起重机械安全评估系统.docx
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起重机械安全评估系统
起重机械安全状态评估系统
一、起重机械
起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于0．5t的升降机；额定起重量大于或者等于1t，且提升高度大于或者等于2m的起重机和承重形式固定的电动葫芦等。
起重机械通过起重吊钩或其它取物装置起升或起升加移动重物。
起重机械的工作过程一般包括起升、运行、下降及返回原位等步骤。
起升机构通过取物装置从取物地点把重物提起，经运行、回转或变幅机构把重物移位，在指定地点下放重物后返回到原位。
起重机械按结构不同可分为轻小型起重设备、升降机、起重机和架空单轨系统等几类。
轻小型起重设备主要包括起重滑车、吊具、千斤顶、手动葫芦、电动葫芦和普通绞车，大多体积小、重量轻、使用方便。
除电动葫芦和绞车外，绝大多数用人力驱动，适用于工作不繁重的场合。
它们可以单独使用，有的也可作为起重机的起升机构。
有些轻小型起重设备的起重能力很大，如液压千斤顶的起重量已达750吨。
升降机主要作垂直或近于垂直的升降运动，具有固定的升降路线，包括电梯、升降台、矿井提升机和料斗升降机等。
起重机是在一定范围内垂直提升并水平搬运重物的多动作起重机械。
架空单轨系统具有刚性吊挂轨道所形成的线路，能把物料运输到厂房各部分，也可扩展到厂房的外部。
除此以外,起重机还有多种分类方法。
按取物装置和用途分类,有吊钩起重机、抓斗起重机、电磁起重机、堆垛起重机、集装箱起重机和救援起重机等。
按运移方式分类,有固定式起重机、运行式起重机、爬升式起重机、随车起重机等。
按驱动方式分类,有支撑起重机、悬挂起重机等。
按使用场合分类,有车间起重机、仓库起重机、建筑起重机、港口起重机、船上起重机等。
起重机械是现代工业生产不可缺少的设备,被广泛地应用于各种物料的起重、运输、装卸和人员输送等作业中。
全国起重机械的保有量约25万台左右。
全国有起重机生产厂400多家,年产量约3万余台,并以每年10%速度递增。
由于大多数起重机械活动空间大,暴露的活动零部件多,使得事故隐患面积大作业场所常常需要多人配合,要求指挥、捆扎、驾驶等作业人员配合,存在较大的难度。
由于上述诸多因素的存在,决定了起重机伤害事故较多。
据资料统计,我国每年起重伤害事故的死亡人数,占全部工业企业死亡总数的15%左右,每年起重机事故死亡人数在所有机械事故死亡人数中居首位。
在各类起重机械中,塔吊事故最为突出,全国塔吊在安装与拆卸中,死亡人以上的特大事故,每年都要发生起以上。
因此,起重机械安全不能不引起人们的重视。
一次起重机械事故的发生,其影响因素是多方面的,有很多因素是偶然形成才引起事故的。
从以往发生的起重机械事故分析,引起起重机械事故的原因总起来可以分成3个方面,即起重机械本身、人员因素及管理的因素。
1、机械本身的因素。
起重机械设备本身存在由于设计、制造欠佳、使用维护不当造成的缺陷,使其他因素在十分完好的状态下,也有可能发生重大设备或人身事故。
虽然近年来起重机械于设计制造问题发生的事故所占比例不大,但这仍然是值得重视的原因。
而且由于后期的使用维护不当造成设备的缺陷以致发生的安全事故,仍占起重机械事故的相当一部分比例。
2、人员的因素。
起重机械作业人员以及其他与起重机械有关的作业人员,如起重机械作业范围内的施工作业人员和起重机械作业空间周围的其他专业作业人员,甚至是临时进入这2个范围人员的安全意识、安全技术水平、安全素质等,对起重机械的安全都有较大的影响。
如经常出现的由于无证上岗、违章作业、发生紧急情况后处理不当等造成的事故都属于这一类。
由于人员的原因产生的事故占起重机械事故的相当比例。
3、管理的原因。
起重机械设备的使用单位对设备的管理状况也影响到设备的安全。
