岸邊集裝箱起重機結構系統故障模式及其影響分析

秦仙蓉 趙俊陸 丁 旭 張 氫 孫遠韜

同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804

0 引言

岸邊集裝箱橋式起重機（以下簡稱岸橋）是碼頭前沿用于集裝箱裝卸的起重機，是港口的核心設備。岸橋發生故障不但會造成大量的經濟損失，也會帶來巨大安全隱患。疲勞斷裂是岸橋金屬結構斷裂的主要形式，結構腐蝕、不正當的操作等也是故障發生的誘因。目前，有關于橋式起重機的故障分析研究大部分集中在起重機的局部結構上[1-4]，如鋼絲繩、吊軌小車、吊鉤、螺栓等，對于故障整體之間的關聯分析較少。為此，本文以岸橋的結構系統作為出發點，對結構系統的組成以及故障模式進行分類，根據故障判定的相關準則，進行了故障原因及影響分析，最終構成結構系統的FMEA分析表。

1 岸橋結構構成及結構故障

岸橋結構系統構成了整個起重機的承載骨架，其健康狀態直接影響著這個港口的安全運營。如圖1所示，岸橋結構是典型的空間結構，主要由大梁系統、門框系統、拉桿系統、梯形架等組成。岸橋結構的承載性能主要用強度和剛度2個指標衡量，強度用于表征結構抵抗破壞的能力，剛度描述的是結構抵抗變形的能力，包括結構變形及因不同部件的變形而造成的不協調狀態等。

在岸橋重大事故案例中，大部分事故由外部環境因素引發，如集裝箱船舶的沖撞及突發陣風引起的大車防風裝置失效等，而岸橋結構失效所致的事故同樣存在，故岸橋的結構健康監測及其健康狀態評估一直是岸橋設備方和港口管理方的重點關注對象。岸橋結構系統的故障主要有開裂、表面磨損、焊縫的脫焊與開焊、金屬材料因工作環境影響引起的腐蝕與銹蝕、表層涂膜的剝離和部分連接件的脫落與松動等，具體情況如圖1所示。

2 故障判定及故障原因分析

2.1 故障判定準則

岸橋金屬結構部分的故障表現比較明顯，可直接通過目測的方法進行[5]，如鋼材發生較大的塑性變形、材料開裂、各部件連接處產生松動或位移等。部分故障因結構部件的尺寸發生變化而產生（如大變形、鋼材的腐蝕、連接件的磨損等），這類故障會嚴重影響岸橋的安全以及正常運行，可根據其設計規范[6，7]的要求，通過停機監測來確定岸橋是否依然可安全運行，如連接處螺栓與銷軸的松動與磨損、構件腐蝕、油漆剝離等會降低結構的強度，在受載時可能會因強度不足導致岸橋整體垮塌。此外，在實際運行中還有運營方根據實際經驗給定的附加要求，如前后大梁截面腐蝕程度需要小于設計板厚的10%、油漆剝離面積需要小于整體面積的10%、前后大梁的最大撓度不超過L/350（L為梁的有效懸臂長度）、對稱位置上拉桿間的強度差小于15%等。

焊縫、構件出現的裂紋會嚴重威脅到岸橋的安全，必要時需停機檢測，進行結構表面探傷。為了不傷及結構，表面探傷采用無損探傷，常見的方法有磁粉、滲透探傷和超聲波探傷等。磁粉檢測操作簡單、成本低，但對技術人員的經驗要求較高；滲透檢測可檢測出裂紋在表面的分布情況，但對于裂紋的擴展情況較難確定；超聲波探傷應用范圍相對較廣，線性超聲波用于探測宏觀的裂紋，而因材料疲勞產生的微裂紋采用非線性的超聲波進行檢測具有更高的靈敏度[8]。

當起重機工作時，為避免因負載振動引起共振，有些工況下需對結構部件的動剛度進行檢驗[9]。

2.2 故障原因分析

故障原因分析指的是分析人、環境、物理或化學因素等對故障各個約定層次的直接誘因與間接誘因，通過故障原因分析可在源頭上開展有針對性地預防工作。故障原因基于不同的故障模式分類而不同，岸橋基本層面的故障原因主要有材料的裂紋、開裂；鋼結構變形；焊縫；材料的銹蝕、涂層剝離；輪壓；連接件等。

