автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Обоснование безопасной эксплуатации портальных кранов на основе теории риска

На правах рукописи

005003207

ВЕРЕТЕННИКОВ Евгений Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКА

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

-1 ДЕК 2011

Москва-2011

005003207

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор, академик

Академии проблем качества РФ и Украинской академии нодьемпо-трапенортиых машин Леонова Ольга Владимировна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Иван Андреевич Волков

кандида т технических наук, доцент Белов Пик-юр Александрович

Ведущая организации: ФБОУ В ПО «Санкт-Петербургский

государственный университет водных коммуникаций» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится «12» декабря 2011 года в /3_ часов в аудитории 336 на заседании диссертационного совета Д223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская наб., д. 2, кор. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «МГАВТ», на сайтах www.vak.ed.gov.TU и www.msawt.ru.

Автореферат разослан «11» ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Корчагин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. После вступления в силу технического регламента «О безопасности машин и оборудования» изменились требования к технической и эксплуатационной документации, появилась необходимость в разработке нового документа по обоснованию безопасности машин и механизмов, который должен явиться аналогом европейского технического файла («Technical file») или файла истории продукции («Design Dossier») и включать оценку риска наряду со сведениями из конструкторской, эксплуатационной, технологической документации. В соответствии с последними требованиями оценку риска эксплуатации машин и механизмов должны проводить при конструировании, производстве и на всех стадиях эксплуатации.

Вопросы оценки риска затронуты во многих зарубежных стандартах (британские стандарты, европейские нормы, стандарты США, Голландии и др.). В российских нормативных документах вопросы оценки риска рассмотрены в руководствах по анализу риска для опасных производственных объектов газодобывающих и газотранспортных предприятий, оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах, в стандартах МЧС по определению расчетных величин пожарного риска, стандартах по менеджменту риска.

Данная работа выполнена в развитие направления по обеспечению безопасности эксплуатации портовой подъемно-транспортной техники и посвящена вопросам оценки риска эксплуатации одного из её видов - портальных кранов. Результаты проведенных исследований позволяют выполнять комплексную оценку вероятности безотказной работы всех элементов портального крана и давать наиболее полную оценку уровня технического риска в целях обоснования безопасной эксплуатации. Тема приобретает особую актуальность, учитывая техническое состояние портового оборудования, срок службы которого близок к завершению, что требует оценки остаточного ресурса и прогнозирования риска его эксплуатации.

Целью работы является разработка научно-обоснованной инженерной методики оценки риска эксплуатации портального крана на основе использования логико-вероятностных методов расчета и расчетно-экспериментальных методов оценки надежности его элементов.

Объектом исследования являются портальные краны, представленные в виде иерархической системы и схематизированные в виде несущих элементов металлоконструкции, приводов механизмов и элементов электрооборудования.

Методы исследований. При обосновании безопасной эксплуатации портальных кранов использована техническая концепция анализа риска, в основе которой лежит анализ относительных частот появления аварий, причин возникновения дефектов и способ определения их вероятностей, основанный на изучении напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкции, механизмов портальных кранов и использовании статистических данных об отказах. Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции использовались метод конечных элементов и тензометрические испытания.

Научная новизна заключается в следующих достижениях, выносимых на защиту:

1. Разработана методика оценки риска эксплуатации портальных кранов, представляющая кран в виде иерархической системы и использующая логико-вероятностные и расчетно-экспериментальные методы оценки.

2. Построен алгоритм количественной оценки риска эксплуатации портальных кранов, находящихся на всех стадиях эксплуатации.

3. Предложена расчетно-экспериментальная модель оценки риска эксплуатации металлоконструкции, имеющей эксплуатационные дефекты.

4. Усовершенствована методика оценки нагруженности металлоконструкции портальных кранов конечно-элементными методами и разработан алгоритм создания стержневых, пластинчатых и комбинированных конечно-элементных

моделей в программной среде АРМ \VinMachine с практическими рекомендациями к применению.

5. Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов металлоконструкции пяти типов портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн при различных положениях поворотных элементов крана, что позволяет оценивать их напряженно-деформированное состояние при различных вариантах работ.

6. Построены и проанализированы деревья неисправностей (деревья отказов) металлоконструкции, электрооборудования и механической части приводов, позволяющие с использованием логико-вероятностных методов составить обоснование безопасности портальных кранов.

Практическая ценность работы, заключается в следующем:

1. Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов модели четырех портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн (комбинированные модели портальных кранов Ганц 5/6-30 типЕ, Альбрехт 10/20-32/16 и стержневые модели кранов Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21), а также модели типовых элементов с эксплуатационными дефектами при различных положениях поворотных элементов крана для разных схем механизации с использованием различных методов отрисовки, что позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние конструкции при различных вариантах работ и формировать спектр нагруженности при различных схемах механизации.

