李向東，葛中原，殷晨波，葉民鎮(zhèn)

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210003；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引言

我國起重機(jī)的使用數(shù)目龐大，每年都產(chǎn)生許多報(bào)廢的起重機(jī)，嚴(yán)重地浪費(fèi)了社會資源。在此階段，再制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在解決合理利用資源的問題上提供了有效的途徑［1］。我國對再制造技術(shù)的探索處在初級階段，相關(guān)的再制造標(biāo)準(zhǔn)不健全，使得再制造產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展的比較緩慢。再制造安全評估主要包括產(chǎn)品可再制造性評估、通過再制造技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行改造修復(fù)的產(chǎn)品再制造后的安全評估。本文主要研究的是門式起重機(jī)（以下簡稱為起重機(jī)）再制造后的安全評估，這對保障其安全性和可靠性以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 再制造起重機(jī)安全評估原理

1.1 模糊理論與層次分析法

模糊理論［2］是指用到了模糊集合的基本概念或連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論。層次分析法［3］（AHP）是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)及自身規(guī)律，建立影響起重機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過層次分析法確定各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值，通過模糊理論計(jì)算整機(jī)綜合評價(jià)矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則確定各個機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)以及整機(jī)的評估結(jié)果。本文開發(fā)的軟件集成了兩種方法的優(yōu)勢。

1.2 評估指標(biāo)的建立

根據(jù)起重機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合《起重機(jī)械安全規(guī)程》和起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)再制造產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立了再制造門式起重機(jī)安全評估指標(biāo)，見圖1 。

將再制造起重機(jī)評估指標(biāo)分為五大部分，即金屬結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及基礎(chǔ)設(shè)施，共分為三級指標(biāo)，各部分評估從各自的最底層指標(biāo)開始依次向上。其中，金屬結(jié)構(gòu)從尺寸外觀是否符合要求、裂紋檢測、彈塑性變形大小、應(yīng)力檢測四個方面進(jìn)行評估；運(yùn)行機(jī)構(gòu)中鋼絲繩主要從尺寸檢測、裂紋檢測和斷絲斷股檢測三個方面進(jìn)行評估，其余從是否正常工作、尺寸檢測、磨損和裂紋四個方面進(jìn)行評估；電氣系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的評估主要通過現(xiàn)場試用的方法看其是否正常工作；對于基礎(chǔ)設(shè)施的檢測主要從導(dǎo)軌的平行度和導(dǎo)軌的磨損以及地基安裝標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行檢測。

圖1 再制造門式起重機(jī)評估指標(biāo)

1.3 模糊評價(jià)等級

根據(jù)各指標(biāo)對起重機(jī)的影響，將安全等級的評定標(biāo)準(zhǔn)分為 A（優(yōu)），B（良），C（中），D（差），通過量化起重機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)，將量化后的標(biāo)準(zhǔn)分為4個區(qū)間，分別對應(yīng)A，B，C，D四個等級，在現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)后輸入由VB編寫的界面后運(yùn)行得到指標(biāo)的等級結(jié)果。

1.4 模糊評判矩陣的構(gòu)造

根據(jù)上述評語集，對金屬結(jié)構(gòu)的二級指標(biāo)進(jìn)行模糊評判，本文以剛性支腿為例進(jìn)行評判。剛性支腿的評估指標(biāo)為外觀尺寸、裂紋檢測、塑性變形和應(yīng)力檢測。

評價(jià)塑性變形從支腿的垂直度、彎曲度和局部翹曲三方面出發(fā)，通過測量儀器如經(jīng)緯儀、水平儀等測出剛性支腿的垂直度Zc、彎曲度Zw和局部翹曲Zq，并與起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的許用垂直度［Zc］、許用彎曲度［Zw］和許用局部翹曲［Zq］進(jìn)行比較（許用垂直度為H／1 000，其中H為支腿長度；許用彎曲度為H／2 000，且不超過8 mm；許用支腿局部翹曲取t，t為板厚）。Zc／［Zc］≤0.4屬于 A 等級；0.4＜Zc／［Zc］≤0.6屬于 B等級；0.6＜Zc／［Zc］≤0.8屬于 C 等級；0.8＜Zc／［Zc］≤1.0屬于D等級；Zc／［Zc］＞1.0不合格（彎曲度和局部翹曲參照垂直度標(biāo)準(zhǔn)）。

評價(jià)外觀尺寸通過測量儀器與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的相對誤差δ來表示。δ≤0.1屬于A等級；0.1＜δ≤0.15屬于B等級；0.15＜δ≤0.2屬于C等級；0.2＜δ≤0.25屬于D等級；δ＞0.25不合格。

裂紋檢測通過磁粉探傷儀進(jìn)行檢測。無裂紋時(shí)屬于A等級；裂紋長度L≤2mm時(shí)屬于B等級；2mm＜L≤4mm屬于C等級；4mm＜L≤5mm屬于D等級；L＞5mm時(shí)報(bào)廢。

應(yīng)力檢測通過現(xiàn)場安裝的傳感器獲取數(shù)據(jù)，支腿最大應(yīng)力在支腿與主梁連接處，通過許用應(yīng)力與測量出的最大應(yīng)力的比值來確定等級結(jié)果。［σ］／σ＞1.8屬于 A等級；1.7＜［σ］／σ≤1.8屬于 B等級；1.6＜［σ］／σ≤1.7屬于C等級；1.148＜［σ］／σ≤1.6屬于 D等級；［σ］／σ≤1.148不合格。

