测试结果

3．4．3 现场测试结果与仿真计算结果比对验证分析

3．5 本章小结

第4章 基于RBI技术的起重机械风险评估方法

4．1 起重机械风险评估体系建立的总体研究思路

4．1．1 研究方案

4．1．2 技术路线

4．2 实施风险评估的前期准备

4．2．1 潜在失效模式与影响分析

4．2．2 失效信息的获取与计算

4．3 起重机械定性风险评估方法

4．3．1 起重机零部件失效可能性评估

4．3．2 起重机零部件失效后果评估

4．3．3 起重机零部件定性风险评估方法

4．4 起重机械定量风险评估方法

4．4．1 起重机零部件失效概率计算

4．4．2 起重机零部件定量失效后果评估

4．4．3 起重机零部件定量风险计算方法及实例

4．5 本章小结

第5章 起重机械风险评估系统软件的开发

5．1 软件的功能规划与程序编制过程

5．1．1 软件的总体结构设计

5．1．2 软件主要功能模块设计

5．2 软件的使用说明

5．2．1 软件主界面介绍

5．2．2 软件主要功能模块的操作说明

5．3 实例

5．4 本章小结

第6章 基于RCM技术的起重机械预防性检修策略研究

6．1 起重机械设备维修方式的选择

6．1．1 设备的维修方式

6．1．2 维修方式影响因素的评估模型

6．1．3 模糊综合评判法计算模型

6．1．4 基于蒙特卡罗仿真方法的维修方式的适用度评估模型

6．2 有限使用期不完全预防性维修模型

6．2．1 基于经济性与可用度准则的维修周期模型

6．2．2 基于可靠度准则的维修周期模型

6．2．3 维修周期的优化

6．2．4 不完全预防性维修周期的计算

6．3 视情维修检测周期模型

6．3．1 视情维修首次检测周期模型

6．3．2 视情维修重复检测周期模型

6．4 本章小结

第7章 起重机械风险评估实施规范与工程应用

7．1 起重机械风险评估实施程序与规范

7．1．1 起重机械定性风险评估实施流程

7．1．2 起重机械定量风险评估实施流程

7．2 现行起重机械定期检验规则简介

7．2．1 起重机械定期检验项目

7．2．2 起重机械定期检验结论判定原则

7．3 起重机械风险评估工程应用案例

7．3．1 桥式起重机风险评估工程应用案例

7．3．2 门式起重机风险评估工程应用案例

7．4 工程应用案例结论分析

7．5 本章小结

第8章 结论及展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

附录

攻读博士学位期间获得的荣誉与奖励

攻读博士学位期间发表的学术论文与著作成果

攻读博士学位期间参与的科研项目

作者简介