1）材料的裂紋、開裂 應追溯其受沖擊載荷、碰撞以及疲勞載荷的原因，此時應結合執行機構以及實際工況運轉情況進行分析；

2）鋼結構變形 主要考慮承載是否超標、是否偏載嚴重等原因，也應注意實際工況中碰撞所致的變形；

3）焊縫 探究焊接質量的監控以及焊縫處所受疲勞應力的原因，同時還應注意焊縫所體現的問題可能是多重故障模式傳遞而至，需判別其最初始的直接原因；

4）材料的銹蝕、涂層剝離 這類故障模式多與其所處環境有關，主要原因有環境侵蝕、頻繁摩擦或未做事先維護等；

5）輪壓 應考慮是否超載運行，同時監測是否受較強風侵襲；

6）連接件 此為多重故障模式，其本身產生的原因可能是防松措施不到位、疲勞應力反復或材料自身磨損等。

故障模式的體現及原因的分析，往往是多重傳遞所致，故在分析故障影響時需要注意不同約定層次故障之間的關聯影響問題。

影響岸橋正常運轉的結構事故往往是多種故障相伴而生的，經過不同層次故障的傳遞和疊加會促進新故障的生成，如腐蝕和磨損會消減零部件的尺寸，從而降低材料的剛度，在施加相同載荷的情況下，經過腐蝕和磨損的結構會產生更大撓度的變形，由此可能會阻礙小車的正常運行。腐蝕和磨損還會降低整體的動剛度，吊裝過程中不可避免地會產生振動，降低動剛度就意味著更容易發生共振造成整體結構垮塌。當結構各部件的連接部位發生磨損后，連接件強度降低更容易被破壞，較大的空隙更容易受到沖擊載荷的影響致使連接材料斷裂。當零部件的材料強度不均衡時，會因受力不均衡造成側偏，還可能會在交變載荷作用下加速材料的疲勞，產生裂紋并不斷擴展等。

3 構建故障模式效應分析表

故障模式效應分析（Failure Mode Effect Analysis，FMEA）是根據現有的資料和客戶需求，系統分析故障結構，鑒別系統中每一個潛在的故障模式，分析引起故障的原因，建立一份完整的故障模式效應分析表格，然后利用統計方法進行相關分析[10]。在FMEA分析中，通常是根據風險優先數（Risk Priority Number，RPN）的大小來判斷故障模式的影響嚴重程度[11]，一般RPN表示為故障危害度S、故障發生頻度O和故障檢測度D的乘積，即

RPN值越大，影響程度就越大。故障危害度S可以二次拆分為經濟度、安全度與操作度，一般表示為三者的算術平均值。結合岸橋結構健康監測的實際經驗與國家標準[12]，組成風險優先數RPN的因素按照程度不同分為10個等級，故障危害度S數值越大，代表評判岸橋結構實際故障模式的危害及其影響程度越大；故障檢測度D越大表示發生此故障探測難度越高，故障發生頻度O數值越大說明此類型故障發生越頻繁。

基于岸橋的實際工程實踐以及相關專家評判，形成的岸橋結構初始FMEA分析表如表1所示。FMEA表的評分應是動態變化的，在每個結構健康監測的時間節點，都應重新結合監測實際結果進行重新評分，推動FMEA分析的結果動態變化，從而動態反映岸橋結構健康狀態的逐步演化。

表1 岸橋結構FMEA表（RPN：風險優先數）

續表1

4 結論

本文對岸橋結構系統進行了故障模式及其影響分析（FMEA分析），論述了岸橋的結構構成，分析了主要結構故障形式及其發生原因，制定了故障判定準則，并在此基礎上構建了岸橋結構系統的FEMA分析表，從而為岸橋的安全運維和結構健康狀態巡檢與監測提供依據。