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基于ATA的流動(dòng)式起重機(jī)斷臂事故樹分析與研究

文檔作者：胡石勇舒安慶丁克勤魏化中文檔來源： 1武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月17日
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基于ATA的流動(dòng)式起重機(jī)
斷臂事故樹分析與研究 ，
胡石勇 舒安慶 丁克勤 魏化中
1武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 武漢430205 2中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100013
摘要：應(yīng)用事故樹分析法對(duì)流動(dòng)式起重機(jī)斷臂事故進(jìn)行了分析，從而為斷臂事故的預(yù)測(cè)提供了參考。事
故樹分析法邏輯性強(qiáng)，思路清晰，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)的故障分析。文中對(duì)液壓汽車起重機(jī)的斷臂事故進(jìn)行了定
性分析和定量分析。
關(guān)鍵詞：流動(dòng)式起重機(jī)；斷臂事故；事故樹分析法
中圖分類號(hào)：TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—0785(2014)04—0090—05
Abstract：The accident tree analysis method is adopted for analysis of arm—broken accidents of the mobile crane for
the purpose of giving guidance for prediction of any arm—broken accidents．The accident tree analysis method is of strict logic
and explicit idea，which is widely used in accident analysis for any system．Qualitative and quantitative analysis is per—
formed for the arm-broken accidents in the hydraulic truck crane in the paper． ，
Keywords：mobile crane；a／Tn—broken accident；accident tress analysis
O 引言 給出風(fēng)險(xiǎn)控制措施。
隨著流動(dòng)式起重技術(shù)的不斷發(fā)展，流動(dòng)式起
重機(jī)在工程實(shí)際使用中越來越多，但是由于各種
原因，起重事故不斷頻發(fā)，其中斷臂事故占相當(dāng)
大一部分比例。斷臂事故不僅給起重機(jī)工作人員
帶來人身傷害，同時(shí)造成國民經(jīng)濟(jì)損失，其發(fā)生
的主要原因是管理制度不合理，起重作業(yè)違規(guī)，
長期“帶病”運(yùn)行，一旦超載起吊造成斷臂或吊
臂嚴(yán)重變形等事故。
事故樹分析(Accident Tree Analysis，簡稱
ATA)法起源于故障樹分析法(簡稱FTA)，是安
全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，它能對(duì)各種系
統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià)，不僅能分析出事故
的直接原因，而且能深人地揭示出事故的潛在原
因。用它描述事故的因果關(guān)系直觀，思路清晰，
邏輯性強(qiáng)，既可定性分析，又可定量分析 』。本
文運(yùn)用事故樹分析法對(duì)液壓汽車起重機(jī)的斷臂事
故進(jìn)行了定性分析，求出其最小割集和結(jié)構(gòu)重要
度，然后進(jìn)行定量分析求出其關(guān)鍵重要度，從而
確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的因素，并針對(duì)這些危險(xiǎn)因素
國家級(jí)基金項(xiàng)目資助(2011QK297)
