秦仙蓉 趙俊陸 丁 旭 張 氫 孫遠韜

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海 201804

0 引言

岸邊集裝箱橋式起重機（以下簡稱岸橋）是碼頭前沿用于集裝箱裝卸的起重機，是港口的核心設(shè)備。岸橋發(fā)生故障不但會造成大量的經(jīng)濟損失，也會帶來巨大安全隱患。疲勞斷裂是岸橋金屬結(jié)構(gòu)斷裂的主要形式，結(jié)構(gòu)腐蝕、不正當?shù)牟僮鞯纫彩枪收习l(fā)生的誘因。目前，有關(guān)于橋式起重機的故障分析研究大部分集中在起重機的局部結(jié)構(gòu)上[1-4]，如鋼絲繩、吊軌小車、吊鉤、螺栓等，對于故障整體之間的關(guān)聯(lián)分析較少。為此，本文以岸橋的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為出發(fā)點，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成以及故障模式進行分類，根據(jù)故障判定的相關(guān)準則，進行了故障原因及影響分析，最終構(gòu)成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的FMEA分析表。

1 岸橋結(jié)構(gòu)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)故障

岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成了整個起重機的承載骨架，其健康狀態(tài)直接影響著這個港口的安全運營。如圖1所示，岸橋結(jié)構(gòu)是典型的空間結(jié)構(gòu)，主要由大梁系統(tǒng)、門框系統(tǒng)、拉桿系統(tǒng)、梯形架等組成。岸橋結(jié)構(gòu)的承載性能主要用強度和剛度2個指標衡量，強度用于表征結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，剛度描述的是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，包括結(jié)構(gòu)變形及因不同部件的變形而造成的不協(xié)調(diào)狀態(tài)等。

在岸橋重大事故案例中，大部分事故由外部環(huán)境因素引發(fā)，如集裝箱船舶的沖撞及突發(fā)陣風引起的大車防風裝置失效等，而岸橋結(jié)構(gòu)失效所致的事故同樣存在，故岸橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及其健康狀態(tài)評估一直是岸橋設(shè)備方和港口管理方的重點關(guān)注對象。岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障主要有開裂、表面磨損、焊縫的脫焊與開焊、金屬材料因工作環(huán)境影響引起的腐蝕與銹蝕、表層涂膜的剝離和部分連接件的脫落與松動等，具體情況如圖1所示。

2 故障判定及故障原因分析

2.1 故障判定準則

岸橋金屬結(jié)構(gòu)部分的故障表現(xiàn)比較明顯，可直接通過目測的方法進行[5]，如鋼材發(fā)生較大的塑性變形、材料開裂、各部件連接處產(chǎn)生松動或位移等。部分故障因結(jié)構(gòu)部件的尺寸發(fā)生變化而產(chǎn)生（如大變形、鋼材的腐蝕、連接件的磨損等），這類故障會嚴重影響岸橋的安全以及正常運行，可根據(jù)其設(shè)計規(guī)范[6，7]的要求，通過停機監(jiān)測來確定岸橋是否依然可安全運行，如連接處螺栓與銷軸的松動與磨損、構(gòu)件腐蝕、油漆剝離等會降低結(jié)構(gòu)的強度，在受載時可能會因強度不足導(dǎo)致岸橋整體垮塌。此外，在實際運行中還有運營方根據(jù)實際經(jīng)驗給定的附加要求，如前后大梁截面腐蝕程度需要小于設(shè)計板厚的10%、油漆剝離面積需要小于整體面積的10%、前后大梁的最大撓度不超過L/350（L為梁的有效懸臂長度）、對稱位置上拉桿間的強度差小于15%等。

焊縫、構(gòu)件出現(xiàn)的裂紋會嚴重威脅到岸橋的安全，必要時需停機檢測，進行結(jié)構(gòu)表面探傷。為了不傷及結(jié)構(gòu)，表面探傷采用無損探傷，常見的方法有磁粉、滲透探傷和超聲波探傷等。磁粉檢測操作簡單、成本低，但對技術(shù)人員的經(jīng)驗要求較高；滲透檢測可檢測出裂紋在表面的分布情況，但對于裂紋的擴展情況較難確定；超聲波探傷應(yīng)用范圍相對較廣，線性超聲波用于探測宏觀的裂紋，而因材料疲勞產(chǎn)生的微裂紋采用非線性的超聲波進行檢測具有更高的靈敏度[8]。

當起重機工作時，為避免因負載振動引起共振，有些工況下需對結(jié)構(gòu)部件的動剛度進行檢驗[9]。

2.2 故障原因分析

故障原因分析指的是分析人、環(huán)境、物理或化學(xué)因素等對故障各個約定層次的直接誘因與間接誘因，通過故障原因分析可在源頭上開展有針對性地預(yù)防工作。故障原因基于不同的故障模式分類而不同，岸橋基本層面的故障原因主要有材料的裂紋、開裂；鋼結(jié)構(gòu)變形；焊縫；材料的銹蝕、涂層剝離；輪壓；連接件等。

