基于綜合指標(biāo)評價的起重機(jī)選型研究

吳開興 趙洪林 施麗君

(河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

吊裝規(guī)劃中對起重機(jī)的選型不僅是一個耗時的任務(wù)更是整個規(guī)劃的關(guān)鍵[1]，因此針對起重機(jī)選型的研究具有實用意義。

針對起重機(jī)選型工作，已有一些學(xué)者和工程領(lǐng)域人員展開了相關(guān)的研究。國外學(xué)者綜合項目參數(shù)、被吊對象數(shù)據(jù)及安全約束等條件應(yīng)用數(shù)值算法對起重機(jī)進(jìn)行了選型[2]；國內(nèi)學(xué)者針對項目情況、起重機(jī)性能、安全核算因素結(jié)合AHP層次分析法、投影尋蹤法等算法對起重機(jī)的選型進(jìn)行了研究[3-6]。

但是上述的一些選型方式中雖然對起重機(jī)的選型進(jìn)行了核算和施工過程的綜合考慮，提高了施工安全，但沒有考慮施工成本等問題，且不能判斷何種起重機(jī)是最優(yōu)的；投影尋蹤法可以處理非線性多指標(biāo)問題，但不適用于大數(shù)據(jù)下的篩選；層次分析法主觀性較強(qiáng)。因此本文在考慮了施工環(huán)境、安全性、操作人員因素、施工成本等因素的前提下，基于價值工程原理，并結(jié)合結(jié)構(gòu)熵權(quán)法的權(quán)重計算方法，建立了一個新的綜合指標(biāo)評價方法，達(dá)到在主客觀賦值相結(jié)合的前提下為大數(shù)據(jù)下的起重機(jī)選型提供評價支撐。

1 吊裝設(shè)備選型

1.1 選型流程

起重機(jī)選型過程大體可分為以下幾個部分，如圖1所示。

首先需要將被吊構(gòu)件信息、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)通過輸入框錄入到系統(tǒng)中用于系統(tǒng)對吊索具的選型工作，選擇出合適的吊索具與用戶再次錄入的施工環(huán)境數(shù)據(jù)、吊裝目標(biāo)及自定安全富余率作為初始條件參與起重機(jī)選型過程，選型過程中會通過評價方法進(jìn)行評價打分，得到最佳的起重機(jī)型號。

1.2 吊索具選型

在選擇合適吊具時，為了吊裝過程的安全，取1.15倍的容許工作荷重進(jìn)行計算，即：

S>1.15×Q+qd

(1)

吊索的選擇需要其容許破斷拉力大于1被吊構(gòu)件和吊索具的重量之和，即：

(2)

其中，Q為被吊構(gòu)件重量；S為吊具的容許工作荷重；qd為吊具的重量；Fs為鋼絲繩的實際破斷拉力總和；α為鋼絲繩之間荷載不均勻系數(shù)，一般來說6×19，6×37,6×61規(guī)格的鋼絲繩對應(yīng)的不均勻系數(shù)α分別可取0.85，0.82和0.8；Kg為鋼絲繩使用的安全系數(shù)，在起重機(jī)使用中鋼絲繩的安全系數(shù)一般取Kg=5.5。

1.3 起重機(jī)選型

1.3.1 吊裝荷載

起重機(jī)的額定起重量應(yīng)不小于在一定安全系數(shù)約束下的起吊重量，其計算公式為：

Qr≥Qj=(Q+qd)Kc

(3)

其中，Qr為起重機(jī)額定起重量；Qj為計算出的吊裝荷載；Kc為起重安全系數(shù)，可取1.5左右。

1.3.2 起吊高度

起重機(jī)的最大起升高度應(yīng)大于起吊高度，起吊高度計算式為：

Hr>Hj=H1+H2+H3+H4

(4)

其中，Hr為起重機(jī)的最大起升高度；Hj為計算出的起吊高度；H1為地面到支座表面的垂直距離；H2為支座表面到被吊構(gòu)件底面的垂直距離；H3為被吊構(gòu)件的高度；H4為預(yù)計的吊裝間隔，即安全空間，包含預(yù)計的被吊構(gòu)件上表面到吊點(diǎn)的距離。