如对设备台帐的管理、设备安全技术检验的管理、设备使用维护保养检修的管理、起重机械作业与其他作业的协调管理等,都将影响到起重机械的安全。
很显然,管理混乱的企业更容易发生事故。
此外,引起起重机械事故的原因还有一些非人为能控制的因素,如地震、天灾等,由于发生几率很小,在这里不予考虑。
二、起重机械安全评估现状
1、国外研究现状
1978年，Denny,V.E.与Gilbert,K.J运用事件树，故障和决策树分析和建模，对发生于1972年的阳光煤矿矿用起重机倒塌事故进行了分析和评价，得出了主要的危险因素，并求出了合理的安全成本；1991年，英国布拉德福大学KellerA.Z等人提出了采用模糊理论进行故障分析与安全评价的方法，使模糊的不确定性问题得到定量化处理；1997年日本的Takada和Satomi运用概率风险评价的方法，结合事故树与故障树方法，对日本某起重机系统进行了可靠性研究，并对其进行了安全评价。
近年来，许多文献表明世界各国对系统的安全评价工作越来越重视，在故障诊断、可靠性评价与安全管理等方面提出了新的理论和方法，推动了安全评价工作的快速发展。
2004年，西班牙瓦伦西亚大学的LanacioGarcia-Fernandez，JoseD.Martin-Guerrero和MartaPla-Castells等首次将人工神经网络引入到门式起重机事故模型中，以计算机辅助形式模拟门式起重机在吊运货物过程中的突发事故和多方面的救护装置，可以看出计算机技术在安全评价中的应用已经越来越广泛；2008年，挪威的StianRuud和AgeMikkelsen从人、机和环境相结合入手，研究了起重机械的风险评价技术，并指出科技的进步促使新的安全评价方法在不断地发展，在对大型的系统进行评价的时候，不仅仅要考虑到设备的安全性，还要考虑到与之相关的人的心理和环境的影响。
由此可见，国外起重机械业安全评价领域的研究和应用主要集中在以下三个方面：
（1）以起重机械概率风险评价作为评价技术的基础
把起重机械系统中隐患导致事故的概率和隐患造成的损害的乘积作为系统状态的危险度。
隐患发生的概率和造成的损害经过统计数据获得，但是对隐患发生的概率和损害统计不够细致，缺乏实用性，且只讨论了这些数据的模糊性问题。
（2）安全评价过程中的局部关键技术得到了较快的发展
在注重安全评价的系统理论和方法研究的同时，局部关键技术开发得到了重视。
如在可靠性理论研究过程中研究了系统及元件失效概率的估计问题，以及可供系统安全性评价借鉴的概率估计方法，这对状态不明确系统的定量安全评价研究的贡献具有历史意义。
（3）计算机技术在安全评价工作中得到较大范围的推广
应用数据库和计算机技术对评价对象的客观属性，危险物质的物理化学指标数据，系统运行过程状态的历史数据，系统已有的灾变种类、原因、后果和发展趋势，发生过程等有效数据运用计算机管理。
为准确的确定评价过程的有关参数，合理的推测系统可能的危险灾害模式及其存在形态提供了现代化的技术手段。
人工智能技术和安全评价技术相结合使评价过程中的判断推理成为可能，为建立新的安全评价方法体系创造条件，在安全评价技术手段上而言是一场新的革命。
2、国内研究现状
我国于1990年10月由国防科学技术工业委员会批准发布了类似美国军用标准MIL-STD-822B的军用标准《系统安全性通用大纲》（GJB900-1990）。
受到许多大中型生产经营单位和行业管理部门的高度重视，自此安全评价在我国许多行业部门中开展开来。
2003年，安徽马钢股份有限公司的龙靖宇、吴海彤和李小兵基于经典统计和模糊统计之上的集值统计，确定具有随机、模糊性质的桥式起重机安全评价指标的安全度值，并在确定过程中，给出评价指标安全度值的可靠性程度和各评价专家的偏离度。
此法弥补了目前起重机安全评价中由经典统计法确定安全度值的不足，提高了起重机安全评价的准确度和可靠性。
2005年，武汉理工大学的黄海和孙国正对基于模糊理论的机械结构裂化指数及安全性评价与预测系统作简要的介绍，分析和研究系统的指标体系，提出用层次分析法（AHP）和人工神经网络方法相结合确定指标体系中权重和状态指数的设想。
