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摘要：桥式起重机在现代企业中应用普遍，减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率，对实现自动化和现代化发挥了重要作用。但是由于桥式起重机管理、使用及维护等方面存在许多不足，致使事故率较大，造成了很大的经济损失，因此对于现役的起重机风险评估意义重大。
关键词：桥式起重机；结构风险评估；可靠性分析
前言：随着我国经济建设和基础设施建设的快速发展，起重机在整个国民经济发展过程中的作用日益重要。作为现代化、机械化、高效性工业生产的重要设备，在越来越多的工程建设、施工以及生产中需要使用起重机来辅助或者直接参与施工生产。同时，起重机说起重、运输、装卸以及安装的物料都是大宗的重型物品，一单发货所能结构失衡或是损坏，造成的损失和后果不可估量。因此，研究起重机的结构风险点，并对其风险作出评估，对其可靠性进行评价，对安全生产、提高工作效率都具有十分重要的作用。
1桥式起重机构造
为了准确的确立综合评判系统，需正确认识桥式起重机金属结构特点。桥式起重机主要有桥架、大车运行机构、小车起升机构、小车运行机构和电气设备组成。桥架是由钢板焊成的箱型主梁、单腹板主梁或用型钢焊成的桁架主梁以及端梁、走台组成。主梁上铺有钢轨供小车运行。一般在主梁外侧装有走台，一侧为安装和检修大车运行机构而设置的，另一侧为安装小车导电装置而设置的。主梁两端各与半个端梁相连接，半个端梁与半个端梁之间用连接板与螺栓连接。通常将桥式起重机分为单主梁、双梁桥式起重机两大类。
桥架是普通桥式起重机重要组成部分亦是对其进行结构分析的重点，整体可以简化为梁结构，其主要构成以板为主，即上盖板、下盖板、腹板和隔板。将桥式起重机不同金属结构作为风险因素集的子系统的考察对象可以很好进行系统层次划分。
2桥式起重机金属结构风险因素
起重机在整个使用过程中，由于腐蚀、疲劳破坏或机械损伤等因素影响，随着服役年龄的增长，会出现结构性质量问题，对安全生产和生产效率的提高影响严重。
影响起重机结构风险的因素主要有以下几个方面：
（1）腐蚀影响因素。起重机主要是以金属构件组成的，由于起重机长期在户外环境下工作，与周围的介质接触止，由于发生化学和电化学作用引起的破坏，发生腐蚀现象。腐蚀现象对起重机的外形、色泽以及机械性能方面都会造成影响，导致设备的安全稳定性降低。
（2）裂纹影响因素。随着使用年限的不断增长，起重机的结构会在载荷作用下发生规律性脆断。这在整个起重机使用过程中是必然出现的现象。裂纹的出现会影响起重机的寿命和使用的安全性，同时降低起重机的可用性。
（3）强度影响因素。对于任何的工程构件，其应力不可能无线增大，否则构件将会破坏。起重机都有标称荷载，其实起重机的最关键参数之一。所以在工程使用中，必须保证在起重机上施加的应力小于其鬼是哪个的荷载强度，否则会出现构件的损坏现象，导致起重机的寿命降低。
（4）变形影响因素。桥式起重机工作时，主梁是其主要的受力部件，为了确保安全性，它应该具有足够的强度、刚度和稳定性；还应该满足相应技术条件中有关几何形状的要求。尽量减小起重小车“爬坡”与“下滑”的不利影响。桥式起重机主梁出现严重下挠时，会引起主梁的水平旁弯和腹板的波浪变形。当下挠达到一定程度时，起重机将发生一系列不正常的现象，如下盖板和腹板上出现裂纹，甚至有可能导致重大的设备和人身事故。
3桥式起重机金属结构风险评估
桥式起重机金属结构的风险评估是一项较复杂的工作，由于考虑的风险因素较多。为了使问题变得简单，我们对综合评判系统进行层次划分。
（1）桥式起重机整机金属结构破坏情况是风险评估中关注的最终结果，故它是风险评估系统中的最高层。
（2）如果将起重机进行逐级结构细化，并将这些细化的结构与风险因素相对应，那么我们就很容易建立综合评判系统中的二级系统。
（3）起重机主梁与端梁结构破坏的主要原因是腐蚀、裂纹、强度、变形等因素，所以，起重机的腐蚀、裂纹、强度、变形等参数就成为了三级风险系统。
（4）对上级系统中风险因素（因腐蚀、裂纹、强度所致的结构破坏）进行四级系统划分时，可将上级系统中金属结构细化，把主梁、端梁结构划分为上盖板、下盖板、腹板及隔板，将细化后的金属结构与上级系统中的原因结合，成为四级系统。
这样，桥式起重机金属结构综合评判系统变得层次化、清晰化。
4起重机金属结构风险评估框架建立
4.1风险程度
风险是指在一定的时间范围内。由于系统行为不确定性给人类带来危害的可能性。风险包括风险发生概率和其可能产生的后果等2个方面因素。风险度可表示为：
W =∑I pi×ci
W--风险度；pi--单个事件发生概率；ci--该事件产生的预期后果
4.2模糊综合评判
在建立桥机金属结构模糊综合评判体系时，首先建立风险因素集U，令U={u1，u2，…，un}，本文是对桥机金属结构进行风险评估，un，n=1，2，3，4分别表示为腐蚀、裂纹、强度及变形导致桥机金属结构破坏。
桥机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，整体工作范围呈矩形，桥架的整体可简化为单梁结构，其主要构成以板为主，即上盖板、下盖板、腹板和隔板。将桥机金属结构作为风险因素集的子系统进行系统层次划分，可将桥机风险因素与其结构结合起来，建立的普通桥机金属结构风险综合评判系统如图1所示
图1 普通桥机金属结构风险综合评判系统划分
图1中的U为普通桥机金属结构风险；u1为由腐蚀导致整体结构破坏；u2为由裂纹导致整体结构破坏；u3为由强度导致整体结构破坏；u4为由变形导致整体结构破坏；u11、u12、u13、u14为由腐蚀分别导致桥机上盖板、下盖板、腹板及隔板结构破坏；u21、u22、u23、u24为由裂纹分别导致桥机上盖板、下盖板、腹板及隔板结构破坏；u31、u32、u33、u34为由强度分别导致桥机上盖板、下盖板、腹板及隔板结构破坏；u41为由波浪变形导致局部结构破坏；u42为由偏斜导致局部结构破坏；u43为由主梁下沉导致该结构破坏；u44为由主梁水平弯曲导致该结构破坏；
构造风险各要素中的概率等级和后果等级的评判集Q和G，其中Q={q1，q2，…，qm}，G={g1，g2，…，gm}，分别表示风险发生的可能性及带来的后果，如表1、表2所示。确立风险隶属度矩阵及权重系数。根据《机械安全风险评价的原则》，风险事件出现的概率可依据可靠性和其他统计数据，本文采用前者。在起重机风险评估时，风险概率隶属度矩阵依可靠性分析得到可靠性隶属度矩阵作为参照而建立。
4.3风险等级划分
在起重机金属结构相应因素风险值W得到后，应对风险水平作出定性判断，即给出起重机金属结构风险等级从而定性判断其相应因素的风险程度。常用的风险等级划分为：较低级（0～0.2）、低级（0.2～0.4）、较高级（0.4～0.6）、高级（0.6～0.8）和很高级（0.8～1.0）。
5基于蒙特卡罗法的起重机结构可靠性研究
起重机结构可靠性是在综合分析各种风险影响因素的基础上给出的起重机整体安全评价。研究内容主要包括：结构的安全性、耐久性、适用性、可维修性等。通过定量的分析计算，最终通过可靠度给出起重机结构可靠性的数量指标。对于本文用于验证的桥式起重机，其可靠度表示在规定条件和时间内所能完成规定功能的概率。本文应用蒙特卡罗法与有限元技术，以板厚、外载荷、材料屈服极限、弹性模量作为参数变量，从强度、变形及屈曲3个方面考虑结构的失效模式；基于Msc.nastran及Isight平台，对起重机结构进行了可靠性分析。
5.1采用蒙特卡罗法原理进行起重机金属结构可靠性分析流程
蒙特卡罗法又称为随机抽样法，原理的理论基础是概率论和数理统计，主要是通过随机模拟和统计试验来求解结构可靠性的近似数值方法。采用该方法进行起重机结构可靠性分析需要考虑的随机变量包含有起重机的板厚、材料的屈服极限与弹性模量以及起重机的外载荷。以桥式起重机为例，通过分析其结构箱形梁特点，将该类起重机分为上盖板、下盖板、腹板及隔板。对于起重机主要部件结构强度的允许范围为［σ］≤235MPa，否则认为其结构失效；对于变形允许变形量范围为［h］≤L/700（L表示桥架跨度），否则认为其结构失效；屈曲的允许范围为［ƒ］=FCR/F≥1（其中，［ƒ］表示屈曲因子，FCR表示临界载荷参数，F表示临界载荷），其可靠性分析流程为：开始后首先进行参数变量的确定，包括板厚、屈服极限、弹性模量、外载荷；然后基于Msc.nastran平台进行参数化建模，接下来基于Isight平台输入参数变量（均值与方差），同时指定模拟次数，利用Msc.nastran分析初步结果与判断结构是否失效的强度、变形量、屈度参数进行比较，将多次比较结果的平均值输出，即可获取起重机结构的可靠度参数。
6结语
起重机作为国民建设中重要的机械化设备，对推动经济发展、提高现代工作效率意义重大。本文在分析起重机风险评估体系、影响因素以及风险评定标准的基础上，采用基于蒙特卡罗法的起重机结构可靠性研究方法，和模糊综合评判法应用于桥机金属结构风险评估中，整体上把握了桥机金属结构的风险程度。建立与桥机金属结构风险相对应的综合评判体系，并将桥机金属结构进行多层次子系统的划分，使其风险评估中综合评判系统层次化、清晰化；通过维修后的重新评估，得出桥机针对不同风险因素维修对整体风险的影响程度。
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论文作者:潘乐臣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/25
标签：起重机论文; 结构论文; 风险论文; 盖板论文; 金属结构论文; 腹板论文; 因素论文; 《基层建设》2019年第20期论文;