1.3.3 抗臂驗算

為了避免起吊過程中被吊構(gòu)件與起重臂發(fā)生碰撞，需要進(jìn)行抗臂驗算，計算式為：

(5)

其中，l為被吊構(gòu)件的長度；R為起重機(jī)的回轉(zhuǎn)半徑，即作業(yè)幅度；hd為預(yù)計的被吊構(gòu)件上表面到吊點(diǎn)的距離。

1.3.4 抗傾覆驗算

起重機(jī)的穩(wěn)定性對吊裝作業(yè)會產(chǎn)生很大的影響，它決定著在外界環(huán)境干預(yù)下起重機(jī)能否進(jìn)行安全的起吊工作，因此起重機(jī)自身的抗傾覆力矩應(yīng)大于傾覆力矩。其計算式如下：

MZ>K(Qj+q)(R-l2)+MF+MG+ML

(6)

(7)

(8)

其中，MZ為起重機(jī)自身的抗傾覆力矩；K為起重機(jī)穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.15；q為起重滑車組的自重；l2為起重機(jī)中心到外側(cè)邊緣的距離；MF為風(fēng)荷載引起的傾覆力矩；MG為重物下降時突然剎車引起的慣性傾覆力矩；ML為起重機(jī)回轉(zhuǎn)時離心力引起的傾覆力矩；V為吊具下降速度，一般取吊具上升速度的1.5倍；g為重力加速度；t為吊具的制動時間，取1 s；n為起重機(jī)的回轉(zhuǎn)速度；H為起重臂頂端到地面的距離；h為所吊構(gòu)件處于最低位置時其重心到起重臂頂端的距離。

2 評價方法的建立

2.1 權(quán)重計算

結(jié)構(gòu)熵權(quán)法是一個將主觀賦值與客觀賦值相結(jié)合的組合賦值方法，具有定性分析與定量分析相結(jié)合的特點(diǎn)[7]。原始的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法中對主觀賦值的修正較弱[8]，因此本文采用改進(jìn)的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法，詳細(xì)步驟如下：

1)根據(jù)“德爾斐專家調(diào)查法”原理采集專家意見，形成主觀賦值形式的“典型排序”。假設(shè)有n個指標(biāo)，讓k個專家參與排序，則各專家獨(dú)立對單個指標(biāo)的排序值記為aij,i=1,2,…,k,j=1,2,…,n，可獲得典型排序矩陣A(A=(aij)k×n)。其中，根據(jù)“德爾斐專家調(diào)查法”的要求參與排序的專家需要對測評指標(biāo)熟悉、評價公正且具有專業(yè)權(quán)威性。

2)對典型排序矩陣進(jìn)行“盲度分析”。專家進(jìn)行的排序往往會存在主觀性和不確定性，影響數(shù)據(jù)的真實性，因此需要進(jìn)行修正處理。對典型排序確定排序轉(zhuǎn)化的隸屬函數(shù)為：

(9)

其中,m為轉(zhuǎn)化參數(shù)量，取m=n+1。令I(lǐng)=aij，即可得aij的定量轉(zhuǎn)化值bij。假設(shè)k個專家對某指標(biāo)的話語權(quán)相同，則可計算k個專家對該指標(biāo)的一致看法，即評價認(rèn)識度，記為1-bj。

(10)

k個專家對某指標(biāo)的不確定性稱為認(rèn)識盲度，記為Qm；對某指標(biāo)的整體認(rèn)識度記為Xj。

Qm=max(b1j,b2j,…,bkj)

(11)

Xj=(1-bj)(1-Qm)

(12)

3)歸一化處理。對Xj進(jìn)行歸一化處理得到對應(yīng)的各指標(biāo)的權(quán)重值。

(13)

