УДК 621.873.1

РАСЧЕТ РИСКОВ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОТКАЗОВ МОСТОВЫХ КРАНОВ

Исмагилова Юлия Рамилевна
Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Аннотация
Представлены два метода для расчета рисков возникновения отказов мостового крана, один из которых основывается на логико-вероятностных методах, другой - на методе экспертных оценок. Найдены уточняющие коэффициенты запаса для отдельных конструктивных элементов.

Ключевые слова: анализ риска, вероятность, дерево отказов, коэффициент запаса, мостовой кран, отказ


THE CALCULATION OF THE RISK OF FAILURE BRIDGE CRANES

Ismagilova Yuliya Ramilevna
Perm National Research Polytechnic University

Abstract
Presented two methods for calculating the risk of failures vohnikvnoeniya bridge crane, one-quarter of which are based on logical and probabilistic methods, the other on the method ekspretnyh estimates. Found specifying safety factors for the individual konstrutivnyh elements.

Keywords: failure, fault tree, overhead crane, risk analysis, the probability factor of safety


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Исмагилова Ю.Р. Расчет рисков возникновения отказов мостовых кранов // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/12/76047 (дата обращения: 09.01.2017).

В наше время возросло количество катастроф техногенного и природно-техногенного характера, многие из которых были вызваны кранами. Осознание данного фактора дало возможность понять, что концепция «абсолютной безопасности» не является полностью верной, потому что создание совершенно безопасного объекта невозможно. Следовательно, инженерами было решено, что расчетный риск, определяемый вероятностными методами, не должен быть выше приемлемого риска. Проблема определение риска появления отказов мостовых кранов является актуальной, так как обеспечение безопасной эксплуатации крана является важной частью обеспечения безопасной эксплуатации всего опасного производственного объекта. В данной работе рассмотрим два метода «риск – анализа». Первый – «метод дерева отказов» АДО или по-английски FTA (Fault Tree Analysis) демонстрирует причинно-следственную связь между отказами системы и отказами её составляющих, другими событиями. Все данные «дерева отказов» представляются в графическом виде. Второй – метод «анализа вида», последствий и критичности отказа АВПКО, который по-английски называется FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) заключается в том, что каждый вид отказа ранжируется с учетом двух составляющих риска – вероятности и тяжести последствий отказа.
«Дерево отказов» будет строиться для мостового крана, который обширно используется во многих отраслях народного хозяйства для выполнения операций по подъему и перемещению отдельных агрегатов, систем, блоков, узлов и деталей. Рассмотрим структуру мостового крана: две продольные и две поперечные балки, соединенные сваркой или чистовыми болтами. Очевидно, что отказ любой балки или любого узлового соединения балок приведет к отказу всей конструкции мостового крана. Мостовой крана представлен на рис. 1.


Рис. 1. Мостовой кран

Построим «дерево отказов» для мостового крана, используя метод АДО. Данное «дерево», представленное на рис. 2, демонстрирует связи между его составляющими.


Рис. 2. Дерево отказов мостового крана

Минусом данного «дерева отказов» является то, что даже для однотипных по конструктивному исполнению мостовых кранов, величины отказов различных элементов не являются равными, то есть влияние отказов каждого элемента мостового крана на безопасность всего оборудования различна. Для устранения данного минуса необходимо применить метод «анализа вида». Экспертами создаются специальные листы, в которых будут записаны все наиболее важные отказы. Данные опросные листы раздают всем членам экспертной комиссии персонально для того, чтобы они проставили баллы напротив каждого из вписанных отказов, используя 10-ти бальную шкалу, то есть итогом данной работы будет балл, который характеризует оценку представленного отказа. Так же этот балл называют весом отказа.
Далее определяют меру риска отказа конструктивного элемента крана, применяя полученную относительную оценку и статические данные по интенсивностям отказа.
Ссылаясь на эти данные, отберем нужные сведения для мостового крана из обобщающего анализа статической информации по отказам конструктивных элементов и составим таблицу 1 по интенсивностям отказов:

