岸边集装箱起重机安全性评价研究

卢茹利 杨 慧

1 连云港东粮码头有限公司 2 上港集团宜东集装箱码头分公司

1 引言

岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)是专业的集装箱装卸设备。近年来，伴随着集装箱船舶大型化的发展，投运占比的提升，岸桥逐步朝着装卸效率高值化、操控系统智能化、机型尺寸大型化、整机重量轻量化、额定起重量重型化、能源消耗节约化的方向发展，以便适应当前航运市场的竞争需求[1-2]。

岸桥工作环境恶劣，具有工作强度大、连续装卸作业时间长、冲击载荷响应明显等工作特点。岸桥是一个复杂的系统，由金属结构、机构与零部件、电气设备、安全保护装置等多个子系统组成，其中任何一部分出现故障问题，都会引发安全事故，带来巨大的财产损失和人员伤亡[3]。由于岸桥长期处于高腐蚀、天气情况恶劣的海边工作环境，需密切关注设备整机安全性能，避免发生安全事故。这就要求港口在提高岸桥作业效率的同时，加强设备的安全评价，如金属结构安全性评价、寿命评估，机构与零部件、电气设备元器件和安全保护装置的故障预测、诊断。

岸桥的日常管理以及设备安全状态自我评估对设备管理技术人员的能力有极高的要求，如何快速客观地评估岸桥的整体安全状态，是港口企业急需解决的难题。岸桥安全性评价的基础是对设备进行检测和评价，获取客观真实的设备状态数据，依据有关标准要求，结合行业专家的经验对设备从金属结构、机构与零部件、电气设备和安全保护装置等方面做出安全性评价[3]。

基于检测与评判，分析单一指标的检测历史数值的分布规律，结合岸桥设计、制造、管理、检测、使用、维修等多方面专家的实际经验、国家标准、行业规范等，构建一套适用于港口设备管理的含有金属结构、机构与零部件、电气设备和安全保护装置等各评价指标的岸桥安全性评价体系，可提高评价结果的科学性、准确性、工程实用性及缩短评价时间，为以后制定起重机安全评定规则提供参考。同时，可改善港口落后的设备管理方法，指导技术人员对港口大型起重设备科学系统的管理，减少设备的非计划停机时长。对起重机安全状态评估，合理地进行起重机改造、报废，可保证港口的安全生产，最大限度地发挥起重机经济效益和设备效益。将此研究成果推广，形成企业标准，有着非常重要的现实意义。

2 安全性评价体系构建

进行安全性评价分析的前提是建立一套科学的安全性评价体系。通常体系的建立包括确定科学的评价指标、选择合适的评价方法、构建具有工程实用性的评价模型等一系列过程。首先，通过对港口的实地调研和相关文献的分析，进行评价指标的初选，并采用模糊德尔菲法进行指标筛选，确定最终安全性评价指标；同时，利用层次分析法确定指标权重；然后通过历史数据统计分析进行指标评价值的计算，最终完成整机安全性评价(见图1)。

图1 岸桥评价体系构建

3 评价指标选取及权重的确定

通过对港口的实地调研和相关文献的分析，整理影响岸桥安全的指标，形成评价指标的初选集，采用模糊德尔菲法函询岸桥不同领域的专家，对初选集进行评判、筛选，得到最终的安全性评价指标。采用层次分析法建立评价指标的层次结构，构建判断矩阵，获取指标权重并进行单层及总体层次排序及一致性检验，最终将多个专家的指标权重值采用几何平均法计算，确定评价指标综合权重。

3.1 指标选取

(1)评价指标的初选。在查阅岸桥历史维修、运行故障事故记录、日常维护保养、使用状况记录及定期检验检查记录等设备台账和查阅相关文献资料的基础上，根据系统性、科学性、可操作性、适用性的原则，初步选取了43个金属结构系统指标、19个机构与零部件系统指标、16个电气设备系统指标和7个安全保护装置系统指标，形成了安全性评价指标初选集。

(2)评价指标的筛选。初步选定的评价指标需经过专家对其合理性进行评判和筛选，以3轮问卷调查的方式进行。第一轮问卷调查目的是对初选评价指标表述准确性、合理性、科学性和工程实用性进行评判意见征询；第二轮问卷调查目的是对专家评判后的指标按照灰色地带检验法进行指标的一致性检验；第三阶段问卷主要目的是专家参考上一轮数据处理结果进行修正，专家对指标意见共识达成一致，最终确定的岸桥安全性评价指标(见图2)。

图2 岸桥安全性评价指标

3.2 评价指标权重的确定

根据以上选取的岸桥安全性评价指标，利用层次分析法，建立岸桥安全性评价准则层、指标层判断矩阵，并分别计算出特征向量ω、最大特征值λmax，并根据CI与RI的值，算出CR，进行一致性检验，最后得出整个指标体系中的各指标所对应的权重。

