張連紅，王鈺鑫

（青島市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東青島 266101）

0 引言

通過(guò)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全檢驗(yàn)與評(píng)估，分析機(jī)械式停車設(shè)備存在的危險(xiǎn)源及其分布點(diǎn)位、發(fā)生的數(shù)量，預(yù)測(cè)事故發(fā)生的概率，存在的嚴(yán)重程度，提出應(yīng)采取的安全技術(shù)方案及措施等，減少和消除老舊機(jī)械式停車設(shè)備潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，以加強(qiáng)機(jī)械式停車設(shè)備的安全運(yùn)行質(zhì)量，滿足低能耗要求，提高服務(wù)民生工作的品質(zhì)。

1 升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備主要由載車板、鋼結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置構(gòu)成。升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備的主框架為鋼架結(jié)構(gòu)，它由前后立柱、前后橫梁、縱梁等部件組成，起到支撐傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、載車板載荷的作用。前后立柱通過(guò)連接板與基礎(chǔ)螺栓連接，縱梁、前后橫梁、前后立柱、筋板等其他支承裝置采用焊接或螺栓聯(lián)接的形式加以固定。

2 升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備安全檢驗(yàn)流程

2.1 安全檢驗(yàn)總體流程

為減少升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的故障問(wèn)題，應(yīng)該提前對(duì)設(shè)備的各部分進(jìn)行安全檢查和必要的應(yīng)力應(yīng)變分析，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，避免運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)安全事故。圖1 為升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備安全檢驗(yàn)總體流程。

圖1 升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備安全檢驗(yàn)總體流程

2.2 金屬結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)流程及仿真分析

2.2.1 金屬結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)流程

對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)的安全檢查，不僅要檢查外觀，還要對(duì)相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，如主要的受力件：載車板、載車板兩側(cè)承重梁、懸掛車庫(kù)受拉桿、車板承重梁懸掛梁、懸掛梁滑動(dòng)導(dǎo)軌以及車庫(kù)受力樁腿等。金屬結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 金屬結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)流程

國(guó)內(nèi)外對(duì)升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析方式和類型，大部分基于構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析，沒(méi)有進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，也沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)的預(yù)期壽命進(jìn)行評(píng)估。下面對(duì)金屬結(jié)構(gòu)重要部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真，找出應(yīng)力應(yīng)變較大的重要位置，以便于裝貼應(yīng)變片，方便連接監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)比較危險(xiǎn)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免發(fā)生不可控的危險(xiǎn)，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)要考慮最危險(xiǎn)的工況并進(jìn)行以下假設(shè):①不計(jì)地震載荷與風(fēng)載荷作用；②整體結(jié)構(gòu)無(wú)初始變形與缺陷；③不計(jì)由溫差引起的熱應(yīng)力。

2.2.2 金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的仿真分析

從升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備的總裝配圖（圖3）可知，單個(gè)停車庫(kù)最主要的受力件為載車板、載車板的兩側(cè)承重梁、懸掛車庫(kù)的受拉桿及車板承重梁的懸掛梁；對(duì)于整體車庫(kù)框架而言，最主要的受力件為懸掛梁滑動(dòng)導(dǎo)軌（兩車板、三車板）以及車庫(kù)受力樁腿。

圖3 升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備的總裝配圖

在三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks 中建立算例分析，對(duì)各受力件進(jìn)行校核，校核過(guò)程相同（假定每輛車重約2 t）。

（1）在插件simulation 下建立算例分析，選擇靜態(tài)分析。

（2）定義構(gòu)件材料屬性。

（3）定義約束。

（4）定義受力大小及方向。

（5）劃分網(wǎng)格。

（6）運(yùn)行算例。

（7）結(jié)果分析。

2.3 鋼絲繩檢驗(yàn)流程

鋼絲繩的配置和固定方式也需要重點(diǎn)考慮，對(duì)照出廠技術(shù)文件進(jìn)行宏觀檢查，檢查起重機(jī)械配置的鋼絲繩是否與滑輪、卷筒匹配，不能確定或有異議時(shí)，用寬鉗口游標(biāo)卡尺和鋼卷尺測(cè)量并進(jìn)行符合性判斷。首次檢驗(yàn)和新更換的鋼絲繩，需核查使用單位提供的出廠合格證明資料。鋼絲繩檢驗(yàn)流程如圖4 所示，繩夾數(shù)量見(jiàn)表1。

圖4 鋼絲繩檢驗(yàn)流程

表1 繩夾數(shù)量

2.4 制動(dòng)器及安全保護(hù)裝置檢驗(yàn)流程

安全保護(hù)裝置中的制動(dòng)器在總裝置中的作用非常重要，使用前需要檢驗(yàn)，檢驗(yàn)流程如圖5 所示。

圖5 制動(dòng)器檢驗(yàn)流程

對(duì)于機(jī)械式停車設(shè)備專項(xiàng)安全保護(hù)和防護(hù)裝置的檢驗(yàn)，可以對(duì)每個(gè)裝置的外觀及安裝位置進(jìn)行檢查，為防止個(gè)別裝置漏檢，設(shè)置如圖6 所示的檢驗(yàn)流程。