并在“16t带斗门机技术状态评价及安全使用期限预测”项目中进行了验证，效果较好。
2009年，湖南工业职业技术学院的柳青、宁朝阳和杨红以某起重机厂180/50T铸造吊为例，在没有进行原形应力和变形检测的情况下，采用Algor软件对金属结构进行了三维有限元计算模拟，并对如何利用计算结果判别其强度和刚度作了研究说明，为起重机桥架结构的安全评价提供了依据。
2010年，上海宝钢工业检测公司的李贵文、罗云东、贝聿仁和陈力伟首次应用虚拟仪器测试技术在宝钢450t铸造起重机现场试验中，总结了现场应用经验,为设备无忧运行提供了技术保障,也为今后开展类似测试分析提供了一些可以借鉴的内容。
在我国起重运输机械中，应用最多的安全分析与安全管理方法是安全检查表、安全目标管理和全员设备管理，而故障树分析、故障树分析、人员可靠性分析等方法的应用并不理想，安全专家系统现场偶尔使用。
在评价方法中，只对综合评价法和模糊评价法认为较好，其他方法一般，造成这种现象的主要原因就是对这些方法的实质没有掌握，欠缺理论层次高的人员；二是认为应用难度比较大，评价指标的量化困难；三是大多数企业有计算机但没有相应的安全评价软件，限制了安全评价方法在起重机械中的应用。
三、评估方法模型
1、起重机械安全性评价的原理
起重机械安全性评价的原理就是通过对起重机械的危险有害因素的区分,运用恰当的安全性评价方法,比如安全检查表,事故树分析法,风险分析法等形式,得出起重机危险程度等级,并提出合理可行的措施,指导危险源监控和事故预防,使起重机械安全状况达到可接受的安全水平,安全性评价的工作内容由起重机械使用和管理方面的评价和设备本身运行状况和评价两大部分组成,前者我们可以采用定性化的安全检查表、分析起重机械安全管理方面存在的缺陷。
根据对安全检查中有相关内容的评价,我们可以清楚了解起重机械目前使用和管理水平,从而避免在用起重机械处于一种低水平的管理状态。
2、安全检查表
安全检查表是将一系列项目列出检查表进行分析，以确定系统、场所的状态这些项目可以包括场地、周边环境、设施、设备、操作和管理等各方面。
目前，安全检查表有3种类型：
定性检查表、半定量检查表和否决型检查表。
定性安全检查表是列出检查要点逐项检查，检查结果以“对”“否”表示,检查结果不能量化；半定量检查表是给每个检查要点赋以分值，检查结果以总分表示，有了量的概念，这样，不同的检查对象也可以相互比较，但缺点是检查要点的准确赋值比较困难，而且个别十分突出的危险不能充分地表现出来，我国原化工部1990、1991、1992年安全检查表以及中国石化、天然气总公司安全评价方法中的检查表即为此种类型；否决型检查是给一些特别重要的检查要点作出标记，这些检查要点如不满足，检查结果视为不合格，即具一票否决的作用，这样可以做到重点突出，我国的《GB13548－92光气及光气化产品生产装置安全评价通则》中的检查表即属此类。
检查表有各种形式，不论何种形式的检查表，总体的要求是第一内容必须全面，以避免遗漏主要的潜在危险。
第二要重点突出，简明扼要，否则的话，检查要点太多，容易掩盖主要危险，分散人们的注意力，反而使评价不确切。
为此，重要的检查条款可作出标记，以便认真查对。
安全检查表主要有以下优点：
（1）检查项目系统、完整，可以做到不遗漏任何能导致危险的关键因素，因而能保证安全检查的质量。
（2）可以根据已有的规章制度、标准、规程等，检查执行情况，得出准确的评价。
（3）安全检查表采用提问的方式，有问有答，给人的印象深刻，能使人知道如何做才是正确的，因而可起到安全教育的作用。
（4）编制安全检查表的过程本身就是一个系统安全分析的过程，可使检查人员对系统的认识更深刻，更便于发现危险因素。
主要缺点是:
（1）只能做定性或一些半定量的评价,不能给出完全定量的评价结果；
（2）只能对已经存在的对象进行评价,如果要对处于规划或设计阶段的对象进行评价,必须找到相似或类似的对象。