Таблица 1. Интенсивность отказа конструктивных элементов мостового крана
№ n/n
Наименование элемента
Интенсивность отказа 1/год
1.
Стенки продольной балки
2,97·
2.
Верхняя полка продольной балки
2,40·
3.
Нижняя полка продольной полки
2,19·
4.
Стенки поперечной балки
2,98·
5.
Верхняя полка поперечной балки
2,30·
6.
Нижняя полка поперечной балки
2,73·
7.
Узел соединения продольной и поперечной балок
2,62·

Применяя в качестве распределения вероятности отказов экспоненциальный закон, вычислим вероятность наступления отказа мостового крана:
F(t) = 1 -, (1)
где  - интенсивность отказа i - го элемента крана с учетом экспертной оценки значимости, т.е. вероятное количество отказов в год, t - время.
Далее обратимся к «дереву отказов». Двигаясь от низа к верху по этому «дереву», вычислим вероятность наступления отказа мостового крана. Пусть F(t) - это отказа всего мостового крана в целом, Fпр(t) - отказ продольной балки, Fп(t)- риск отказа поперечной балки, Fу(t) - риск отказа узла соединения продольной и поперечной балки, тогда отказ всей системы будет вычисляться по формуле:
F(t) = 2Fпр(t) + 2Fп(t) + 4Fу(t) (2)
Отказ продольной балки может произойти из-за отказа верхнего или нижнего пояса, а так же в результате отказа любой из двух стенок:
Fг (t)= Fвппр(t) + Fнппр(t) + 2Fстпр(t), (3)
где Fвппр(t) - риск отказа верхней полки продольной балки, Fнппр(t) - риск отказа нижней полки продольной балки, Fстпр(t) - риск отказа стенки продольной балки.
Отказ для поперечной балки:
Fг(t) = Fвпп(t) + Fнпп(t) + 2Fстп(t), (4)
где Fвпп(t) - риск отказа верхней полки поперечной балки, Fнпп(t) - риск отказа нижней полки поперечной балки, Fстп(t) - риск отказа стенки поперечной балки.
Следовательно, отказ отдельной стенки или полки является конечным событием:
F(t) = 2(Fвппр(t) + Fнппр(t) + 2Fстпр(t)) + 2(Fвпп(t) + Fнпп(t) + 2Fстп(t)) + 4Fу(t) = 2Fвппр(t) + 2Fнппр(t) + 4Fстпр(t) + 2Fвпп(t) + 2Fнпп(t) + 4Fстп(t) + 4Fу(t) (5)
Подставим значения таблицы в формулу (5): 
F(t) = 2 · 2,50· + 2·2,29· + 4·2,87· + 2·2,40· + 2·2,63· + 4·2,88· + 4·2,51· = 61,42·1/год. (6)
Уровень допустимого риска для металлических конструкций для наиболее ответственных принимается равным  1/год. Для кранов, которые выполняют менее ответственные операции  1/год.
Возьмем справочное данное базового коэффициента запаса прочности, который равен 1,4 [9]. Очевидно, что вероятностный анализ безопасности не может быть принят ни для первой, ни для второй группы кранов.
Определим значение коэффициента запаса для каждого элемента мостового крана, необходимого для обеспечения общей величины отказа менее  1/год и  1/год.
В качестве примера рассмотрим две составляющие какой-либо конструктивной системы с одинаковой интенсивностью отказа λ и работающих при этом параллельно. Если отказ всей системы происходит при отказе обоих элементов, то вероятность отказа всей системы равна:
F(t ) = F1(t) · F2(t), (7)
где F1(t)- риск отказа первого элемента, F2(t) - риск отказа второго элемента.
Если формулу (5) подставить в формулу (1) получиться:
F(t) = (1 ) · (1 ) = (8)
Благодаря данной формуле становится ясно, что система из двух идентичных элементов работает так же, как и система из одного элемента с двукратным запасом. Следовательно, если увеличить коэффициент запаса прочности в k раз, его риск отказа будет равен:
F(t ) = (9)
Примем, что отказ всех конструктивных элементов мостового крана равновероятен. Пусть величина риска отказа одного любого элемента F0(t), тогда подставив в формулу (5) получим:
F(t) = 20 · F0(t). (10)
Далее найдем величину F0(t) для кранов первой и второй группы кранов.
Для первой группы кранов величина риска отказа любого элемента F0(t) находится из равновесия:
 = 20 · F0(t). (11)
Для второй группы кранов: 
 = 20 · F0(t). (12)
Решив данные уравнения, выясним, что для первой группы кранов с уровнем допустимой величины отказа  1/год F0(t) = 5· 1/год, а для второй с допустимой величиной отказа  1/год F0(t) = 5· 1/год. 
Найдем значение уточняющего коэффициента запаса с помощью формулы (9) для каждого элемента мостового крана для наиболее ответственных и менее ответственных операций. Результаты данных вычислений показаны в таблице 2.

