門秀艷，胡雄，李維

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

引言

隨著我國國際貿(mào)易的迅速發(fā)展，港口運輸量也隨之急劇增長，同時也推動了港口機(jī)械設(shè)備的發(fā)展。岸邊集裝箱起重機(jī)簡稱岸橋是港口碼頭中裝卸集裝箱的主要設(shè)備，廣泛使用于集裝箱港口前沿、鐵路等中轉(zhuǎn)點，岸橋的裝卸能力和裝卸速度直接決定了碼頭作業(yè)效率，個別碼頭還直接利用岸橋的大跨距和大后伸距等優(yōu)點進(jìn)行堆場作業(yè)，因此岸橋設(shè)備是港口碼頭等場合不可或的機(jī)械設(shè)備。對于岸橋這種大型機(jī)械，其故障缺陷一般不易發(fā)現(xiàn)，但一旦故障發(fā)生則損失慘重。金屬結(jié)構(gòu)作為岸橋最重要的承載部件，其可靠性尤其是運作的動態(tài)可靠性的重要性不言而喻。

圖1 FTA 分析程序

故障樹分析(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)又稱事故樹分析，是安全系統(tǒng)工程中最重要的分析方法。該分析是在裝備系統(tǒng)設(shè)計過程中，從一個可能造成系統(tǒng)故障的因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為等）開始，自上而下、一層層地尋找頂事件的直接原因和間接原因事件，直到基本原因事件，并用邏輯圖把這些事件之間的邏輯關(guān)系表達(dá)出來，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性[1]。其主要步驟包括：故障樹的建立、故障樹的數(shù)學(xué)描述、進(jìn)行定性分析和定量計算。

1 故障樹的建立

對岸橋建立故障樹的目的是通過建立故障樹透徹了解岸橋鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成，找出系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)，這是對岸橋建樹定性分析和定量計算的前提。根據(jù)岸橋鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，分析不希望發(fā)生的顯著影響岸橋技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性的故障事件，根據(jù)分析的目的和故障來確定本次分析的頂事件。本文以岸橋為研究對象分析，岸橋作為港口的大型起重機(jī)械其鋼結(jié)構(gòu)的可靠性十分重要，因此本章節(jié)主要對岸橋的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建樹分析，頂事件則選為岸橋鋼結(jié)構(gòu)故障，將岸橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)劃分則可分為門框系統(tǒng)故障、梯形架故障、大梁機(jī)構(gòu)故障、拉桿故障、門框連接系統(tǒng)故障，對此再進(jìn)行細(xì)化分析直到不能繼續(xù)劃分。根據(jù)實際情況對岸橋鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)建樹如圖2所示：

圖2 “岸橋鋼結(jié)構(gòu)故障”為頂事件建立的故障樹

2 FTA定性分析

對岸橋建立故障樹進(jìn)行定性分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件（岸橋鋼結(jié)構(gòu)故障）發(fā)生的原因事件以及原因事件的組合，即識別導(dǎo)致岸橋結(jié)構(gòu)損壞的所有故障模式集合。對岸橋建樹可以找出故障樹全部的最小割集（一個最小割集代表系統(tǒng)的一種故障形式，全部最小割集代表系統(tǒng)全部的故障模式），從而明確岸橋鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有多少可能的故障形式。

2.1 岸橋故障的最小割集

設(shè)頂事件岸橋鋼結(jié)構(gòu)故障為T，則：

可得到90個最小割集。

2.2 定性分析

比較岸橋系統(tǒng)中各基本事件的重要性時，根據(jù)得到的基本事件（Xi, i=1,2,...90）所在的不同階數(shù)的最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)來確定其重要性大小，所在最小割集的出現(xiàn)的次數(shù)越多，最小割集階數(shù)越小，該基本事件的重要性越大，結(jié)構(gòu)重要性越大，造成系統(tǒng)故障的可能性就越大，工程中常以結(jié)構(gòu)重要度大小作為依據(jù)進(jìn)行檢查維修[2]。根據(jù)上面所列最小割集可得結(jié)構(gòu)重要度排序為：