1）材料的裂紋、開裂 應(yīng)追溯其受沖擊載荷、碰撞以及疲勞載荷的原因，此時應(yīng)結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)以及實際工況運轉(zhuǎn)情況進行分析；

2）鋼結(jié)構(gòu)變形 主要考慮承載是否超標、是否偏載嚴重等原因，也應(yīng)注意實際工況中碰撞所致的變形；

3）焊縫 探究焊接質(zhì)量的監(jiān)控以及焊縫處所受疲勞應(yīng)力的原因，同時還應(yīng)注意焊縫所體現(xiàn)的問題可能是多重故障模式傳遞而至，需判別其最初始的直接原因；

4）材料的銹蝕、涂層剝離 這類故障模式多與其所處環(huán)境有關(guān)，主要原因有環(huán)境侵蝕、頻繁摩擦或未做事先維護等；

5）輪壓 應(yīng)考慮是否超載運行，同時監(jiān)測是否受較強風侵襲；

6）連接件 此為多重故障模式，其本身產(chǎn)生的原因可能是防松措施不到位、疲勞應(yīng)力反復(fù)或材料自身磨損等。

故障模式的體現(xiàn)及原因的分析，往往是多重傳遞所致，故在分析故障影響時需要注意不同約定層次故障之間的關(guān)聯(lián)影響問題。

影響岸橋正常運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)事故往往是多種故障相伴而生的，經(jīng)過不同層次故障的傳遞和疊加會促進新故障的生成，如腐蝕和磨損會消減零部件的尺寸，從而降低材料的剛度，在施加相同載荷的情況下，經(jīng)過腐蝕和磨損的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更大撓度的變形，由此可能會阻礙小車的正常運行。腐蝕和磨損還會降低整體的動剛度，吊裝過程中不可避免地會產(chǎn)生振動，降低動剛度就意味著更容易發(fā)生共振造成整體結(jié)構(gòu)垮塌。當結(jié)構(gòu)各部件的連接部位發(fā)生磨損后，連接件強度降低更容易被破壞，較大的空隙更容易受到?jīng)_擊載荷的影響致使連接材料斷裂。當零部件的材料強度不均衡時，會因受力不均衡造成側(cè)偏，還可能會在交變載荷作用下加速材料的疲勞，產(chǎn)生裂紋并不斷擴展等。

3 構(gòu)建故障模式效應(yīng)分析表

故障模式效應(yīng)分析（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）是根據(jù)現(xiàn)有的資料和客戶需求，系統(tǒng)分析故障結(jié)構(gòu)，鑒別系統(tǒng)中每一個潛在的故障模式，分析引起故障的原因，建立一份完整的故障模式效應(yīng)分析表格，然后利用統(tǒng)計方法進行相關(guān)分析[10]。在FMEA分析中，通常是根據(jù)風險優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）的大小來判斷故障模式的影響嚴重程度[11]，一般RPN表示為故障危害度S、故障發(fā)生頻度O和故障檢測度D的乘積，即

RPN值越大，影響程度就越大。故障危害度S可以二次拆分為經(jīng)濟度、安全度與操作度，一般表示為三者的算術(shù)平均值。結(jié)合岸橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實際經(jīng)驗與國家標準[12]，組成風險優(yōu)先數(shù)RPN的因素按照程度不同分為10個等級，故障危害度S數(shù)值越大，代表評判岸橋結(jié)構(gòu)實際故障模式的危害及其影響程度越大；故障檢測度D越大表示發(fā)生此故障探測難度越高，故障發(fā)生頻度O數(shù)值越大說明此類型故障發(fā)生越頻繁。

基于岸橋的實際工程實踐以及相關(guān)專家評判，形成的岸橋結(jié)構(gòu)初始FMEA分析表如表1所示。FMEA表的評分應(yīng)是動態(tài)變化的，在每個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的時間節(jié)點，都應(yīng)重新結(jié)合監(jiān)測實際結(jié)果進行重新評分，推動FMEA分析的結(jié)果動態(tài)變化，從而動態(tài)反映岸橋結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的逐步演化。

表1 岸橋結(jié)構(gòu)FMEA表（RPN：風險優(yōu)先數(shù)）

續(xù)表1

4 結(jié)論

本文對岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了故障模式及其影響分析（FMEA分析），論述了岸橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分析了主要結(jié)構(gòu)故障形式及其發(fā)生原因，制定了故障判定準則，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了岸橋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的FEMA分析表，從而為岸橋的安全運維和結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)巡檢與監(jiān)測提供依據(jù)。