轮胎式集装箱门式起重机小车缓冲防护装置的HAZOP分析*

陈 星 张 勇 黄仕修 冀行方

海南省锅炉压力容器与特种设备检验所 海口 570203

0 引言

随着全球化程度的不断加深，世界各国之间经济交流日益频繁，港口作为水陆交通的集结点与枢纽，其作用愈加凸显。轮胎式集装箱门式起重机（以下简称RTG）作为一种主要的起重运输设备，在港口运作过程中扮演着重要的角色。小车是RTG的核心部分，它的零部件多，组成复杂且质量占比大[1]。小车主要由起升机构与行走机构组成，其运行状况直接影响到RTG整机的功能完整性，而以缓冲器为代表的缓冲防护装置则保证小车的安全平稳运行[2，3]。因此，本文从缓冲防护装置的安全性着手，基于危险与可操作性分析（Hazard and Operability，HAZOP）将小车的作业过程划分成4个单元，通过引导词确定偏差对以缓冲器为代表的起重机缓冲防护装置进行HAZOP分析，确定可能产生的后果及其原因。查找安全隐患，最大程度地辨识危险源，并对其基于可靠性理论提出风险建模与优化方法，力求降低事故风险。

1 RTG小车缓冲防护装置

起重机小车是起重运输机械的核心功能机构，其运动状态主要分为水平运动与垂直运动。水平运动是指小车在起重机桁架上的水平移动，通过在桁架上的往复移动进而将货物运送至指定位置。垂直运动则是指通过吊具实现对于货物的夹取，并抬升至指定高度。2种主动构成了起重机的主要工作方式。图1是某种橡胶轮胎门式起重机的运动示意图，即吊具的升降与平移。

图1 RTG运动示意图

目前起重机小车大多为牵引式小车，即通过钢丝绳将动力输入装置卷筒与小车进行连接，按照一定的传动比实现动力的传递，进而实现小车的牵引，完成吊具起升运动以及小车沿轨道运行的水平运动。然而，小车在吊运货物时，总体的质心常处于较靠下的位置，加速度的传递路程较长，导致小车在桁架上的惯性难以预料。此外，由于人工操作需要一定的经验，小车的减速运行与停靠的随机性较大，整个过程并不完全理想。因此，当小车运行至极限位置，常会对起重机整体结构产生较大的碰撞。

为保护起重机整体结构的安全以及保证小车的可靠运行，缓冲防护装置就显得尤为重要。常见的小车缓冲防护装置主要有缓冲器、小车制动器、限位开关等[4]。目前，缓冲器是最为常见且起重机加装最频繁的缓冲防护装置，其安装位置如图2所示。起重机缓冲器是吸收起重机的运行动能，以减缓冲击的弹性机构，很大程度上保证了起重机作业的安全，大大减少了危险发生的概率。目前较为常见的缓冲器主要有弹簧缓冲器，以橡胶缓冲器和聚氨酯缓冲器为代表的实体缓冲器，此外，液压、液气缓冲器在实际中也有一定的应用。

图2 小车主体结构

2 HAZOP分析过程

2.1 HAZOP简介

HAZOP最早于1960年由英国某化工业公司提出，其初期目的是为减轻某种化学制剂在生产过程中的生产危害，是一种基于系统工程的、线性的、自上而下的安全评价技术[5]，目前，HAZOP的应用已脱离其原生领域，在机械工业广泛应用。其通过分析工艺参数在生产过程中的变化和控制上产生的偏差，以及这些变化和偏差对系统的影响和可能的后果，来查找与初期设计目的的不符点，进而提高工作效率，并简化工作流程。最终通过危险源辨识完成检验，并对于相应的后果提出应对措施。

HAZOP的核心资料主要包括管道仪表流程图（PID）、工艺流程图(PFD)、以往事故信息等，根据核心资料进行下一步的具体风险分析并提出应对措施。PID是重中之重，PID图应当用简单的线条勾画出设备功能组成，所有的传感器和仪表均应以标准图例和分类编号绘制。

2.2 小车HAZOP分析

对于小车缓冲防护装置的节点划分，主要可分为4部分，即小车主体、小车制动器、限位开关、缓冲器。图3为小车的PID图，根据小车的安全需要，小车常配备多个限位开关。其中吊具限速器开关用以限制吊具的最高运行速度。上升极限位置限位器开关用以限制吊具与起重机主体结构的最小距离，避免吊具在垂直运动过程中与起重机主体产生碰撞。下降极限位置限位器开关用以限制吊具与起重机主体结构的最大距离，避免吊具超出缠绕所允许的最大运动范围。超载限制器开关用以限制吊具的最大抓取重量以避免超载的发生。其余的安全防护装置还有缓冲器与制动器，缓冲器主要用以避免小车在水平运动时与起重机桁架边缘的碰撞，制动器则用以小车的运动停止与减速。

