水工门式启闭机安全评估系统及流程

徐罗军 徐 超 余桥芳 谢学武 余春梅

1湖北特种设备检验检测研究院宜昌分院 宜昌 443000 2武汉先思科技有限公司 武汉 430000

0 引言

大型水工起重机械的安全评估是利用系统工程方法对在用设备在服役期间可能发生的危险事件的概率和严重性，利用数学方法和经验进行检测、分析、评价及预测，并根据可能发生的危险事件风险系数的大小提出相应的安全对策措施，以达到设备安全运行的过程。起重机械安全评估既是生产经营单位搞好安全生产的重要保障，也是政府部门对特种设备安全监督管理的需要[1，2]。目前国内对于水工类起重机械安全评估还没有统一的做法，相关标准也没有明确的规定，如何科学合理地对这类起重机械进行安全评估，根据评估结果采取相应预防措施保证安全工作，是一个得到普遍关注但又未得到较好解决的问题。

1 水工门式启闭机安全评估系统

本文以水工机械中常见的水工门式启闭机作为研究对象，构建水工门式启闭机安全评估系统，如图1所示，安全评估系统由水工门式启闭机失效模式研究、门机金属结构载荷谱获取及有限元分析仿真、应力测试、金属结构疲劳寿命预测以及门式启闭机的整机安全评估等方面组成。

图1 水工门式启闭机寿命及安全评估系统图

2 水工门式启闭机安全评估系统内容

1）查阅相关资料，研究水工用门式启闭机的主要失效模式及其失效机理；

2）收集水工门式启闭机整机设计图纸、制造及焊接工艺、主要受力结构材料的机械性能，在考虑实际工况的前提下，基于现场测试与有限元仿真分析相结合的方法获取启闭机载荷谱；

3）通过确定的疲劳载荷模型，根据不同典型周期所对应的载荷谱而获得的P-S-N曲线和疲劳累积损伤准则对结构的疲劳寿命及可靠性进行评估，估算结构的疲劳寿命；

4）引用风险的评估，利用风险矩阵法对水工门式启闭机在使用过程中的安全管理、主要零部件、重要构件以及控制系统、安全保护装置等各评估单元及项目发生危险的概率和发生危险后果的严重程度进行相应风险等级的划分，最后通过整机的安全评级给出相应的使用检测维修建议或计划。

3 水工门式启闭机整机安全评估原理

该项目引用基于风险法评估方法，根据设置各评估单元及项目发生危险的概率和发生危险后果的严重程度，利用风险矩阵对设备的各个评估单元和整机进行危险等级的划分。对可预见的危险事件和在服役期间发生的频次确定其严重程度和概率等级（见表1、表2）。将危险隐患的严重程度和概率等级进行组合，得到具体危险等级（见表3）。

表1 危险严重程度表

表2 危险概率等级表

结合水工门式启闭机实际状况，对不同的评估项目根据表3进行评级，然后根据表4对不同的评估项目进行赋值。

表3 矩阵法确定危险等级表

表4 危险等级赋值

对每一个评估项目根据危险等级进行赋值后，每个评估单元的安全状况得分为

式中：Dj为第j个评估单元最终的安全状况得分，Vi(i=1，…，n)为对应于该评估单元中的第i个评估项目的危险类别的赋值，n为一个评估单元中所有进行评估项目的个数。

在计算得到每一个评估单位的安全状况得分后，整个设备进行安全状况得分为

式中：Z为设备的整体安全情况综合得分，m为评估单元个数，βj为j个评估单元的权重值。

4 水工门式启闭机整机安全评估流程

水工门式启闭机安全评估流程如图2所示，在确定项目启动后，对门式启闭机的连接方式及其失效模式、失效机理进行研究，同时收集评估对象相应资料及信息，在考虑实际工况的前提下，基于现场测试与有限元仿真分析相结合的方法获取启闭机载荷谱，并利用相关理论及数学模型计算出主要金属结构的剩余疲劳寿命，在此基础上，对门式启闭机进行评估单元的划分，分别对水工门式启闭机整机的设备管理、金属结构、主要零部件、电气系统、安全防护装置等各评估单元及项目的伤害严重程度和伤害发生的概率进行风险等级的估计判定。根据判定结构出具安全评价报告，并给出相应的使用检测维修建议或计划，如果风险已减小或达到可接受的程度，则评估结束，如果风险未减小或仍不可接受，需重新进行减小或消除风险。

图2 水工门式启闭机寿命及安全评估流程图

5 安全评估的实施

5.1 起重机械失效分析

在进行起重机械的安全评估前，有必要对起重机械的失效[3]进行分析研究，其失效形式可能是单一因素也可能是由多种因素复合造成的，且其失效形式多种多样，失效的结构往往由一个宏观表征现象体现。在起重机械服役期间，腐蚀和疲劳往往被认为是单一的过程，其导致的结果分别为金属结构的腐蚀失效和结构的机械失效，具体表征为构件中裂纹的产生、扩展以至断裂[4]。

