張樹忠

（福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州350118）

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門座起重機(jī)RCM維修決策系統(tǒng)設(shè)計

張樹忠

（福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州350118）

摘要：應(yīng)用面向?qū)ο蟾呒壵Z言C#和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，采用風(fēng)險矩陣法、模糊層次分析法、根本原因分析法、綜合決策法、邏輯決策法等方法，開發(fā)一套基于RCM技術(shù)，能夠完成港口門座起重機(jī)的基礎(chǔ)信息管理，以風(fēng)險為基礎(chǔ)，具有良好目標(biāo)性的維修決策系統(tǒng)，根據(jù)用戶選擇的影響因素來確定其零部件的維修方式和最佳維修周期，以提高機(jī)械設(shè)備的可靠性和安全性，為企業(yè)提供優(yōu)化、系統(tǒng)、科學(xué)的維修決策支持。

關(guān)鍵詞：門座起重機(jī)；RCM；維修決策系統(tǒng)；風(fēng)險分析

以可靠性為中心的維修（reliability centred maintenance，RCM）是國際通用、用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法［1］。實踐證明:如果RCM被正確運用到現(xiàn)行的維修系統(tǒng)中，在保證生產(chǎn)安全和資產(chǎn)可靠的條件下，可將日常維修工作量降低40%～70%，提高資產(chǎn)的使用效率［2］。

RCM所需分析的內(nèi)容多且復(fù)雜，工作量大，涉及多部門，因此，國外一些知名機(jī)構(gòu)、企業(yè)研發(fā)了RCM專用軟件，如Orbit RCM，RCM Blitz，ReliaBuilder，RCM Destop，RCM++，RCM WorkSaver，RCM Turbo，RCMtrim，RCM Tookit，IRCMS等。應(yīng)用這些軟件工具可以提高分析效率和準(zhǔn)確度，同時減少重復(fù)性工作。

相對而言，國內(nèi)可用的RCM專業(yè)軟件則較少，開發(fā)處于起步階段，目前一些機(jī)構(gòu)和高校正著手研制RCM軟件［3-4］，其中文獻(xiàn)［5］采用了工業(yè)和信息化電子第五所自主研究的可靠性維修性保障性工程軟件CARMES進(jìn)行RCM分析。

門座起重機(jī)是福建省各大港口最重要的散貨裝卸設(shè)備，為保證其可靠性和提高使用效率，本文開發(fā)一套基于RCM的門座起重機(jī)維修決策系統(tǒng)。

1　主要功能和模塊

1.1 主要功能

通過實施RCM準(zhǔn)確地識別出生產(chǎn)裝置中動設(shè)備的風(fēng)險等級，針對中、高風(fēng)險設(shè)備制定出可降低和預(yù)防設(shè)備失效的維護(hù)任務(wù)計劃，使設(shè)備風(fēng)險處于低風(fēng)險等級；對識別出的低風(fēng)險設(shè)備減少不必要的維護(hù)任務(wù)。

1.2 主要模塊

RCM軟件系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)輸入、系統(tǒng)篩選、設(shè)備系統(tǒng)、詳細(xì)分析、資料管理、報告、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫7個模塊，其中系統(tǒng)篩選、設(shè)備系統(tǒng)模塊為系統(tǒng)劃分后的篩選，包括一級篩選和二級篩選；詳細(xì)分析模塊包括了故障模式與影響分析（failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）和維修周期優(yōu)化，擁有故障風(fēng)險評估、維修方式?jīng)Q策，如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)輸入模塊:完成設(shè)備運行參數(shù)、現(xiàn)有維修計劃、成本金額、失效模式、失效原因等批量數(shù)據(jù)的輸入；

2）系統(tǒng)篩選模塊:通過一級風(fēng)險評估（1個5× 5的風(fēng)險矩陣）篩選確定哪些系統(tǒng)具有高風(fēng)險等級，哪些為低風(fēng)險等級；

3）設(shè)備系統(tǒng)模塊:對系統(tǒng)的下一級即設(shè)備零部件進(jìn)行二級風(fēng)險評估（采用4個5×5的風(fēng)險矩陣），篩選出重要的設(shè)備零部件；

4）詳細(xì)分析模塊:通過分析設(shè)備的失效模式對其進(jìn)行定量的影響分析和風(fēng)險計算，對中高風(fēng)險進(jìn)行原因分析，通過邏輯決斷或?qū)哟畏治龇ù_定維護(hù)方式，制定周期的維護(hù)/維修任務(wù)計劃；

5）資料管理模塊:對輸入的數(shù)據(jù)資料可進(jìn)行編輯和瀏覽；

6）報告模塊:可以生成并輸出執(zhí)行篩選分析和詳細(xì)分析的報告；

7）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫模塊:基于SQL Server 2005建立數(shù)據(jù)庫，對RCM分析的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存。

圖1　RCM系統(tǒng)中的分析流程及功能列表Fig.1 RCM analysis process and functions

2　起重機(jī)的RCM系統(tǒng)分析過程

以某型門座起重機(jī)作為研究對象，該機(jī)為四連桿組合臂架式的轉(zhuǎn)柱式門座起重機(jī)，通過該樣機(jī)的RCM分析來說明RCM軟件的實現(xiàn)過程。

2.1 門座起重機(jī)系統(tǒng)劃分

門座起重機(jī)又簡稱為門吊、門機(jī)，是港口最重要的散貨裝卸設(shè)備。它的構(gòu)造可分為上部旋轉(zhuǎn)和下部運行兩部分。上部旋轉(zhuǎn)部分安裝在一個高大的門形底架（門架）上，并相對于下部運行部分可以實現(xiàn)360°任意旋轉(zhuǎn)。門架可以沿軌道運行，同時它又是起重機(jī)的承重部分。起重機(jī)的自重和吊重均由門架承受，并由它傳到地面軌道上。

1）功能和相關(guān)性能標(biāo)準(zhǔn):港口式門座起重機(jī)有主要功能、次要功能、保護(hù)功能以及冗余功能等4種功能。

如果用戶所需要的性能指標(biāo)大于設(shè)備所固有的性能指標(biāo)，那么常規(guī)的維修不再有效，只有對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

2）系統(tǒng)劃分:門座起重機(jī)的系統(tǒng)劃分遵循3個原則:①系統(tǒng)相互獨立；②功能相關(guān)并相對完整；③各子系統(tǒng)、各子子系統(tǒng)屬性相近［1］。按照原則，門座起重機(jī)可分為金屬結(jié)構(gòu)、吊具索具、安全裝置、起升、變幅、行走、回轉(zhuǎn)以及電氣控制8大系統(tǒng)；在子系統(tǒng)層次上按照功能可以繼續(xù)劃分為子子系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)篩選和設(shè)備篩選

對一級子系統(tǒng)采用1個5×5的風(fēng)險矩陣評估其風(fēng)險大小，并進(jìn)行篩選。對二級以上的子系統(tǒng)采用4個5×5的風(fēng)險矩陣（包括生產(chǎn)損失、維修成本、安全影響和環(huán)境影響）來評估和篩選。

風(fēng)險矩陣法［6-7］是最常用方法之一，它基于對風(fēng)險后果和可能性的分類，同后果法相比它增加了風(fēng)險發(fā)生頻率的考慮。應(yīng)用時需構(gòu)建一個矩陣，后果和可能性分別為矩陣的一個坐標(biāo)的橫軸和縱軸，同時每一個矩陣元素為一個安全等級。根據(jù)后果的嚴(yán)重程度和事故可能性就可對應(yīng)地找到所需的安全等級。該方法基于 ANSI/ISA-84.01-1996是一種定量的方法。

一級子系統(tǒng)篩選中，結(jié)合門座起重機(jī)的實際情況，將風(fēng)險后果和可能性各分為5級，構(gòu)造風(fēng)險矩陣，根據(jù)可能和后果的不同分為低、中、高風(fēng)險，見圖2中的風(fēng)險矩陣分布。

圖2　一級篩選的風(fēng)險矩陣Fig.2 Screening risk matrix of level one

根據(jù)門座起重機(jī)的系統(tǒng)劃分，對其進(jìn)行一級風(fēng)險評估后，8個子系統(tǒng)中風(fēng)險的5個（金屬結(jié)構(gòu)、安全裝置、行走、回轉(zhuǎn)、電氣），高風(fēng)險的3個（吊具索具、起升、安全裝置），因此都應(yīng)開展二級子系統(tǒng)的風(fēng)險篩選。