图3 小车PID图

根据小车的PID图将小车节点划分为4部分，分别为小车主体、制动器、限位开关、缓冲器。对应的选择失速、失效、失效、损坏作为引导词。其中，小车主体失速的主要原因是限速开关损坏，其可能导致小车在高速下冲撞门式起重机。为防止意外，可增加限速开关以提高安全性。

制动器由于本身构造复杂，其失效原因往往较为多样，根据各个构件的工作原理与载荷情况，其主要失效原因集中在系统压力不合理、制动力矩过大、制动盘油污、制动材料材质差、弹簧疲劳失效、驱动电机不运转、液压缸失效、支架偏斜等。制动器的失效直接导致制动时间的失控、严重情况可造成事故或人员伤亡。可通过提高制动材料强度，定期抽检制动盘磨损程度以及弹簧寿命，增加制动力检测开关等方法降低失效风险。

限位开关失效的主要原因是采集处理设备故障、通信设备故障。其可能导致吊具冲撞小车进而造成起重机小车行走机构的损坏。可采取配备多个限位开关的方式降低总体失效风险。

缓冲器由于反复承受载荷，损坏概率较大。造成其损坏的主要原因有吊具吊装超重，满载频次高、缓冲器形状缺陷、缓冲器安装不合理、缓冲器橡胶弹性差、缓冲器尺寸不合理等。缓冲器为小车的运动提供了安全保障。因此缓冲器的损坏直接造成小车刚性碰撞门式起重机主体，导致钢结构损坏。为防止小车的损坏，可采用配备超载检测开关，限制吊装重量、改进缓冲器橡胶性能等措施。

3 风险优化

风险优化的关键是根据节点引导词产生的原因和后果，针对所辨识出的危险源进行优化。基于HAZOP分析法，可根据各节点失效原因归纳总结，进而找到制动器系统的失效模式并对其失效机理进行分析，根据设计准则建立对应失效模式的功能函数（极限状态方程），对设计变量进行相关处理。最后再根据极限状态方程建立数学模型，进而优化设计变量，提高各节点的可靠性，降低危险发生的可能。

缓冲器作为RTG缓冲防护装置的重要组成部分，对于确保小车正常且安全运行起着至关重要的作用。因此，本文将根据设计准则建立一般缓冲器的功能安全函数，以此作为缓冲器优化的建模依据。

起重机的碰撞动能为

式中：m为碰撞质量，对运行机构缓冲器而言，碰撞质量包括起重机或小车的质量，吊重的质量则视起重机的构造而定，对刚性悬挂的吊具或有导向架以限制吊重摆动的起重机，要将吊重质量考虑在内，对柔性悬挂的吊具或吊重能自由摆动的起重机，不予考虑吊重质量；v为碰撞速度，对于无自动减速装置或限位开关的运行机构，大车取85%额定运行速度，小车取额定速度，对于有自动减速装置或限位开关者，按减速后的实际速度计算，但不小于50%的额定运行速度。因实际碰撞速度与每台起重机在使用中运行制动器的制动力矩调整有关，故在设计计算时，可都按50%额定运行速度取值。

单个缓冲器所承载的动能为

式中：Ek为起重机碰撞动能，n为所需缓冲器数目。

驱动力做功为

式中：Fw为驱动力，S为缓冲行程。

单个缓冲器所受总能量为

单个缓冲器所受冲击力为

最终，可根据单个缓冲器的极限状态情况建立功能函数。

1）缓冲容量功能函数

2）缓冲行程功能函数

3）缓冲力功能函数

由于缓冲器功能函数较多，所以将3个功能函数统一处理，作为一个目标函数进行优化，按照其危险程度及其作用关键性分配权重为3:3:4，并对各个功能函数实行反正切归一化，保证量纲的统一，故对缓冲器进行优化建模为

基于顺序二次规划(Sequential Quadratic Programming，SQP)进行非线性约束优化，取起始点为3个变量的约束中点，最终经过11次迭代可得到最优点为[28 000，2.185 5，100 000]，收敛曲线如图4所示。

图4 收敛曲线

4 结论

本文从RTG小车整体出发，按照其组成或功能进行区域划分，并基于HAZOP分析，对RTG小车的缓冲防护装置进行了危险源辨识，提出了潜在的风险。该方法有效地将风险分层、将问题细化，便于找出微小的安全隐患。最终结合危险源的失效原因提出了功能函数的建立方法，以缓冲器为例进行了参数优化，为RTG小车整体失效风险的降低提供了基本方法与理论依据。