在实际对起重机械作用过程中，疲劳和腐蚀是一组有协同效应的作用形式，2个因素相互增强，使得失效作用更普遍、更严重。特别是活性的腐蚀作用对周期疲劳有加强的作用，反过来周期的疲劳损失对腐蚀起到加剧的效果，所以在实际分析研究中，把腐蚀疲劳视作一种组合的失效。

5.2 基于Ansys的起重机械有限元分析

起重机械的有效工作年限主要取决于其金属结构不发生疲劳破坏[5，6]，疲劳是金属结构失效的重要影响因素之一[7，8]，疲劳破坏作用于结构上，其表征先是在结构某一部位产生裂纹，往往是出现在浅表面，在内部有缺陷的地方也易出现裂纹，把容易产生裂纹的地方称为结构的危险区域[9]。在实际研究中，经常通过有限元分析计算对结构高危部位进行分析，其流程如图3所示。

图3 水工门式启闭机金属结构有限元分析流程图

水工门式启闭机由上部小车机构和下部门架钢结构组成，为了使静力学分析得到更好的精度和更快的求解速度，将水工门式启闭机静力学分析分解为上部小车结构和下部门架钢结构的静力学分析2部分进行。其中上部小车结构静力学分析的三维模型仅包括上部小车结构的三维实体模型，下部门架钢结构静力学分析考虑到载荷施加的方便性和精准性，其三维模型包括了上部小车结构的4对轮组（见图4）和下部门架钢结构（见图5）的三维实体模型，依次建立2个有限元分析项目。

图4 小车结构有限元分析网络图

图5 门架有限元分析网络图

水工门式启闭机在正常工作下，经常会在不同的工况下工作，根据工作实际结合图纸，在启闭机小车项目和门架项目上分别施加不同工况下的载荷，如图6、图7所示。

图6 小车项目的载荷

图7 门架项目的载荷

静力学分析的最后一步是在有限元项目中通过求解器进行求解分析，并利用后处理工具对求解结果进行分析，确定在每一种工况下水工门式启闭机的最危险区域及最大等效应力值。小车项目和门架项目中Von Mises等效应力云图如图8、图9所示。

图8 小车项目中Von Mises等效应力云图

图9 门架项目中Von Mises等效应力云图

5.3 应力测试与载荷谱获取

水工门式启闭机的应力测试[9]是对其应力集中部位和受力不利部位选取测试点，在多种工况下对选取的测试点所受应力进行动态响应采集，并根据采集的数据进行计算分析。

有限元分析的应力应变结果显示，启闭机上部小车结构比下部门架钢结构的最大应力、应变值高出很多，危险点一般出现在上部小车结构中，故测试的测试点均分布在上部小车结构中。根据启闭机结构及工作特点，实验的测试点均安排在小车结构对称轴的一侧，具体测点布置如图10所示。

图10 应变片布置情况概览

要对水工门式启闭机进行安全评估，获取其危险部位应力谱是不可或缺的重要信息。通过对水工门式启闭机的实际应力测量，可获得置信度高的应力谱，其疲劳载荷谱的采集流程如图11所示。

图11 载荷谱采集流程

根据水工门式启闭机实际工况，载荷谱的编辑采用雨流计数法，根据现场实测数据通过编辑后可得到不同受力点处的载荷谱，使得最终获得的数据结果符合工程实际。

5.4 启闭机金属结构疲劳寿命计算

水工门式启闭机在不同工况下，其主要受力结构件所受的应力各不相同，不论是国外还是国内都有很多学者对起重机金属结构的剩余疲劳寿命进行研究，本文主要采用名义应力应变法和局部应力应变法对门式启闭机的寿命进行评估，其主要流程如图12所示。

图12 启闭机金属结构疲劳寿命预测流程图

5.5 水工门式启闭机评估单元的划分

根据评估系统构建的框架，结合水工门式启闭机在使用过程中的具体情况，将整个门式启闭机划分为设备管理、金属结构、主要零部件、电气系统、安全保护装置5个评估单元，并对每个评估单元进行详细划分。

1）设备管理子系统的评估单元 档案、记录等资料管理情况、零配件的更换及供应情况、使用频繁程度、载荷情况、故障及维修情况；

2）金属结构子系统的评估单元 结构强度、结构裂纹、结构变形、腐蚀、连接、静刚度等；

3）主要零部件评估单元 专用吊梁、起升机构的卷筒、大小车车轮、滑轮组、减速器、起升钢丝绳、电动机、联轴器、制动器等；

4）电气控制统的评估单元 工作电压、控制电路、动力电路、电动机保护装置等；

5）重要安全防护评估单元 设备的起升高度限位装置、大车的行程限位开关、整机的超载保护装置、各机构的联锁保护装置、行程止挡装置、缓冲器、电缆卷筒放缆终点开关等。

6 结语

对水工门式启闭机进行系统安全评估，不仅要对相应的零部件和重要结构进行分析，还要对整机进行宏观的分析评估。对零部件和重要结构检测评估是对整机进行评估的基础，也是整机评估的一部分，通过对零部件和重要结构的危险程度的分析判定，对各部件进行权重分配，最终实现对整机的安全情况的判定。在评估过程中不仅要求评估者具备相关知识和经验，还要求获取大量的安全数据。一套完善的评估系统及流程的确定对于评估工作有重要的参考作用。