检查表的编制步骤一般包括:
（1）确定被检查对象,组织有关人员；
（2）熟悉被分析的系统,调查不安全因素,搜集与系统有关的规范、标准、制度等,明确规定的安全要求；
（3）根据具体情况和要求确定编制方法,编制安全检查表；
（4）通过反复使用,不断修改、补充完善。
为了使评价工作得到关于系统安全程序方面的概念,针对安全检查表开发了许多行之有效的评价计值方法,根据评价计值方法的不同,检查表量化评价方法又分为:
逐项赋值法、单项否定计分法、加权平均法、评价等级加权法等。
其中单项否定计分法适用于起重机械。
起重机械有若干危险因素,其中只要有一处处于不安全状态,就有可能导致严重事故的发生。
因此,把起重机械安全评价表中的某些评价项目确定为对起重机械安全状况具有否决权的项目,这些项目中只要有一项被判为不合格,则视为该系统总体安全状况不合格。
检查表法一直是一种被广泛应用于起重机械安全评估的方法,它以其系统、完整的特点和简单易行的优点为人们所接受。
在安全检查表评价中,所有可能导致危险的因素都将被涉及。
经过安全检查表评价,可以使人们对起重机械安全状态有全面、系统的了解,对各个子系统的危险程度形成基本的认识,达到从宏观上掌握安全状态、找出危险源所在的目的。
表1起重机械安全检查表
被检查单位
使用场所
设备型号
出厂编号
设备用途
注册代码
使用单位参加人员姓名、职务
检查内容及意见
检查项目
检查内容
检查情况
作业人员
现场作业人员是否持有有效证件
合格标志
是否有安全检验合格标志，并按规定固定在显著位置，是否在检验有效期内
安全装置
是否有制动、限位、缓冲、防风等安全保护装置
运行警示铃是否有效
设备状况
基础或者轨道是否存在明显损坏、变形
吊钩是否存在明显损伤
钢丝绳是否顺畅运行
制动装置是否有效运行
是否已接地
驾驶室是否有明显变形、损坏，是否有良好视野
其他情况
处理措施
使用单位人员（签字）：
监察员：
年月日
年月日
3、故障树分析法
故障树分析又称事故树分析为或事故逻辑分析,它是对系统安全性进行定性与定量分析评价的一种科学的和先进的方法，已被广泛地运用到现代设计的多个领域之中。
事故树分析评价是运用由事件符号和逻辑符号组成的一种图形模式，来分析人机系统中导致灾害事故的各种因素之间的因果关系和逻辑关系，从而判明系统运行当中，各种事故发生的途径和重点环节，为有效地控制，提供一个简洁而形象的途径。
在作业过程中，由于人的失误、机器故障、环境影响，随时都有可能发生不同程度的事故。
为了不使这些事故导致灾害性后果就要对系统中可能发生事故的各种不安全因素进行分析和预测，以采取相应的措施和手段来防止和消除危险。
因此一个系统的事故分析应包括：
系统可能发生灾害事故，也称为顶上事件；系统内固有的或潜在的事故因素，包括人、机器、环境因素；各个子系统及各因素之间的相互联系与制约关系，即输入—输出的因果逻辑关系，并用专门的符号表示；计算系统的顶上事件的发生概率，进行定量分析与评价。
故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。
逻辑门的输入事件是输出事件的"因"，逻辑门的输出事件是输入事件的"果"。
故障树图（或者负分析树）是一种逻辑因果关系图，它根据元部件状态（基本事件）来显示系统的状态（顶事件）。
就像可靠性框图（RBDs），故障树图也是一种图形化设计方法，并且作为可靠性框图的一种可替代的方法。
一个故障树图是从上到下逐级建树并且根据事件而联系，它用图形化"模型"路径的方法，使一个系统能导致一个可预知的，不可预知的故障事件（失效），路径的交叉处的事件和状态，用标准的逻辑符号（与，或等等）表示。
在故障树图中最基础的构造单元为门和事件，这些事件与在可靠性框图中有相同的意义并且门是条件。
从系统的角度来说，故障既有因设备中具体部件（硬件）的缺陷和性能恶化所引起的，也有因软件，如自控装置中的程序错误等引起的。