Таблица 2. Уточняющий коэффициент запаса прочности каждого конструктивного элемента мостового крана для двух случаев ответственности
№ n/n
Наименование элемента
Величина допустимого риска  1/год
Величина допустимого риска
 1/год
Уточняющий коэффициент n
1.
Стенки продольной балки
1,39
1,17
2.
Верхняя полка продольной балки
1,36
1,15
3.
Нижняя полка продольной балки
1,35
1,14
4.
Стенки поперечной балки
1,33
1,21
5.
Верхняя полка поперечной балки
1,43
1,14
6.
Нижняя полка поперечной балки
1,38
1,16
7.
Узел соединения продольной и поперечной балок
1,41
1,19

Вывод: «метод дерева отказов» не позволяет объективно оценить риск возникновения отказов мостовых кранов, поэтому требуется применение дополнительного метода «анализа вида». Используя «дерево отказов» и «анализ вида» совместно, были найдены коэффициенты запаса прочности каждого конструктивного элемента мостового крана. Во избежание отказа мостовых кранов, используемых на более опасных процессах с величиной допустимого риска  1/год, прочность стенок продольной балки нужно увеличить на 39%, верхней полки продольной балки на 36%, нижней полки продольной балки на 35%, стенок поперечной балки на 33%, верхней полки поперечной балки на 43%, нижней полки поперечной балки на 38% и узла соединения продольной и поперечной балок на 41%. Для мостовых кранов на менее ответственных операциях с допустимым риском  1/год требуется увеличить прочность стенок продольной балки на 17%, верхней полки продольной балки на 15%, нижней полки продольной балки на 14%, стенок поперечной балки на 21%, верхней полки поперечной балки на 14%, нижней полки поперечной балки на 16% и узла соединения продольной и поперечной балок на 19%. Использование полученных данных позволит избежать отказа отдельных конструктивных элементов мостового крана и всего крана в целом.


Библиографический список
  1. Короткий А. А, Логинов 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. Чернова Н.М, Кобзев Р.А, Использование вероятностного анализа безопасности при оптимальном проектировании металлоконструкции кранов высокой ответственности // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 2 (58) / том 3. С. 257-258.
  5. Анцев В.Ю., Толоконников А.С, Горынин А.Д, Автоматизация расчета рисов возникновения отказов грузоподъемных кранов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 7-1. С. 2014-215.
  6. Короткий А. А, Логинов А.С, Чичерин С.С. Применение индекса безопасности к грузоподъемным кранам // Безопасность труда в промышленности. 1993. № 6. С. 50-52.
  7. Чичерин С.С. Повышение безопасности мостовых кранов на основе анализа и оценки риска эксплуатации конструктивных элементов металлоконструкции. диссерт. канд. техн. наук. Новочеркасск. НГТУ. 1998. С. 153.
  8. Справочник по кранам: в 2 т. Т. 1. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций / В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др. Л.: Машиностроение. 1988. С. 588.


Все статьи автора «Тарасова Татьяна Владимировна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация