CC BY
212
Key words: wear process, cable sheave, elevator, the equilibrium roughness, groove.
Anzev Vitaliy Jur ’evich, Doctor of Technical Science, Professor, Head of Department, Anzev@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, senior lecturer, zzzVentor@yandex.ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University Kaluga Branch
Получено 28.06.2013 г.
УДК 621.86/87
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЕТА РИСКОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОТКАЗОВ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ
В.Ю. Анцев, А.С. Толоконников, А. Д. Горынин
Представлена методика количественной оценки риска возникновения отказа грузоподъемных кранов, базирующаяся на логико-вероятностных методах анализа риска и методе экспертных оценок. На её основе разработана автоматизированная система оценки риска отказа крана.
Ключевые слова: безопасность, мостовой кран, анализ риска, дерево отказов, автоматизация.
В настоящее время в России существует устойчивая тенденция роста числа и тяжести техногенных и природно-техногенных катастроф, основной причиной которых является использование физически изношенного технологического оборудования, в частности грузоподъемных кранов. В связи с этим возникает необходимость в создании комплексной системы управления безопасностью, составной частью которой является оценка их безопасности методами риск - анализа.
До последнего времени анализ безопасности проводился на основе методологии «абсолютной безопасности». Однако многочисленные техногенные катастрофы, показали, что концепция «абсолютной безопасности» неадекватна вероятностной природе аварий [1].
Таким образом, в сфере практической деятельности произошло осознание того, что абсолютно безопасный промышленный объект создать невозможно. В связи с этим, безопасность предлагается понимать как пребывание анализируемого опасного производственного объекта в условиях приемлемого (допустимого) риска, т. е. расчетный риск, определяемый вероятностными методами не должен превышать уровень приемлемого (допустимого) риска.
Одним из признаков опасного производственного объекта является наличие на нем стационарно установленного грузоподъемного крана, следовательно, обеспечение безопасной эксплуатации крана является неотъемлемой частью обеспечения безопасной эксплуатации опасного производственного объекта в целом. Таким образом, задача количественной оценки риска возникновения отказа грузоподъемного крана является актуальной.
Оценка риска возникновения отказа начинается с определения условий работы крана, его состояния и группы режима работы, после чего проводится идентификация опасностей, возникающих при эксплуатации, а именно выявление всех возможных отказов и вызывающих их причин. Далее, выбрав наиболее подходящий метод (методы) и используя данные о статистике отказов, оценивается риск отказа каждого узла в отдельности и его вклад в общий риск отказа крана в целом.
В ходе работы были выбраны два наиболее подходящие для кранов метода риск-анализа. Первый это метод дерева отказов (FTA), строящийся на исследовании нежелательного события, позволяет пользователю отыскивать комплекс экстремальных позиций (ответвлений), ведущих к этому нежелательному событию [2]. Он позволяет графически отразить причинные связи между различными случайными событиями с учетом логики их взаимодействия. Второй - метод анализа вида, последствий и критичности отказа ^МЕСА), предусматривает, что каждый вид отказа ранжируется с учетом двух составляющих критичности - вероятности (или частоты) и тяжести последствий отказа [3]. Понятие критичности близко к понятию риска и использовано при более детальном количественном риск-анализе.
В качестве объекта исследования был выбран мостовой кран. Мостовые краны широко применяются практически во всех отраслях народного хозяйства при технологических, погрузочно-разгрузочных, монтажных, складских и других работах. Они имеют большую номенклатуру типоразмеров и исполнений, их грузоподъемность достигает 800 т. Наиболее широко используются краны грузоподъемностью от 5 до 50 т. На основании метода FTA было построено дерево отказов мостового крана, отражающее взаимосвязи между его конструктивными элементами. Такое дерево отказов, выполненное на уровне механизмов и сборочных единиц, представлено на рис. 1.
Имеющаяся статическая информация по интенсивностям отказов конструктивных элементов, в связи с обезличенностью и отсутствием индивидуального подхода, не позволяет объективно оценить уровень безопасности мостовых кранов. Кроме того не всегда удается найти статистический материал для кранов, в которых применяются современные концепции проектирования и изготовления в области как приводов машин, так и стальных конструкций [4]. Как известно степень влияния повреждения или отказа какого либо элемента на безопасность различна, даже на однотипных по конструктивному исполнению мостовых кранах. Поэтому в работе применяются инструменты метода FMECA [3], а именно эксперт-
ные оценки тяжести последствий каждого из отказов. Согласно данному методу, членами экспертной комиссии составляются опросные листы для каждого эксперта, с указанием значимых отказов и диапазона (пределы изменения) изменчивости каждого отказа в применяемой 10-ти бальной шкале. Опросные листы раздаются каждому из экспертов. Эксперты по каждому из внесенных в опросные листы отказу конструктивного элемента в пределах установленного ранее диапазона проставляют фактический балл, характеризующий оценку (вес) данного отказа.
Рис. 1. Дерево отказов мостового крана
После чего все результаты обрабатываются и находятся средняя () и относительная (2^) оценки значимости каждого отказа по формулам
(1, 2)
1
1.1,1
I, = (1)
где - оценка значимости ,-го отказа 1-м специалистом-экспертом;
Ь - число специалистов-экспертов; , - порядковый номер оценки отказа оценки (, = 1...п);
2 =—^, (2)
1 п
, = 1
где п - число отказов.
На основании полученной относительной оценки значимости отказа мостового крана и статических данных по интенсивностям отказов (см. табл. 2) определяется мера риска отказа конструктивного элемента крана по формуле
Хф, =Хг2г, (3)
где 1, - интенсивность отказа конструктивного элемента мостового крана по статическим данным, 2, - относительная оценка значимости отказа
конструктивного элемента мостового крана.
Для выбранного объекта исследования проведен обобщающий анализ статистической информации по отказам конструктивных элементов мостовых кранов [5], на основании чего создана база данных по интенсивностям отказов, представленная в таблице.
Интенсивности отказов конструктивных элементов мостовых кранов
№ п.п. Наименование узла металлоконструкции мостового крана Интенсивность отказа 1/ч
1 2 3
1. Концевая балка:
1.1 - совокупность дефектов 2,67 х 10-5
1.2 - торцевая стенка 1,87 х 10°
1.3 - вертикальная стенка 3,97 х 10-5
1.4 - верхний пояс 2,30 х 10-5
1.5 - нижний пояс 2,73 х 10-5
2. Г лавная балка:
2.1 - совокупность дефектов 2,65 х 10-5
2.2 - узел сочленения главной и концевой балок 3,61 х 10-5
2.3 - верхний пояс 2,40 х 10-5
2.4 - вертикальная стенка 2,97 х 10-5
2.5 - нижний пояс 2,19 х10-5
3. Рама грузовой тележки:
3.1 - отказ по совокупности дефектов 2,98 х 10-5
Окончание таблицы
1 2 3
4. Вспомогательные элементы металлоконструкции
4.1 - совокупность дефектов 1,08 х 10-6
4.2 - кронштейны 2,18 х 10-5
4.3 - стойки ограждений 1,65 х 10-6
4.4 - настил 1,14 х 10-8
4.5 - перила ограждений 1,18 х 10-8
4.6 - стойки кабины 2,27 х 10-5
4.7 - узел крепления кабины к мосту крана 2,40 х 10-5
5 Редуктор:
5.1 подшипники 3,25 х 10-5
5.2 капремонт (зубчатые пары) 1,28 х 10-5
6 Тормоз
6.1 Обкладки 1,6 х 10-4
7 Канат 4,4 х 10-5
8 Подвеска 2,1 х 10-5
9 Уравнительные блоки 6,7 х 10-5
Результатом работы является количественная оценка безопасности эксплуатации мостовых кранов на основе логико-вероятностных методов, с использованием весовых коэффициентов, полученных экспертным путем, отражающий индивидуальные особенности по интенсивностям отказов конструктивных элементов и созданием на ее основе автоматизированной системы анализа риска эксплуатации мостовых кранов [6, 7].
Анализ существующих работ в области риска и безопасности показал, что целесообразно использовать в качестве распределения вероятности отказов мостовых кранов экспоненциальный закон [5]. Вероятность наступления неблагоприятного события (отказа) вычисляется по формуле:
2(*) = 1 - е_ Хф‘'', (4)
где Лф- - интенсивность отказа /-го элемента крана с учетом экспертной
оценки значимости, * - время.
Двигаясь снизу вверх по структуре дерева отказов, от исходных событий к главному - отказу мостового крана, вычисляется вероятность его наступления:
2Щ () =1- (1- 2^2 ())' - %(*)].....(1- 2И1 ()) ’ (5)
где 2N (*) - вероятности наступления промежуточных событий.
Общий вид окна автоматизированной системы анализа риска эксплуатации мостового крана представлен на рис. 2.
- J
Буфер обмена г.