一90 —
1 斷臂事故樹的建立
本文在調(diào)研大量起重機(jī)斷臂事故的基礎(chǔ)上發(fā)
現(xiàn)，造成流動(dòng)式起重機(jī)斷臂事故的主要原因是人
為因素和設(shè)備因素，抓住人為和設(shè)備這2個(gè)因素，
從人一機(jī)一環(huán)境的角度出發(fā)考慮，得到造成起重
機(jī)斷臂事故4個(gè)主要因素：吊臂機(jī)械故障、液壓
元件失效、起重臂強(qiáng)度不足和材料因素。以此4
個(gè)主要故障因素層層深入分析，得到流動(dòng)式起重
機(jī)的斷臂事件，包括29個(gè)中間事件，44個(gè)底事
件。該事故樹的前4層簡圖見圖1，中間事件和底
事件見表1。
圖1 斷臂故障
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2014(4)
表1 流動(dòng)起重機(jī)折臂事故事件說明
符號(hào) 事 件 符號(hào) 事 件
M1 吊臂機(jī)械故障 X9 吊物超載
M2 液壓元件失效 X10 計(jì)算起重機(jī)臂強(qiáng)度不足
M3 吊臂墜落 X11 司機(jī)誤操作
M4 制動(dòng)器失靈 X12 選材不當(dāng)
M5 臂架變形 X13 螺栓沒擰到位
M6 重量限制器失靈 X14 制動(dòng)器的活動(dòng)節(jié)被咬死
M7 臂架連接不牢 X15 制動(dòng)器上的制動(dòng)瓦鉚釘露出瓦塊
M8 吊臂有擴(kuò)展裂紋 X16 制動(dòng)器的主彈簧緊固螺母松退
M9 伸縮液壓缸泄漏 X17 制動(dòng)器的制動(dòng)瓦或制動(dòng)軸過度磨損
M1O 平衡閥故障 X18 竄動(dòng)制動(dòng)瓦脫落
M11 起重臂強(qiáng)度不足 X19 制動(dòng)臂銷軸的卡板損壞
M12 材料因素 X2O 液壓推桿制動(dòng)器葉輪旋轉(zhuǎn)不靈活
M13 電氣制動(dòng)時(shí)間過長 X21 接點(diǎn)損壞
M14 零擋轉(zhuǎn)子電阻偏大 X22 接點(diǎn)燒蝕
Ml5 應(yīng)力集中 X23 動(dòng)、靜鐵芯之間的油汀粘住
M16 焊縫開裂 X24 電源電壓過低
M17 沖擊載荷過大 X25 反接制動(dòng)時(shí)定子調(diào)壓晶閘管未導(dǎo)通
M18 臂架受力桿件疲勞破壞 X26 接線端子松動(dòng)
M19 殘余應(yīng)力 X27 接觸不良
M20 電路偏差 X28 斷路
M2l 執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障 X29 司機(jī)操作過急導(dǎo)致動(dòng)載荷過大
M22 制動(dòng)器電氣故障 X30 焊接殘余應(yīng)力 一
M23 螺栓連接松動(dòng) x31 安裝殘余應(yīng)力
M24 螺栓松弛 X32 焊接質(zhì)量缺陷
．
M25 螺栓斷裂 X33 機(jī)械疲勞
M26 屈服變形 X34 制造缺陷
M27 制動(dòng)器機(jī)械故障 X35 粗暴安裝
M28 接觸器輔助接點(diǎn)接觸不良 X36 材料缺陷
M29 抱閘接觸器觸點(diǎn)粘連 X37 傳感器精度不夠
X1 密封件損壞 X38 傳感器損壞
X2 缸筒內(nèi)腔拉傷 X39 零位電路偏差
X3 活塞損壞 X40 電磁閥損壞
X4 活塞桿表面損壞 X41 放大電路偏差
X5 平衡閥內(nèi)的單向閥密封不嚴(yán) X42 力矩限制器損壞
X6 主柱塞閥損失密封不嚴(yán) X43 預(yù)緊力過大
X7 閥卡住 X44 預(yù)緊力不足
X8 螺栓設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2014 (4) 一91—
2 故障樹的定性分析
事故樹定性分析的主要任務(wù)是求出導(dǎo)致系統(tǒng)
事故的全部故障模式，從而了解事故的發(fā)生規(guī)律
和特點(diǎn)，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改善系統(tǒng)安全
提供相應(yīng)的對(duì)策，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
本文定性分析的主要任務(wù)是計(jì)算出事故樹的最小
割集和各底事件的結(jié)構(gòu)重要度。最小割集在事故