針對起重機(jī)選型，從技術(shù)可靠性(c1)、工作效率(c2)、操作人員熟練度(c3)以及舒適性(c4)四個方面來考慮。為了保證起重機(jī)吊裝作業(yè)的安全性，在技術(shù)方面通常取最大額定起重量(c11)、最大起重力矩(c12)、最大起升高度(c13)三個二級指標(biāo)；起重機(jī)的工作效率會對整個施工效率產(chǎn)生影響，在工作效率方面一般取變幅速度(c21)、回轉(zhuǎn)速度(c22)和起升速度(c23)三個二級指標(biāo)。將一級指標(biāo)和二級指標(biāo)選取6位建筑行業(yè)的專家意見，按《指標(biāo)體系權(quán)重專家調(diào)查表》要求進(jìn)行了統(tǒng)計計算，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 吊索具性能權(quán)重調(diào)查結(jié)果

經(jīng)過計算可得到相應(yīng)權(quán)重，如表2所示。

表2 起重機(jī)性能權(quán)重表

2.2 價值評定

價值的評定基于價值工程原理，其目的是評定出吊裝設(shè)備的價值水平，為選型提供價值依據(jù)。計算式為：

(14)

其中，V為計算出的工程價值；F為起重機(jī)所蘊(yùn)含的價值，即為起重機(jī)各項重要指標(biāo)(cij)與其對應(yīng)的權(quán)重(αij)之積；C為綜合使用成本，其包含租賃成本(Cf)、配置成本(Cp)和人工成本(Cq)三個部分。

C=Cf+Cp+Cq

(15)

(16)

然而，起重機(jī)不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)大小差距很大，會對加權(quán)后的價值結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，需減輕因某指標(biāo)數(shù)額過大而對真實結(jié)果的影響，因此在加權(quán)前對起重機(jī)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理。

假設(shè)起重機(jī)各評價指標(biāo)值為uij，即表示當(dāng)前指標(biāo)為第i個起重機(jī)的第j個指標(biāo)的值，則會得到j(luò)個合格起重機(jī)的指標(biāo)值向量Uj。對其進(jìn)行規(guī)范化，為防止在價值計算環(huán)節(jié)中規(guī)范化后的成本指標(biāo)為0的情況，規(guī)范化計算式定為：

(17)

將起重機(jī)各項指標(biāo)規(guī)范化后的值代入價值評定公式中即可算出起重機(jī)的最終評價結(jié)果。

3 實例分析

本文針對文獻(xiàn)[9]的實例進(jìn)行研究。該項目的主要內(nèi)容是對橋梁樁護(hù)筒進(jìn)行安裝，護(hù)筒長10 m，重27.12 t，外壁直徑2.8 m，壁厚0.04 m，需起吊高度為0.5 m。參與篩選的起重機(jī)型號有：QUY150，QUY100以及KH300。其中，KH300起吊不滿足起吊安全要求，因此不參與對起重機(jī)的評價過程。

通過查閱相關(guān)資料和詢問相關(guān)人員可以獲得QUY150和QUY100起重機(jī)的一些關(guān)鍵信息，并對其進(jìn)行規(guī)范化處理，得到滿足選型指標(biāo)要求的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 起重機(jī)選型指標(biāo)數(shù)據(jù)表

將規(guī)范后的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后的價值評價打分，得出最終的起重機(jī)選型評分。QUY150型起重機(jī)最終評分為0.952，QUY100型起重機(jī)最終評分為1.078，0.952<1.078，由此可知QUY100的工程價值最高，選用該型號起重機(jī)最合適。

本文最終的選用結(jié)果與文獻(xiàn)[9]的一致，但該文獻(xiàn)在選型過程中僅按照吊裝安全標(biāo)準(zhǔn)嘗試選用起重量最小的起重機(jī)，缺乏一定的科學(xué)性，且當(dāng)備選起重機(jī)種類較多時需要耗費(fèi)大量的時間去比較，本文提出的選型評價方法能有效地改善這些問題。

4 結(jié)語

本文對吊裝作業(yè)中起重機(jī)的選型進(jìn)行了研究，從實際的施工情況出發(fā)，考慮施工的安全性和施工成本，并將價值工程原理與改進(jìn)的結(jié)構(gòu)熵權(quán)法相結(jié)合建立評價方法，為起重機(jī)的選型提供了一個高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的解決方法，對提高施工效率和施工安全具有實用意義。