圖6 專項(xiàng)安全保護(hù)和防護(hù)裝置檢驗(yàn)流程

2.5 壽命的預(yù)期

人們需要根據(jù)通用工程監(jiān)控系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)定，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，最后進(jìn)行綜合安全評(píng)估和主要構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)期。

對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌這樣重要的構(gòu)件就可以進(jìn)行壽命的預(yù)期，以便于維護(hù)或者更換損壞構(gòu)件。由于升降橫移類機(jī)械式停車設(shè)備特定的工況，滑動(dòng)導(dǎo)軌所受載荷的交變次數(shù)不高，故可以將其看作低周疲勞壽命的計(jì)算問(wèn)題。

20 世紀(jì)50年代初，曼森（Manson）和柯芬（Coffin）第一次提出了用塑性應(yīng)變累積的觀點(diǎn)計(jì)算低周疲勞壽命的理論。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)及探索，得出了對(duì)稱應(yīng)變條件下塑性應(yīng)變幅度△εp與斷裂循環(huán)次數(shù)N 之間的關(guān)系，即曼森-柯芬方程：△εpNα=C，式中：α 是塑性指數(shù)；C是疲勞延性系數(shù)。α、C 均是與零件材料性能有關(guān)的常數(shù)。試驗(yàn)表明：α=0.5～0.7，常取0.5。C 在此處可以取0.1。對(duì)于兩車板導(dǎo)軌，求得：N=1 000 000；對(duì)于三車板導(dǎo)軌，求得：N=250 000。按照一天交變100 次計(jì)算，三車板導(dǎo)軌大約可以工作7年，兩車板導(dǎo)軌大約可以工作28年。

3 機(jī)械式停車設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控及評(píng)估

用戶對(duì)機(jī)械式停車設(shè)備的操作性能、自動(dòng)化程度、運(yùn)行效能、工作的安全有效性、設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控適時(shí)診斷的要求越來(lái)越高，機(jī)械式停車設(shè)備屬于國(guó)家強(qiáng)檢的特種設(shè)備，其潛在的安全隱患比較多，采用通用工業(yè)監(jiān)控對(duì)機(jī)械式停車設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障與危險(xiǎn)狀態(tài)，并進(jìn)行報(bào)警提示。

3.1 通用工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

通用工業(yè)監(jiān)控軟件一般采取常規(guī)通信方式（例如：USB接口、總線、以太網(wǎng)、串口）與計(jì)算機(jī)、傳感器、電子儀表、變頻控制器等接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其與I/O 設(shè)備通過(guò)*.Dll 動(dòng)態(tài)庫(kù)實(shí)現(xiàn)通信。機(jī)械式停車設(shè)備控制系統(tǒng)采用“低壓電器+PLC+上位機(jī)”的典型結(jié)構(gòu)。電氣部分主要由升降橫移電機(jī)、傳感器、限位開關(guān)構(gòu)成。PLC 主要是通過(guò)控制程序，接收各個(gè)狀態(tài)信號(hào)輸入，產(chǎn)生各個(gè)接觸器控制信號(hào)。上位機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件開發(fā)車庫(kù)運(yùn)行畫面，完成對(duì)車庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

4 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

依據(jù)危險(xiǎn)發(fā)生的概率等級(jí)和嚴(yán)重程度對(duì)查找的危險(xiǎn)隱患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定，判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)類別。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定依據(jù)危險(xiǎn)隱患的嚴(yán)重程度和概率等級(jí)，交叉組合得出I、II、III 類風(fēng)險(xiǎn)類別。

4.1 嚴(yán)重程度

嚴(yán)重程度分為4 個(gè)級(jí)別：1、2、3、4。1 表示高：死亡、系統(tǒng)損壞或嚴(yán)重的環(huán)境損失；2 表示中：嚴(yán)重傷害、嚴(yán)重職業(yè)病、主要的系統(tǒng)或環(huán)境損失；3 表示低：較小傷害、較輕的職業(yè)病、次要的系統(tǒng)或環(huán)境損失；4 表示可忽略：不會(huì)引起傷害、職業(yè)病、系統(tǒng)或環(huán)境損失。

4.2 概率等級(jí)

概率等級(jí)分為6 個(gè)級(jí)別：A、B、C、D、E、F。A 表示“頻繁”：有可能經(jīng)常發(fā)生；B 表示“很可能”：有可能發(fā)生幾次；C 表示“偶爾”：有可能發(fā)生一次且以上；D 表示“極少”：一般不發(fā)生，也有可能發(fā)生；E 表示“不太可能”：可能不發(fā)生；F 表示“不可能”：不可能發(fā)生。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)類別

風(fēng)險(xiǎn)類別分為3 個(gè)類別：I、II、III。I：需要采取防護(hù)措施以降低風(fēng)險(xiǎn)；II：需要進(jìn)行復(fù)查，如果有解決的方法也確實(shí)有解決的價(jià)值性，需要采取安全防護(hù)方案來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)；III：不需要任何行動(dòng)。