樹分析中起著極為重要的作用，它導(dǎo)致頂上事件
發(fā)生的最底限度的底事件組合。由最小割集的定
義可知，每個(gè)最小割集是頂上事件發(fā)生的一種可
能，有多少個(gè)最小割集，頂上事件發(fā)生的可能性
就有多少種。結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算就是分析各底事件
對(duì)頂上事件發(fā)生的影響程度，事故樹的最小割集
求出后，可根據(jù)最小割集判斷各底事件的結(jié)構(gòu)重
要度順序，其判別式為
) 薈，
式中：K 為第r個(gè)最小割集，Ⅳ 為底事件
所在的最小割集包含的基本事件個(gè)數(shù)。
求解最小割集方法有多種，本文運(yùn)用布爾代
數(shù)法求解。運(yùn)用布爾代數(shù)法對(duì)事故樹求解，得到
的斷臂事故樹布爾代數(shù)結(jié)構(gòu)簡式。
T={X1X5}+{X1X6}+{X1X7}+{X2X5}+
{X2X6}+{X2X7}+{X3X5}+{X3X6}+
{X3X7}+{X4X5}+{X4X6}+{X4X7}+
{X9X10}+{X9X12}+{35X29}+{X9X14}+
{X9X15}+{X9X16}+{X9X17}+{X9X18}+
{X9X19}+{X9X20}+{X9X21}+{X9X22}+
{X9X23}+{X9X24}+{X9X25}+{X9X26}+
{X9X27}+{X9X28}+{X9X29}+{x37X11}+
{X37X44}+{X37Xl3}+{x37x33}+
{X37X34}+{X8X37}+{X43X37}+
{X38Xl1}+{X38X44}+{X38Xl3}+
{X38X33}+{X38X34}+{X8X38}+
{X43X38}+{X39X11}+{X39X44}+
{X39X13}+{X39X33}+{X39x34}+
{X8X39}+{X43X39}+{X40X11}+
{X40X44}+{X40Xl3}+{X40X33}+
{X40X34}+{X8X40}+{X43X40}+
{X41Xl1}+{X41X44}+{X41X13}+
{X41X33}+{X41X34}+{X8X41}+
{X43X41}+{X42X11}+{X42X44}+
{X42X13}+{X42X33}+{X42X34}+
{x42x35}+{X8X42}+{X43X42}+
{X29X30X32}+{X29X31X32}+
{X29X36}+{X29X30X37}+
{X29X31X37}+{X29X30X38}+
{X29X31X38}+{X29X30X39}+
{X29X31X39}+{X29X30X40}+
{X29X31X40}+{X29X30X41}+
{X29X31X41}+{X29X30X42}+
{X29X31X42}
從上述分析可知，流動(dòng)式起重?cái)啾凼鹿使灿?
88個(gè)最小割集，其中2階割集(包含2個(gè)底事件
的割集)73個(gè)，占總數(shù)的82．95％ ，3階割集(包
含3個(gè)底事件的割集)15個(gè)， 占總數(shù)的17．05％ 。
將斷臂事故樹的最小割集一一代人結(jié)構(gòu)重要度的
判別計(jì)算式，求出各底事件的結(jié)構(gòu)重要度，其結(jié)
果見表2。
表2 事故樹底事件結(jié)構(gòu)重要度
底事件 結(jié)構(gòu)重要度 底事件 結(jié)構(gòu)重要度 底事件 結(jié)構(gòu)重要度 底事件 結(jié)構(gòu)重要度
X1 1．5 X12、 0．5 X23 0．5 X34 3
X2 1．5 X13 3 X24 O．5 X35 0．5
X3 1．5 X14 0．5 X25 0．5 X36 0．5
X4 1．5 X15 0．5 X26 0．5 X37 4．166
)(5 2 X16 0．5 X27 0．5 X38 4．166
X6 2 X17 0．5 X28 0．5 X39 4．166
X7 2 X18 0．5 X29 5．662 X40 4．166
X8 3 X19 0．5 X30 2．331 X41 4．166
X9 9 X20 O．5 X31 2．331 X42 4．166
X1O 0．5 X21 0．5 X32 0．666 X43 3
X11 3 X22 0．5 X33 3 X44 3
— 92 一 《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2014(4)
根據(jù)以上分析，各底事件重要度排序?yàn)?