4 安全性评价指标值的计算

在实际工程应用中，如何根据实测或专家评判获得的数据进行专家评分一直缺乏科学合理的方法。本节基于评价指标工程现场检验数据的分布情况，构造指标的无量纲化的分值函数，从而为实测指标状态值的评判提供计算依据。

4.1 定量化指标状态值统计分析

统计了34台正常服役时间10～20 a的额定载荷40 t岸桥检验报告，对岸桥前臂梁、主梁、梯形架、前拉杆、门框、门框连接等结构件8个测点的静载应力和动载应力对比值；前臂梁、主梁结构下挠度、前臂梁上翘度和主梁上拱度的数据进行了归纳、统计，统计数据区间见表1。

首先对样本数据进行区间划分，统计每个区间内的数据频数，获得不同指标的频数分布直方图，用于指导后续分布函数假设、曲线拟合、参数估计和假设检验。以六级直方图为例，金属结构件前臂梁A点静载应力测试数据频数分布直方图见图3。

图3 前臂梁A点静载应力概率分布

4.2 指标分布的拟合及假设检验

威布尔分布在可靠性分析，材料性能评估方面应用较为广泛，大多数采用的是双参数威布尔分布。研究岸桥在实际检测中的指标数据分布，为了获取更高的精度，选用三参数威布尔分布进行拟合及参数估计。

4.2.1 三参数威布尔分布函数

威布尔分布的概率密度函数为：

(1)

分布函数为：

(2)

式中，a为尺度参数；b为形状参数；c为位置参数。a值的“特征”在于它对应的母体概率分布函数值总等于0.632，与形状参数b无关。

4.2.2 威布尔三参数的参数估计

依靠三参数a，b，c的最大似然函数为

L(x1,x2,…xn;a,b,c)=

(3)

式(3)最大似然函数的极值点即三参数估计值，对式(3)两边分别取对数得：

当∂lnL/∂θ=0时，L(x1,x2,···xn;a,b,c)达到最大值。求解二元方程组：

图4 前臂梁A点概率密度函数

4.3 指标评价值的计算

4.3.1 定量化指标评价值的计算

主要承载金属结构件的强度评价通常考虑前臂梁、主梁、前拉杆、梯形架、门框和门框连接静载应力检测值，结构件静载应力值必须小于材料(Q345)许用应力临界值246.4 MPa。通过之前的统计分析和假设检验，确定参数得到指标评价值函数。

以前臂梁箱梁上翼缘板测点A的应力值为例设为变量σa，根据A点的概率密度函数可得分布函数(CDF)图(见图5)。由图5可知，前臂梁箱梁上翼缘板A点最小应力值为2 MPa,分布概率为0.632时的特征应力为35.5 MPa，计算确定函数参数得到A点静载应力无量纲化处理函数式见式(4)。

图5 A点的CDF图

(4)

4.3.2 定性化指标评价值的计算

定性化指标根据各指标分级情况，采用三角形分布型隶属函数，依据专家评判建议和统计结果确定如下3种隶属函数，见图6。

图6 定性化指标隶属度函数曲线

根据指标评价值，依据各自对应的分级隶属函数确定隶属度R1,R2,…,Rn，最后得到模糊关系矩阵R=(R1,R2,…,Rn)，并代入式(5)进行评价值的计算。

B=WR

(5)

式中，B为模糊综合评价指标集；W为评价指标权重向量；R为模糊关系矩阵。

或：

(b1,b2,…,bm)=(ω1,ω2,…,ωn)×

(6)

式中，bj为综合评判指标；ωi为每个评价指标对相应指标的权重；rij表示影响评价指标ui隶属程度。

得到综合评判指标bj(j=1,2,…,m)之后，利用加权平均法，进行加权平均计算得到最终评判结果，即：

(7)

式中，νj取值为综合评价集的中间值。

以上海某港口一台服役13年的岸桥主要机构与零部件系统为例，由现场检测专家根据评价指标的实际状况，采用目测识别、诊断的方法进行评判、打分，最终确定各评价指标的得分。依据图6(a)计算每一个指标隶属度，确定主要机构与零部件系统的模糊关系矩阵：

由3.2节可得，机构与零部件系统各指标权重向量：W=(0.0940.2080.4460.1980.054)，由此根据(5)可得模糊综合评价指标集B:

(b1,b2,b3,b4,b5)=

机构与零部件系统最终评价结果：

由评价结果可知，该岸边集装箱起重机的机构与零部件系统安全状况一般，属于带故障运行，需要对有故障的地方特定检查，发现问题即时修复。

5 结语

通过对岸桥安全性评价指标的检验历史数据的统计分析，并对定量化指标数据分布规律进行拟合、假设、检验，构造了无量纲化处理函数，为定量化指标评价值的计算提供依据；对定性化指标，构造了不同类型定性化指标的隶属函数曲线，用于评价指标隶属度的确定和模糊关系矩阵的构建，为定性化指标定量化处理提供方法。