考慮到操作人員現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)有失真可能，所以測量數(shù)據(jù)組織多人（本文取4人）分別進(jìn)行，以此來提高評價(jià)結(jié)果的客觀性。檢測結(jié)果見表1。

表1 再制造剛性支腿評判矩陣 人數(shù)

將統(tǒng)計(jì)到的4位人員的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理（人數(shù)／4），得到模糊評價(jià)矩陣：

1.5 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的確定

確定指標(biāo)的權(quán)重值時(shí)，必須先構(gòu)造模糊一致判斷矩陣R＝（rij）n×n。其中rij表示元素bi比bj的重要度，rij＝rik－rjk＋0.5，滿足0＜rij＜1，rij＋rji＝1。若二者重要度一致，則rij＝0.5，當(dāng)bi比bj重要時(shí)，rij＞0.5，反之rij＜0.5。

根據(jù)模糊一致判斷矩陣求權(quán)重值［4］：

其中：n為檢測指標(biāo)個數(shù)；a為對所感知對象差異程度的一種度量，a≥（n－1）／2。a同評價(jià)對象個數(shù)和差異程度有關(guān)，a越小，權(quán)重之差越大。本文取a為最小值a＝（n－1）／2時(shí)權(quán)重之差達(dá)到最大。計(jì)算出各評價(jià)因素權(quán)重值后，由同一評價(jià)指標(biāo)內(nèi)的權(quán)重值構(gòu)建同一評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量。

以剛性支腿的塑性變形為例，先構(gòu)造模糊一致判斷矩陣，見表2。

表2 剛性支腿模糊一致判斷矩陣

所以權(quán)重用向量方式表示為：

1.6 綜合評判矩陣

將模糊評價(jià)矩陣與其對應(yīng)的權(quán)重矩陣進(jìn)行合成運(yùn)算得到綜合評判矩陣P＝w·S：

依據(jù)最大隸屬度原則確定剛性支腿的評估等級為A，隸屬度為0.607。

對于整機(jī)評估流程，先依次評估五大機(jī)構(gòu)最底層指標(biāo)，建立各指標(biāo)的綜合評判矩陣后，將屬于上一級指標(biāo)的評估指標(biāo)的綜合評判矩陣集中在一起組成評估上一級指標(biāo)的評判矩陣，根據(jù)模糊判斷一致矩陣計(jì)算出指標(biāo)之間的權(quán)重值，由此可以計(jì)算出上一層指標(biāo)的綜合評判矩陣，得出評估結(jié)果。依此方法就可以得出各機(jī)構(gòu)以及整機(jī)的評估結(jié)果。

2 評估軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，軟件主要分為兩大模塊，即數(shù)據(jù)采集與結(jié)果處理。將現(xiàn)場采集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入軟件，再根據(jù)后臺嵌入的模糊理論和層次分析法得出各級指標(biāo)與整機(jī)的評價(jià)結(jié)果。使用VB6.0為編程語言，采用Excel為后臺數(shù)據(jù)載體，開發(fā)了用于評估門式起重機(jī)的專有程序。軟件體系結(jié)構(gòu)見圖2 。

2.2 運(yùn)行實(shí)例

為了驗(yàn)證軟件的通用性和可靠性，以一臺300t造船用門式起重機(jī)作為評估對象，起重機(jī)的工作級別為A5，起升高度40m，起升速度（0-5-10）m／min，大車運(yùn)行速度（0～25）m／min，小車運(yùn)行速度（2～25）m／min，跨度56m，基距18m。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

軟件主要通過VB來編寫，包括數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)采集包括對五大系統(tǒng)評估指標(biāo)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)存儲與矩陣運(yùn)算。運(yùn)行軟件后出現(xiàn)如圖3 所示的界面，界面最上面為菜單層，包括基本信息、專家評估分析、綜合評估分析、生成評估文件、保存文件和退出系統(tǒng)選項(xiàng)。通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕進(jìn)入具體機(jī)構(gòu)的評估界面，圖4 為剛性支腿的評估界面。這些按鈕可以按任意順序進(jìn)行點(diǎn)擊，方便了現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的輸入。菜單層下面就是具體的執(zhí)行層，執(zhí)行層下面是綜合結(jié)果顯示層，包括金屬結(jié)構(gòu)安全等級等，當(dāng)指標(biāo)評估完成后，綜合評估結(jié)果會顯示出來。

3 結(jié)論

本軟件應(yīng)用VB與Excel集成開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了再制造起重機(jī)安全評估的程序化。該軟件不僅可以對整機(jī)進(jìn)行安全評估，也可對某一結(jié)構(gòu)、某一系統(tǒng)進(jìn)行評估，方便用戶使用；軟件數(shù)據(jù)保存在后臺運(yùn)行的Excel軟件中，軟件運(yùn)行完成后可以直接打印成評估報(bào)告；通過改變輸入?yún)?shù)可以模擬多種工況進(jìn)行安全評估，提高了評估的科學(xué)性。

圖3 再制造起重機(jī)主參數(shù)輸入界面

圖4 再制造起重機(jī)剛性支腿評價(jià)參數(shù)界面

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