此外，还有因为操作人员操作不当或不经心而引起的损坏故障。
其程序流程图如图1所示。
图1故障树分析程序流程图
总的说来，故障树分析法具有以下一些特点。
它是一种从系统到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。
它从系统开始，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析故障事件（又称顶端事件）发生的概率。
同时也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响，其中包括人为因素和环境条件等在内。
它对系统故障不但可以做定性的而且还可以做定量的分析；不仅可以分析由单一构件所引起的系统故障，而且也可以分析多个构件不同模式故障而产生的系统故障情况。
因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，因此，不论是设计人员或是使用和维修人员都容易掌握和运用，并且由它可派生出其他专门用途的“树”。
例如，可以绘制出专用于研究维修问题的维修树，用于研究经济效益及方案比较的决策树等。
由于故障树是一种逻辑门所构成的逻辑图，因此适合于用电子计算机来计算；而且对于复杂系统的故障树的构成和分析，也只有在应用计算机的条件下才能实现。
显然，故障树分析法也存在一些缺点。
其中主要是构造故障树的多余量相当繁重，难度也较大，对分析人员的要求也较高，因而限制了它的推广和普及。
在构造故障树时要运用逻辑运算，在其未被一般分析人员充分掌握的情况下，很容易发生错误和失察。
例如，很有可能把重大影响系统故障的事件漏掉；同时，由于每个分析人员所取的研究范围各有不同，其所得结论的可信性也就有所不同。
故障树分析的方法有定性分析和定量分析两种。
定性分析是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式,既求出故障的所有最小割集（MCS）。
定量分析主要有两方面的内容:
一是由输入系统各单元（底事件）的失效概率求出系统的失效概率；二是求出各单元（底事件）的结构重要度,概率重要度和关键重要度,最后可根据关键重要度和关键重要度,最后可根据关键重要度,概率重要度和关键重要度,最后可根据关键重要度的大小排序出最佳故障诊断和修理顺序,同时也可作为首先改善相对不大可靠的单元的数据。
4、结构安全评估法
对于金属结构的安全评估技术的研究,美国、德国、法国和俄罗斯等国在这一领域的工作开展己久,并有多项科研成果公布,这些成果在汽车、航空等工业领域有成功的应用。
从1993年9月在上海召开的“第七届亚太地区无损伤检测会议”及1994年6月在北京召开的“第二届可靠性、维修性和安全性国际年会”的情况看,国内外的研究对象、方法、手段大致相当。
国内一些高校和研究院所就诊断方法与控制技术开展了不少有益的研究,如对焊接裂纹预测及诊断建立了知识库,并运用专家系统就水电站高压岔管的裂纹进行分析;用有限元法对龙门起重机的应力进行分析,用Miner线性积累损伤理论及蒙特卡罗法对其疲劳寿命进行预测;利用可靠性中的“应力-强度干涉理论”,通过对应力循环的等效变换及随机载荷历程的数据处理,实现了叉车门架的疲劳强度的可靠性设计计算。
综合国内外的发展情况,目前的研究对象大多数是机械零件或机械传动件,研究手段多是应用疲劳、振动和可靠性理论,采用测试、数据分析与控制等方法。
对大型金属结构,尤其是对受变载、重载、含缺陷的港口起重机械金属结构的安全评估,以及维修和护理方面的研究尚未广泛深入地开展,也未形成适合各种港口机械特点的系统的安全性检测、分析与评估方法。
目前,国内港口起重机械金属结构的安全性评估,主要是采用名义应力法进行结构疲劳分析与寿命评估。
通过现场应力检测,结合材料的S—N曲线,计算结构的疲劳寿命,扣除设备过去的工作时间,以此估算金属结构的剩余寿命。