說明底事件 X19、X20......X29、X30、X37、X38......X50、X51引發(fā)頂事件的可能性較其他底事件要大，及結(jié)構(gòu)重要度比較大。

通過以上 FTA的定性分析可以得到結(jié)構(gòu)重要度比較大的系統(tǒng)為梯形架系統(tǒng)、大梁系統(tǒng)、門框連接系統(tǒng)，以重要度較高的系統(tǒng)為主要目標(biāo)，可簡化可靠性分析的目標(biāo)。通過重要度的高低可以簡化系統(tǒng)的分析步驟，不需要對每一個系統(tǒng)逐一計算便可得到最薄弱的環(huán)節(jié)。根據(jù)上述分析，梯形架系統(tǒng)、大梁系統(tǒng)、門框連接系統(tǒng)重要度較高，因此可以直接省略分析拉桿系統(tǒng)和門框連接系統(tǒng)。下面則以大梁機(jī)構(gòu)故障為頂事件分析該系統(tǒng)可靠性。

3 大梁系統(tǒng)的FTA定量分析

3.1 頂事件發(fā)生的概率

頂事件的發(fā)生概率是評價整個系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，由于在岸橋結(jié)構(gòu)可靠性本次分析中各底事件的最小割集之間互不影響，因此可將最小割集看成獨立事件，按照以下公式計算系統(tǒng)失效概率：

式中： k 為最小割集的個數(shù)；P(ki)為最小割集的發(fā)生概率。

根據(jù)調(diào)查資料[4]，并參考岸邊集裝箱起重機(jī)的仿真、最大應(yīng)力試驗記錄以及維修記錄，賦予各底事件于表1的參考數(shù)值：

表1 底事件發(fā)生概率參考值

因此g=1-[(1-0.01)(1-0.008)(1-0.005)(1-0.015)

(1-0.009)(1-0.01)]

=0.0557

即大梁發(fā)生斷裂的故障概率為5.57%

3.2 基本事件的概率重要度

頂事件發(fā)生概率g隨機(jī)本事件概率gi的變化率為Xi的概率重要度。

其中Ig(i)越大，說明Xi越重要，對頂事件的發(fā)生影響就越大，根據(jù)

則以大梁故障為頂事件的概率

因此

這說明底事件 X27、X26、X29對頂事件影響較大，降低這些底事件概率能更有效地防止頂事件的發(fā)生。

3.3 關(guān)鍵性重要度

關(guān)鍵性重要度是指系統(tǒng)底事件故障率gi和的變化率和它引起的頂事件發(fā)生概率g的變化率[5]，即：

因此可得

這是重要度的最重要指標(biāo)，因為它不僅可反映出該單元概率重要度的影響，還以敏感度角度衡量各底事件的重要度[6]，Ic(i)越大，表明Xi導(dǎo)致系統(tǒng)故障的可能性越大。根據(jù)以上計算結(jié)果，則可以得出若大梁系統(tǒng)發(fā)生故障則應(yīng)首先懷疑X28、X29，按照Ic值的大小排序進(jìn)行排查，如此一來不僅可以縮短時間，還減少了工作量。

4 總結(jié)與展望

本文將 FTA方法應(yīng)用到了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的岸邊集裝箱起重機(jī)系統(tǒng)中，首先對整機(jī)建樹定性分析了起重機(jī)系統(tǒng)容易發(fā)生故障的子系統(tǒng)，以此來縮小分析范圍，然后再以子系統(tǒng)故障為頂事件進(jìn)行細(xì)化的定量分析，得出底事件的概率重要度，從而找出系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，并給出故障排查順序，可用于大型設(shè)備的初步可靠性計算，既省時又省力，有利于提高設(shè)備的可靠性和安全管理。

本文只對于岸橋的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建樹分析，而其它電氣系統(tǒng)沒有一一列出；本文對于故障概率的參考值不是特別精確，只是用于估算比較，有待提高精度。

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