X9>)(29>X37=X38=X39：X40=X41=x42
>X8=X11=X13=X33=X34=X43=X44>X30=
X31>X5=X6=X7 >X1=X2 =X3 =X4>X1O=
Xl2=X14=X15=X16=X17=X18=X19=X20=
x21=X22=x23=X24=)(25=x26=x27=x28=
X35：X36
3 事故樹的定量分析
定量分析的主要任務(wù)是通過底事件發(fā)生概率
計(jì)算出系統(tǒng)頂上事件發(fā)生概率和關(guān)鍵重要度等。
頂上事件發(fā)生的概率比較直觀地反映出系統(tǒng)的可
靠性，以它為依據(jù)，綜合考慮系統(tǒng)事故的危害程
度，與預(yù)定值比較，如果超過預(yù)定值，則需采用
相關(guān)措施改善系統(tǒng)安全。關(guān)鍵重要度為系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)
源評(píng)價(jià)提供了參考價(jià)值。
1)頂上事件發(fā)生的概率
求解頂上事件發(fā)生的概率方法有多種，本文
采用首項(xiàng)近似法求解，則頂上事件概率
Ⅳ
g(q)=Σ1-I q
r 1 XiEG
式中：Ⅳ為系統(tǒng)最小割集數(shù)，R為最小割集序
數(shù)，g 為第i個(gè)底事件發(fā)生概率，X ∈G，為第i個(gè)
底事件屬于第r個(gè)最小割集。
則液壓汽車起重機(jī)斷臂事故頂上事件發(fā)生概
率表達(dá)式為
g(g)=qlg5+g1g6+q1q7+??g29g31g41+
q29q31 q42
查閱相關(guān)文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)資料，得到各底事件發(fā)
生概率，見表3。
表3 底事件發(fā)生概率
事件 發(fā)生概率 事件 發(fā)生概率 事件 發(fā)生概率 事件 發(fā)生概率
X1 0．00o 3 Xl2 O．oo0 2 X23 0．000 1 X34 0．001 5
X2 0．000 1 X13 0．0o0 7 X24 O．0o0 15 X35 0．O00 8
X3 0．000 1 X14 0．0o0 1 X25 O．Ooo 15 X36 0．O00 015
X4 O．O00 1 X15 0．0o0 2 X26 0．000 05 X37 0．O00 02
)【5 0．Ooo O3 X16 0．O0o 2 X27 O．O00 06 X38 0．Oo0 O5
X6 0．Oo0 03 X17 0．0o0 2 X28 0．0oO 04 X39 0．O0o O2
)【7 O．O00 02 X18 0．0o0 2 X29 0．o03 X40 0．O00 01
X8 O．0o1 X19 O．0oO 2 X3O 0．O00 5 X41 O．000 O2
X9 0．O08 X2O O．0oO 3 X31 O．Ooo 9 X42 0．oo0 oo9
Xl0 0．Ooo 2 X21 O．000 2 X32 0．001 ： X43 0．0o0 2
X11 0．001 5 X22 0．o00 1 X33 O．0o2 X44 O．0o0 3
根據(jù)表3數(shù)據(jù)，算得頂上事件概率
g=4．653 223 3×10 次／d。
2)底事件的關(guān)鍵重要度
衡量底事件主要度指標(biāo)有3種，分別是結(jié)果
重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度。結(jié)構(gòu)重要度
反映事故結(jié)構(gòu)上底事件的位置重要度，概率重要
度反映基本事件概率的增減對(duì)頂上事件發(fā)生概率
的敏感性，不過這兩種重要度都反映不出減少概
率大的底事件的概率要比減少概率小的容易這一
事實(shí)。而關(guān)鍵重要度是用從系統(tǒng)安全的角度考慮，
用基本事件發(fā)生概率的相對(duì)變化率與頂上事件發(fā)
生概率的相對(duì)變化率之比來表示底事件的重要度，
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2014(4)
從敏感性和自身發(fā)生概率大小雙重角度衡量來底
事件的重要程度。關(guān)鍵重要度按下式計(jì)算
)=
按上式，底事件x1的關(guān)鍵重要度為
，。= l。(gs+q +q )= _ ； ； ×
(O．000 03+0．000 03+0．000 02)
= 5．157 8×10一
同理可計(jì)算出底事件)(2～X44的關(guān)鍵重要度，
將按關(guān)鍵重要度大小排序繪制成表4。
一93 —
表4 底事件關(guān)鍵重要度
事件 關(guān)鍵重要度 順序 事件 關(guān)鍵重要度 順序 事件 關(guān)鍵重要度 順序
Xl 5．157 8 X 10一 35 X16 3．438 4×10一 9 X31 6．537 4×10一 43
X2 1．719 3×10一 39 Xl7 3．438 4×10一 10 X32 9．026 0×10一 42
