岸邊集裝箱起重機安全性評價研究

盧茹利 楊 慧

1 連云港東糧碼頭有限公司 2 上港集團宜東集裝箱碼頭分公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)是專業的集裝箱裝卸設備。近年來，伴隨著集裝箱船舶大型化的發展，投運占比的提升，岸橋逐步朝著裝卸效率高值化、操控系統智能化、機型尺寸大型化、整機重量輕量化、額定起重量重型化、能源消耗節約化的方向發展，以便適應當前航運市場的競爭需求[1-2]。

岸橋工作環境惡劣，具有工作強度大、連續裝卸作業時間長、沖擊載荷響應明顯等工作特點。岸橋是一個復雜的系統，由金屬結構、機構與零部件、電氣設備、安全保護裝置等多個子系統組成，其中任何一部分出現故障問題，都會引發安全事故，帶來巨大的財產損失和人員傷亡[3]。由于岸橋長期處于高腐蝕、天氣情況惡劣的海邊工作環境，需密切關注設備整機安全性能，避免發生安全事故。這就要求港口在提高岸橋作業效率的同時，加強設備的安全評價，如金屬結構安全性評價、壽命評估，機構與零部件、電氣設備元器件和安全保護裝置的故障預測、診斷。

岸橋的日常管理以及設備安全狀態自我評估對設備管理技術人員的能力有極高的要求，如何快速客觀地評估岸橋的整體安全狀態，是港口企業急需解決的難題。岸橋安全性評價的基礎是對設備進行檢測和評價，獲取客觀真實的設備狀態數據，依據有關標準要求，結合行業專家的經驗對設備從金屬結構、機構與零部件、電氣設備和安全保護裝置等方面做出安全性評價[3]。

基于檢測與評判，分析單一指標的檢測歷史數值的分布規律，結合岸橋設計、制造、管理、檢測、使用、維修等多方面專家的實際經驗、國家標準、行業規范等，構建一套適用于港口設備管理的含有金屬結構、機構與零部件、電氣設備和安全保護裝置等各評價指標的岸橋安全性評價體系，可提高評價結果的科學性、準確性、工程實用性及縮短評價時間，為以后制定起重機安全評定規則提供參考。同時，可改善港口落后的設備管理方法，指導技術人員對港口大型起重設備科學系統的管理，減少設備的非計劃停機時長。對起重機安全狀態評估，合理地進行起重機改造、報廢，可保證港口的安全生產，最大限度地發揮起重機經濟效益和設備效益。將此研究成果推廣，形成企業標準，有著非常重要的現實意義。

2 安全性評價體系構建

進行安全性評價分析的前提是建立一套科學的安全性評價體系。通常體系的建立包括確定科學的評價指標、選擇合適的評價方法、構建具有工程實用性的評價模型等一系列過程。首先，通過對港口的實地調研和相關文獻的分析，進行評價指標的初選，并采用模糊德爾菲法進行指標篩選，確定最終安全性評價指標；同時，利用層次分析法確定指標權重；然后通過歷史數據統計分析進行指標評價值的計算，最終完成整機安全性評價(見圖1)。

圖1 岸橋評價體系構建

3 評價指標選取及權重的確定

通過對港口的實地調研和相關文獻的分析，整理影響岸橋安全的指標，形成評價指標的初選集，采用模糊德爾菲法函詢岸橋不同領域的專家，對初選集進行評判、篩選，得到最終的安全性評價指標。采用層次分析法建立評價指標的層次結構，構建判斷矩陣，獲取指標權重并進行單層及總體層次排序及一致性檢驗，最終將多個專家的指標權重值采用幾何平均法計算，確定評價指標綜合權重。

3.1 指標選取

(1)評價指標的初選。在查閱岸橋歷史維修、運行故障事故記錄、日常維護保養、使用狀況記錄及定期檢驗檢查記錄等設備臺賬和查閱相關文獻資料的基礎上，根據系統性、科學性、可操作性、適用性的原則，初步選取了43個金屬結構系統指標、19個機構與零部件系統指標、16個電氣設備系統指標和7個安全保護裝置系統指標，形成了安全性評價指標初選集。

(2)評價指標的篩選。初步選定的評價指標需經過專家對其合理性進行評判和篩選，以3輪問卷調查的方式進行。第一輪問卷調查目的是對初選評價指標表述準確性、合理性、科學性和工程實用性進行評判意見征詢；第二輪問卷調查目的是對專家評判后的指標按照灰色地帶檢驗法進行指標的一致性檢驗；第三階段問卷主要目的是專家參考上一輪數據處理結果進行修正，專家對指標意見共識達成一致，最終確定的岸橋安全性評價指標(見圖2)。

圖2 岸橋安全性評價指標

3.2 評價指標權重的確定

根據以上選取的岸橋安全性評價指標，利用層次分析法，建立岸橋安全性評價準則層、指標層判斷矩陣，并分別計算出特征向量ω、最大特征值λmax，并根據CI與RI的值，算出CR，進行一致性檢驗，最后得出整個指標體系中的各指標所對應的權重。