J» I Вставка Разметка страницы Формулы , Times New Roman т 14 т A* a’ s| ф"'г
Ж АГ Ч ■ gj * д* - Д •
Шрифт ri
Рецензирование Bi
Общий т
Щ • % ооо *&
- Microsoft Excel д Надстройки
Условное Форматировать Стили форматирование' как.таблицу’' ячеект
к <й
з
А в с D Е F G К 1 1 J к L E
1
2 500 N1 Отказ крана N2 Отказ механизма подъёма N8 Отказ мех-ма подъема el 0.000036
3 Q= 0.215728486 е2 0.00045
4 Q= 0.864535 Q= 0.25027218 N9 Отказ тормоза еЗ
5 Q= 0 е4
5 е5
7 N10 Отказ редуктора е2
8 Q= 0 еб
9 е7
10 N11 Отказ барабана е2
11 О II о е8
12 е9
13 е10
14 N14 Отказ полиспаста N12 Отказ блоков е2
15 0= о ell
16 Q= 0.04404558 е12
17 N13 Обрыв каната el3 9.009E-05
18 д= 0.04404558 е14
19 el5
20 N17 Отказ крюковой подвески N15 Отказ траверсы e2
21 0= о el7
22 0= о el8
23 el9
24 N16 Отказ крюка e20
25 0= о e21
26 N3 Отказ ме i-ма передвижения N18 Отказ мех-ма передвижения крана N8 Отказ мех-ма подъема el 0.000458
27 0.204671466 e2
28 0= 0.395890617 N9 Отказ тормоза e3
29 Q= 0.204671466 0= о e4
30 e5
31 N10 Отказ редуктора e2
32 <3= 0 e6
53 e7
34 N19 Отказ мех-ма передвижения тележки N8 Отказ мех-ма подъема el
35 0= о e2
36 N9 Отказ тормоза e3
37 I ТСП /Л ■ I Й.2М737/-1 1 0= 0.240427877 e4 ▼
И > и 1 Опросный лист Дерево отказов ЛистЗ G ■■ < пи
Готово. |
I я п|н| щ ©-----------о-------©
Рис. 2. Общий вид автоматизированной системы анализа риска
мостового крана
Исходными данными являются интенсивности отказов конструктивных элементов и относительные оценки значимости, полученные с помощью экспертного метода. Система расчета реализована на базе табличного редактора Microsoft Excel. Вычисления в ячейках производятся по формулам (4, 5). Разработанная система расчета позволяет оценивать величину риска отказа как всего крана, так и каждого его элемента в отдельности.
Список литературы
1. Короткий А. А, Логвинов А.С, Чичерин С.С. Применение индекса безопасности к грузоподъемным кранам // Безопасность труда в промышленности. 1993. № 6. С. 50-52.
2. ГОСТ Р 51901.13-2005. Анализ дерева неисправностей.
3. ГОСТ Р 51901.12-2007. Метод анализа вида и последствий отказов.
4. Оптимизация металлических конструкций грузоподъемных машин мостового типа. Анцев В.Ю., Толоконников А.С., Калабин П.Ю. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. № 4. С. 18-22.
5. Короткий А.А., Симонов Д.Н., Котельников В.С., Липатов А.С. Оценка безопасной эксплуатации системы «кран— рельсовый путь» параметрами риска // Безопасность труда в промышленности. 1997. № 3. С. 2528.
6. Горынин А. Д. Автоматизированная система оценки риска отказа мостового крана // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Сб. науч. трудов XVII междунар. научно - техн. конф. «АПИР - 17», 30 ноября 2012 года, г. Тула; под на-учн. ред. В. В. Прейса. Тула: Изд - во ТулГУ, 2012. С. 125 - 129.
7. Хохлов Н.В. Управление риском: Учебное пособие для вузов. М:, 1999. 195 с.
Анцев Виталий Юрьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, anzev@tsu.tula.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Толоконников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., tolokonnikov@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Горынин Алексей Дмитриевич, аспирант, gorvnin@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
A UTOMA TION OF CALCULA TION OF RISK FAILURES OF ERECTING CRANES
V.Y. Antsev, A.S. Tolokonnikov, A.D. Gorynin
Presents a methodology for quantifying the risk offailure of lifting equipment, based on logic and probabilistic risk analysis techniques and the method of expert estimates. Based on it, developed an automated system for risk assessment of failure of the crane.
Key words: safety, overhead crane, risk analysis, fault tree, automation.
Antcev Vitaly Yurevich, doctor of technical science, professor, manager of department anzev@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tolokonnikov Aleksandr Sergeevich, candidate of technical science, docent, tolokonnikov@list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gogynin Aleksey Dmitrievich, postgraduate student, 2orvnin@,tsu.tula.ru. Russia, Tula, Tula State University.
Получено 28.06.2013 г.