X3 1．719 3 X10一 40 X18 3．438 4 X 10一 11 X33 5．554 5 X10一 22
X4 1．719 3×10— 41 X19 3．438 4×10一 12 X34 4．I58 4 X 10一 24
x5 3．835 0×10一 36 X20 5．157 8×10一 3 X35 5．127 7×10一 4
X6 3．835 0×10一 37 X21 3．438 4 X10一 13 X36 9．670 7×10一 32
X7 2．578 8 X10一 38 X22 1．719 2 x,lO一 16 X37 3．094 6×10一 25
X8 2．772 3×10一 28 )(23 1．719 2×10一 17 X38 7．736 6×10一 20
X9 0．954 17 l X24 2．5789×10一 14 X39 3．0946×10一。 26
X10 3．438 4×10一 5 X25 2．578 9×10一 15 X4o 1．547 3 X10一 30
X11 4．I58 4×10-3 23 X26 8．596 1×10一 19 X41 3． 094 6×10一 27
Xl2 3．438 4×10一 6 X27 1．031 5×10一 18 X42 1．392 6 X 10一 31
Xl3 1．940 6 X10一 29 X28 6．877 0 X 10一 21 X43 5．544 5×10一 34
X14 3．438 4×10一 7 X29 0．568 41 2 X44 8．316 8×10一 33
Xl5 3．438 4 X10一 8 X30 3．736 6×10一 44
根據(jù)關(guān)鍵重要度定義知，底事件關(guān)鍵重要度
越大，其危險(xiǎn)性就越大。在表4中，關(guān)鍵重要度
最大的是吊物超載(X9)，依次是動(dòng)載荷過大
(29)，液壓推桿制動(dòng)器葉輪旋轉(zhuǎn)不靈活(X20)，
粗暴安裝(X35)??即各底事件的危險(xiǎn)性按表4
所示的關(guān)鍵重要度排序逐漸減少。
進(jìn)一步深入分析，將液壓汽車起重機(jī)斷臂事
故底事件因素分為4組：人為因素、與安全裝置
有關(guān)的因素、與液壓元件有關(guān)的因素、其他因素。
其中人為因素包括{X8、X9、XIO、X11、
X12、X13、X29、X35}，這些因素的數(shù)量級(jí)最大
為10～，最小為10～。
與液壓元件有關(guān)的因素包括{X1、X2、X3、
x4、)(5、x6、x7}，這些因素的數(shù)量級(jí)為10一。
與安全裝置有關(guān)的因素包括t X14、X15、X16、
X17、X18 X19、X20 X21、X22 X23、X24、X25 X26
X27、X28、X37、X38、X39、X40、X41、X42}，因素Xl4
一X28關(guān)鍵重要度數(shù)量級(jí)為10～，因素X37～x42
關(guān)鍵重要度數(shù)量級(jí)為10～。
其他因素包括{X30、X31、X32、X33、X34、
X43、X44}，這些因素中最大數(shù)量級(jí)為10～，最
小為10～。由以上分類對(duì)比可知，最危險(xiǎn)的是不
利的人為因素，設(shè)備不利因素比較危險(xiǎn)的是安全
裝置的失效，其次是液壓元件的失效。
4 結(jié)論
通過前面的定性分析和定量分析可知，造成
流動(dòng)式起重機(jī)斷臂事故既有起重機(jī)自身因素又有
～ 94 一
人為不利因素，為防止事故的發(fā)生，必須從人和
起重機(jī)兩方面著手消除不安全因素。根據(jù)底事件
關(guān)鍵重要度，斷臂事故預(yù)防的主要措施為：1)提
高起重機(jī)司機(jī)的安全操作意識(shí)和技術(shù)，確保起重
機(jī)作業(yè)時(shí)無嚴(yán)重超載、違規(guī)等現(xiàn)象；2)建立健全
安全管理規(guī)章制度，統(tǒng)一管理；3)起重機(jī)必須安
裝安全保護(hù)裝置，并制定定期檢查計(jì)劃；4)加強(qiáng)
對(duì)液壓元件的維修保養(yǎng)力度，保證其安全可靠度；
5)起重機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、安裝過程中應(yīng)按相關(guān)標(biāo)
準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行。
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作 者：胡石勇
地 址：武漢工程大學(xué)流芳校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院
郵 編：430205
收稿Et期：2013—04—18
《起重運(yùn)輸機(jī)械》 2014(4)

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