应用名义应力法计算疲劳寿命,理论简单,易于分析,但是由于结构材料内部往往已经存在着这样那样的初始缺陷,加上设备的历史记录不全或不准确,这样就严重影响了这种方法的准确性和可靠性。
疲劳破坏是起重机金属结构失效的主要形式,而起重机金属结构作为一个承载结构系统,它的失效不仅使起重机失去功能,而且容易导致断臂等重大事故。
引起起重机金属结构失效的故障主要有裂纹、局部或整体变形、折断、锈蚀、刚度不足等,其中裂纹是目前起重机械金属结构的主要故障形式,在门座起重机的转柱、门架、人字架、小拉杆、大拉杆、象鼻梁、臂架等主要构件上经常出现。
裂纹主要出现在焊缝或焊缝附近的母材上,它在一定的变化载荷作用下往往会扩展,致使金属结构出现故障。
安全性评估方法通常是以避免在规定工况（包括水压试验）下的安全性评估保证期内发生各种失效模式导致事故的可能为原则。
一般来说一种评估方法只能评定相应的失效模式,只有对各种可能的失效模式进行综合判断或评价后,才能得出该产品或结构是否安全的结论。
在实际工作中,常常要采取多种安全性评估方法进行评定,最终得出综合的评定结论。
从科学性、成熟性、工程实用性上综合考虑,在常规评定中建议采用R6的通用失效评定曲线图来进行防止起裂的评定。
研究表明,在绝大多数情况下,R6通用失效评定曲线是偏于安全的,虽然在个别情况下严格失效评定曲线会比R6通用失效评定曲线低一点,但所有曲线的下包络线在Lr<1范围内与通用失效评定曲线的误差（以载荷计）均不大于10%。
安全性评估包括对评定对象的状况调查（历史、工况、环境）、缺陷成因分析、失效模式判断、材质检验（包括性能、损伤与退化等）、应力分析、必要的实验与计算,然后对评定对象的安全性进行综合分析和评价。
主要程序如下:
（1）调查被评估对象的设计、制造、安装、使用等基本情况和数据。
（2）取得缺陷检验数据。
（3）材料性能数据测试或选用。
（4）应力状况、应力测试和应力分析。
（5）综合安全评价与评估结论。
（6）出具评估报告并给出明确的评估结
使用较频繁的、工作较繁重的建筑起重机械的金属结构、各工作机构的主要受力部件,如吊臂上、下弦杆与斜拉杆的焊缝和热影响区,吊臂销接座及销接头与上、下弦杆的对接焊缝,吊臂、平衡臂拉杆焊缝;标准节和顶升套架的焊缝和热影响区等部位,短则3、5年,长则10年在无损检测中都发现过有不同程度的疲劳裂纹存在。
这种疲劳裂纹比较细小,大多出现在工件表面,仅凭肉眼较难发现。
在裂纹形成的初期,对于设备的正常使用无任何影响,不会出现异常状况导致结构破断。
但是对于使用年限较长的起重机,主要受力构件的焊缝及其热影响区长期受到交变应力的作用。
疲劳裂纹会大量增加并不断扩展,当结构疲劳损伤积累到一定程度后,遇到超载、超力矩,大风等偶发事件,细小的疲劳裂纹就可能迅速扩展,造成主要受力构件的焊缝或热影响区撕裂,导致受力截面减小,当缺陷处承受的最大应力超过其抗拉强度时,就会引发突然断裂的事故。
建筑起重机械的安全技术性能评估,就是针对使用年限较长的建筑起重机械的金属结构、各工作机构、重要零部件、电气元器件、安全保护装置等,根据国家或行业相关标准进行检验、检测与评定。
发现问题,及时处理,避免发生重大恶性事故并延长建筑起重机械的使用寿命
5、模糊综合评价方法
模糊综合评价方法是模糊数学中应用的比较广泛的一种方法。
在对某一事务进行评价时常会遇到这样一类问题，由于评价事务是由多方面的因素所决定的，因而要对每一因素进行评价；在每一因素作出一个单独评语的基础上，如何考虑所有因素而作出一个综合评语，这就是一个综合评价问题。
模糊综合评价是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种十分有效的多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示。
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