4.4 風(fēng)險(xiǎn)類別判定準(zhǔn)則（圖7）

圖7 風(fēng)險(xiǎn)類別判定準(zhǔn)則

4.5 降低風(fēng)險(xiǎn)的措施

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)定結(jié)果，總結(jié)機(jī)械式停車設(shè)備設(shè)備本體、使用管理和維護(hù)保養(yǎng)中存在的隱患問(wèn)題和安全危害，采取合理化的保護(hù)方案。

根據(jù)《起重機(jī)械安全規(guī)程》，如果有安全隱患的部件符合《起重機(jī)械主要零部件報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 5972《起重機(jī) 鋼絲繩 保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)廢規(guī)定，或制造單位對(duì)產(chǎn)品的報(bào)廢規(guī)定，需采取更換的方式來(lái)消除危險(xiǎn)隱患。否則，應(yīng)采取調(diào)整的方式來(lái)消除危險(xiǎn)隱患。

如果不能通過(guò)更換或調(diào)整的方式消除或降低危險(xiǎn)隱患，應(yīng)告知使用單位采取諸如增加警示標(biāo)識(shí)等方法來(lái)表示該設(shè)備、裝置、系統(tǒng)的遺留風(fēng)險(xiǎn)程度。

4.6 綜合結(jié)論判定

4.6.1 綜合安全情況等級(jí)判斷在判斷風(fēng)險(xiǎn)類別后，按表2 賦值：根據(jù)公式（1）計(jì)算綜合安全等級(jí)分值：

表2 風(fēng)險(xiǎn)類別

式中，vi（i=1，…，n）表示第i 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)情況對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)類別賦值；n 為所有進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)情況的個(gè)數(shù)。

根據(jù)表3 判斷綜合安全情況等級(jí)。

表3 安全情況等級(jí)

安全評(píng)估結(jié)論：

（1）四級(jí)：應(yīng)建議立即停止使用機(jī)械式停車設(shè)備，除非消除風(fēng)險(xiǎn)。

（2）三級(jí)：應(yīng)立即采取安全保護(hù)方案消除隱患風(fēng)險(xiǎn)。

（3）二級(jí)：需采取安全保護(hù)措施消除或降低隱患風(fēng)險(xiǎn)。

（4）一級(jí)：需加強(qiáng)監(jiān)護(hù)使用。

4.6.2 降低風(fēng)險(xiǎn)的安全措施建議

（1）如果修理可以恢復(fù)存在風(fēng)險(xiǎn)的零部件或系統(tǒng)的安全功能，應(yīng)提出修理建議。

（2）如果修理不可以恢復(fù)存在風(fēng)險(xiǎn)的零部件或系統(tǒng)的安全功能，應(yīng)提出改造建議。

（3）如果修理和改造都可以恢復(fù)存在風(fēng)險(xiǎn)的零部件或系統(tǒng)的安全功能，或修理、改造更換的價(jià)格比較高，不值得修理改造，宜提出更新的建議。

（4）如果日常使用管理、日常維護(hù)保養(yǎng)管理存在隱患問(wèn)題，應(yīng)提出整改建議。

5 主要工作及結(jié)論

本文主要根據(jù)機(jī)械式停車設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、使用年限和環(huán)境等因素，以及在使用停車設(shè)備時(shí)常出現(xiàn)故障、部件或者系統(tǒng)功能失效等現(xiàn)象，做了以下工作：

（1）對(duì)容易發(fā)生危險(xiǎn)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析這些構(gòu)件容易損壞的部位，即應(yīng)力應(yīng)變較大的部位，然后在相應(yīng)位置裝貼應(yīng)變片，并將應(yīng)變片接入安全系統(tǒng)進(jìn)行閾值的設(shè)定，方便出現(xiàn)危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警。

（2）根據(jù)危害事件的發(fā)生概率和危害程度對(duì)設(shè)備的安全等級(jí)作出判斷，提出保護(hù)措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。

（3）對(duì)潛在的影響停車設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行安全的危險(xiǎn)因素進(jìn)行定性、定量分析，預(yù)測(cè)停車設(shè)備存在的危險(xiǎn)源、分布位置、數(shù)量、故障概率以及嚴(yán)重程度等影響停車設(shè)備系統(tǒng)或部件壽命周期的安全狀況，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策和措施。

（4）對(duì)重要的機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行了使用壽命的預(yù)期估計(jì)，對(duì)于產(chǎn)品生產(chǎn)之初的設(shè)計(jì)缺陷或標(biāo)準(zhǔn)改變帶來(lái)的歷史遺留問(wèn)題進(jìn)行分析，推進(jìn)改造修理，盡力清除安全隱患。

（5）創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)金屬構(gòu)件容易發(fā)生危險(xiǎn)的位置裝貼應(yīng)變片，并且接入安全監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)定安全范圍下的閾值，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)值的變化，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就會(huì)報(bào)警，提醒人們進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查。通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備安全等級(jí)作出判斷，提出保護(hù)措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。