根據(jù)門座起重機(jī)的系統(tǒng)篩選結(jié)果，對各二級子系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險篩選，采用4個5×5的風(fēng)險矩陣，包括生產(chǎn)損失、維修成本、安全影響和環(huán)境影響，根據(jù)使用單位情況，將各影響等級分為5級，故障的可能性等級劃分與一級系統(tǒng)篩選相同。

門座起重機(jī)故障受環(huán)境影響很小，故環(huán)境影響可取為最小值1。根據(jù)二級使用單位的實際資料和專家進(jìn)行安全裝置的二級風(fēng)險篩選，為了保證系統(tǒng)的安全性，取4個風(fēng)險矩陣中風(fēng)險最大的作為二級篩選的結(jié)果。通過篩選，安全系統(tǒng)中4個高風(fēng)險，其余為中風(fēng)險，各子系統(tǒng)均需開展RCM分析，根據(jù)風(fēng)險評估建議，4個高風(fēng)險的應(yīng)采取降低風(fēng)險措施，避免事故的發(fā)生。

根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備篩選的結(jié)果表明，高風(fēng)險項目主要包括卷筒、減速器、臂架系統(tǒng)、鋼絲繩、電機(jī)、回轉(zhuǎn)支承以及安全裝置，應(yīng)對這些項目進(jìn)行詳細(xì)的RCM分析及制定合理的維護(hù)措施以降低其風(fēng)險，避免事故的發(fā)生，如表1所示。

表1　門座起重機(jī)設(shè)備篩選結(jié)果Tab.1 Screening resu lt of portal crane

2.3 中高風(fēng)險的項目FMEA

故障模式影響分析指出系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)或元件可能發(fā)生的故障類型和故障出現(xiàn)時的狀態(tài)，分析其對系統(tǒng)整體的影響。這里所指的故障，是指元件、子系統(tǒng)或組件，以及子系統(tǒng)在運行時因不能達(dá)到設(shè)計要求，而不能完成規(guī)定的任務(wù)或任務(wù)完成不好，其中一些故障會造成事故損失。

根據(jù)RCMⅡ中的前5個步驟，對系統(tǒng)篩選和設(shè)備篩選結(jié)果為中高風(fēng)險的項目開展FMEA，依序分析設(shè)備的功能、功能失效、失效模式、失效影響，然后通過4個5×5的風(fēng)險矩陣法或通過變權(quán)層次分析法來評估其失效風(fēng)險。

對臂架系統(tǒng)開展FMEA中的故障模式分析，其實現(xiàn)的功能、功能故障、故障模式、故障影響和故障后果分別如表2中的①～⑤所示。

2.4 對故障的影響進(jìn)行風(fēng)險評估

（1）風(fēng)險矩陣法

基于安全影響（等級）、生產(chǎn)損失（小時）、維修成本（元）、環(huán)境影響（等級）、故障頻率（次/年）對各個故障模式的安全、生產(chǎn)、維修、環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評估，取其中風(fēng)險最大的作為總風(fēng)險，定義好各個風(fēng)險矩陣的級別劃分，通過對4個影響因素的評估，以及輸入其故障頻率，該臂架的故障模式破裂或裂縫的4個風(fēng)險矩陣分別為H、L、M、L，取最大的H作為該故障模式的風(fēng)險值。

表2　臂架系統(tǒng)的RCM分析實例Tab.2 RCM analysis example of boom system

（2）模糊層次分析法

第1步:①將風(fēng)險矩陣法中與嚴(yán)重性相關(guān)的4個影響因素（安全、生產(chǎn)、維修、環(huán)境）通過三角隸屬函數(shù)得到隸屬度評價矩陣；②對4個因素之類的權(quán)重通過判斷矩陣進(jìn)行構(gòu)權(quán)并求解，而后通過激勵變權(quán)法重新計算權(quán)重；③通過評價矩陣和變權(quán)后的權(quán)重，求出故障后果的嚴(yán)重程度。

第2步:輸入該故障模式的可探測性（可探測性分為5級:很高、高、中等、低、很低）。

第3步:通過以上3步得到嚴(yán)重程度、可探測性和故障頻率；再通過模糊層次分析對這3個因素進(jìn)行構(gòu)權(quán)并求解，而后通過激勵變權(quán)重新計算權(quán)重；并根據(jù)前面所獲得的嚴(yán)重程度、可探測性和故障頻率的因素值結(jié)合變權(quán)后的權(quán)重來計算該故障的風(fēng)險大小。