4 安全性評價指標值的計算

在實際工程應用中，如何根據實測或專家評判獲得的數據進行專家評分一直缺乏科學合理的方法。本節基于評價指標工程現場檢驗數據的分布情況，構造指標的無量綱化的分值函數，從而為實測指標狀態值的評判提供計算依據。

4.1 定量化指標狀態值統計分析

統計了34臺正常服役時間10～20 a的額定載荷40 t岸橋檢驗報告，對岸橋前臂梁、主梁、梯形架、前拉桿、門框、門框連接等結構件8個測點的靜載應力和動載應力對比值；前臂梁、主梁結構下撓度、前臂梁上翹度和主梁上拱度的數據進行了歸納、統計，統計數據區間見表1。

首先對樣本數據進行區間劃分，統計每個區間內的數據頻數，獲得不同指標的頻數分布直方圖，用于指導后續分布函數假設、曲線擬合、參數估計和假設檢驗。以六級直方圖為例，金屬結構件前臂梁A點靜載應力測試數據頻數分布直方圖見圖3。

圖3 前臂梁A點靜載應力概率分布

4.2 指標分布的擬合及假設檢驗

威布爾分布在可靠性分析，材料性能評估方面應用較為廣泛，大多數采用的是雙參數威布爾分布。研究岸橋在實際檢測中的指標數據分布，為了獲取更高的精度，選用三參數威布爾分布進行擬合及參數估計。

4.2.1 三參數威布爾分布函數

威布爾分布的概率密度函數為：

(1)

分布函數為：

(2)

式中，a為尺度參數；b為形狀參數；c為位置參數。a值的“特征”在于它對應的母體概率分布函數值總等于0.632，與形狀參數b無關。

4.2.2 威布爾三參數的參數估計

依靠三參數a，b，c的最大似然函數為

L(x1,x2,…xn;a,b,c)=

(3)

式(3)最大似然函數的極值點即三參數估計值，對式(3)兩邊分別取對數得：

當?lnL/?θ=0時，L(x1,x2,···xn;a,b,c)達到最大值。求解二元方程組：

圖4 前臂梁A點概率密度函數

4.3 指標評價值的計算

4.3.1 定量化指標評價值的計算

主要承載金屬結構件的強度評價通常考慮前臂梁、主梁、前拉桿、梯形架、門框和門框連接靜載應力檢測值，結構件靜載應力值必須小于材料(Q345)許用應力臨界值246.4 MPa。通過之前的統計分析和假設檢驗，確定參數得到指標評價值函數。

以前臂梁箱梁上翼緣板測點A的應力值為例設為變量σa，根據A點的概率密度函數可得分布函數(CDF)圖(見圖5)。由圖5可知，前臂梁箱梁上翼緣板A點最小應力值為2 MPa,分布概率為0.632時的特征應力為35.5 MPa，計算確定函數參數得到A點靜載應力無量綱化處理函數式見式(4)。

圖5 A點的CDF圖

(4)

4.3.2 定性化指標評價值的計算

定性化指標根據各指標分級情況，采用三角形分布型隸屬函數，依據專家評判建議和統計結果確定如下3種隸屬函數，見圖6。

圖6 定性化指標隸屬度函數曲線

根據指標評價值，依據各自對應的分級隸屬函數確定隸屬度R1,R2,…,Rn，最后得到模糊關系矩陣R=(R1,R2,…,Rn)，并代入式(5)進行評價值的計算。

B=WR

(5)

式中，B為模糊綜合評價指標集；W為評價指標權重向量；R為模糊關系矩陣。

或：

(b1,b2,…,bm)=(ω1,ω2,…,ωn)×

(6)

式中，bj為綜合評判指標；ωi為每個評價指標對相應指標的權重；rij表示影響評價指標ui隸屬程度。

得到綜合評判指標bj(j=1,2,…,m)之后，利用加權平均法，進行加權平均計算得到最終評判結果，即：

(7)

式中，νj取值為綜合評價集的中間值。

以上海某港口一臺服役13年的岸橋主要機構與零部件系統為例，由現場檢測專家根據評價指標的實際狀況，采用目測識別、診斷的方法進行評判、打分，最終確定各評價指標的得分。依據圖6(a)計算每一個指標隸屬度，確定主要機構與零部件系統的模糊關系矩陣：

由3.2節可得，機構與零部件系統各指標權重向量：W=(0.0940.2080.4460.1980.054)，由此根據(5)可得模糊綜合評價指標集B:

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

機構與零部件系統最終評價結果：

由評價結果可知，該岸邊集裝箱起重機的機構與零部件系統安全狀況一般，屬于帶故障運行，需要對有故障的地方特定檢查，發現問題即時修復。

5 結語

通過對岸橋安全性評價指標的檢驗歷史數據的統計分析，并對定量化指標數據分布規律進行擬合、假設、檢驗，構造了無量綱化處理函數，為定量化指標評價值的計算提供依據；對定性化指標，構造了不同類型定性化指標的隸屬函數曲線，用于評價指標隸屬度的確定和模糊關系矩陣的構建，為定性化指標定量化處理提供方法。