2.5 維修任務(wù)決策

綜合決策:第一步確定模糊評價矩陣，第二步確定各個因素的權(quán)重分配，第三步確定各因素的子因素權(quán)重分配，第四步進(jìn)行綜合評價，得到維修決策的推薦維修方式是狀態(tài)維修、定期維修或者是事后維修。

邏輯決策:根據(jù)故障模式的風(fēng)險值，自動選中高風(fēng)險，然后根據(jù)邏輯圖來進(jìn)行推理得到推薦維修方式和維修建議。

2.6 維修任務(wù)優(yōu)化

根據(jù)綜合決策或邏輯決策的結(jié)果，通過任務(wù)對話框開展任務(wù)制定，此外可根據(jù)平均故障間隔（mean time between failures，MTBF）和可靠度要求對安全裝置開展維修周期優(yōu)化［8］，得到最佳維修周期。

3　結(jié)論

1）采用1個和4個5×5的風(fēng)險矩陣分別對一級和二級子系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險評估和篩選，有效篩選出子系統(tǒng)的風(fēng)險高低。采用風(fēng)險矩陣法和模糊變權(quán)層次分析法對故障模式進(jìn)行評估，得到不同故障模式的風(fēng)險大小。通過綜合決策，確定故障的維修方式是狀態(tài)維修、定期維修或者事后維修。

2）基于RCM技術(shù)制定了門座起重機(jī)維修決策系統(tǒng)的7個模塊:系統(tǒng)劃分、風(fēng)險篩選、FMEA、原因分析、維修方式?jīng)Q策、維修周期優(yōu)化，通過實例分析，證明了所設(shè)計系統(tǒng)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］Moubray J.Reliability-Centred Maintenance［M］.2nd ed.Oxford:Butterworth-Heinemann，1999.

［2］Smith A M，Hinchcliffe G.RCM-Gateway toWorld Class Maintenance［M］.2nd ed.Oxford:Butterworth-Heinemann，2003.

［3］王世達(dá).以可靠性為中心的維修軟件系統(tǒng)開發(fā)及工程應(yīng)用［D］.北京:北京化工大學(xué)，2009.

［4］陳剛.減速機(jī)械的可靠性維修及其維修決策研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［5］李穎，黃進(jìn)永.以可靠性為中心的維修技術(shù)工程應(yīng)用探討［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010，28（5）:55-60.

［6］Marszal E M，Scharpf E W.Safety Integrity Level Selection:Systematic Methods Including Layer of Protection Analysis ［M］.Research Triangle Park，NC:The Instrumentation，Systems and Automation Society，2002.

［7］American National Standards Instittute.Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries:ANSIASA-84.01［S］.Research Triangle Park，NC:The Instrumentation，Systems，and Automation Society，1996.

［8］張樹忠，曾欽達(dá).起重機(jī)械安全裝置的故障檢測周期優(yōu)化［J］.起重運輸機(jī)械，2014（4）:81-82.

（責(zé)任編輯：陳雯）

收搞日期:2016-04-14

中圖分類號：TH17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-4348（2016）03-0223-04

doi：10.3969/j.issn.1672-4348.2016.03.004

基金項目:福建省教育廳科技項目（JB14074）；福建工程學(xué)院科研啟動基金（GY-Z14005）；福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目（FJQI2014056）

作者簡介:張樹忠（1980-），男，福建周寧人，副教授，高工，博士，研究方向:機(jī)電液一體化及維護(hù)策略優(yōu)化。

RCM-based maintenance decision-making system design for portal crane

Zhang Shuzhong
（College of Mechanical and Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China）

Abstract:Using object-oriented high-level language C#and SQL Server 2005 database，adopting risk matrix method，fuzzy analytic hierarchy process，root cause analysis，integrated decisionmakingmethod and logical decisionmethods，amaintenance decision-making system for portal crane based on reliability centred maintenance（RCM）technology and risk-analysis was developed.The system can implement the basic information management of portal crane，which is based on risk analysis and can realize targeted maintenance decision-making.The system can determine the repair method and bestmaintenance period of components based on the factors influencing users，the selection to improve the reliability and safety ofmachinery and equipment，and provideminimum downtime optimization，systematic and scientific maintenance decision support.

Keywords:portal crane；reliability centredmaintenance（RCM）；decision-making system；risk analysis