2. Построены типовые деревья неисправностей металлоконструкции, электрооборудования, механической части привода портального крана для применения при оценке риска эксплуатации различных моделей кранов.

3. Разработаны предложения для составления методических рекомендаций по созданию конечно-элементных моделей портальных кранов.

4. Выполнена оценка риска эксплуатации механизма поворота портального

крана Альбатрос 10/20-32/16 на основе данных об интенсивности отказов и данных

тензометрирования для выходного вала редуктора

5

5. Выполнена оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16, составлены предложения к обоснованию безопасности.

Достоверность результатов работы.

Проводимые исследования базируются на широко опробированных, имеющих практическое использование методах имитационного моделирования и теории риска. Для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния используется лицензионный программный комплекс АРМ WinMachine V 9.7. Полученные результаты подтверждены экспериментальными данными по нагруженности. Результаты расчетных оценок риска эксплуатации не противоречат имеющимся справочным данным.

Внедрение результатов работы. Предложенная методика оценки риска эксплуатации портальных кранов получила внедрение в расчетную практику ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» и экспертно-аналитического центра по подъемным сооружениям ОАО «Газпром». Также внедрены в практику работы по усилению металлоконструкции кранов на основе конечно-элементных моделей, позволяющие снизить уровень концентрации напряжений и повысить живучесть конструкции. В настоящее время предложенные варианты ремонта проверяются в эксплуатационных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы и ее различных разделов были доложены на: Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы" (г. Москва 2006-2011 гг.); 1Х-ом и ХШ-ом форумах «Современные компьютерные технологии проектирования в области машиностроения и строительства» (г. Королев, 2007 г.; г. Сергиев-Посад, 2011 г.); Международной научно-технической конференциии «Интерстроймех-2008», (г.Владимир, 2008г.); 11-ой Всероссийской конференции «Подъемно-транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады», (г.Москва, 2008г.); Всероссийских конкурсах молодежных проектов и программ научно-технического творчества

6

молодёжи НТТМ-2008, НТТМ-2009, (г.Москва, 2008, 2009 гг.); 5-ой специализированной выставке подъемно-транспортного оборудования «Кранэкспо» (г. Москва, 2010 г.); Конференции-выставке на тему: «Интеграция научных разработок в бизнес-сферу и развитие малого предпринимательства на базе вузов» (г. Москва, 2010г.); Межвузовской научно-практической конференции студентов И аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); II международном конгрессе «Моделирование нелинейных процессов и систем», Московский государственный университет технологий «СТАНКИН» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных и 3 рукописные работы, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и трёх приложений, изложена на 182 страницах. Основной текст диссертации изложен на 154 страницах и включает 54 рисунка, 22 таблицы, список использованных источников в количестве 86 наименований, в том числе 15 зарубежных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении проведено обоснование актуальности решаемой задачи, установлена цель исследования, сформулированы методы и объект исследования, отмечены основные положения и практическая ценность работы.

В первой главе приведена классификация и характеристика видов риска, проведён обзор существующих методов анализа риска технических объектов. Проанализированы нормативные документы, регламентирующие принципы проведения и процедуры анализа риска, рассмотрены методы идентификации опасностей и оценки риска в зарубежных и отечественных стандартах, представленных в общей характеристике данной работы. На основании проанализированных источников определены основные методы оценки риска.

В основу теоретических исследований по оценке риска легли работы Акимова В.А., Волкова И.А., Гражданина А.И., Елохина А.Н, Козлина A.M., Лапина В.Л., Лесных В.В., Новикова В.Д., Попова В.М., Радаева H.H. и др. Проведенный анализ показывает, что существующие методики оценки риска не позволяют напрямую решать практические задачи по обоснованию безопасной эксплуатации портовой перегрузочной техники. Сделан вывод, что решение задачи количественной оценки риска эксплуатации портальных кранов на современном уровне возможно с использованием методов оценки риска, базирующихся на вероятностным методе и логико-вероятностных подходах с применением дерева неисправностей и физико-механических методов оценки риска, учитывающих данные по отказам элементов крана и напряженно-деформированное состояние металлоконструкции с эксплуатационными дефектами.

Во второй главе произведен анализ информационных бюллетеней и экспертных заключений Ростехнадзора, проанализированы и обобщены причины аварийности и травматизма, произошедшие за последние 20 лет при эксплуатации портальных кранов, а также приведен обзор материалов по дефектам металлоконструкций, приводов механизмов, электрооборудования портальных кранов Ганц 5/6-30 типЕ, Альбрехт 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21, Альбатрос 10/20-32/16.

Установлено, что хотя большая часть случаев аварийности и травматизма для портальных кранов вызвана эксплуатационно-организационными причинами в виде неправильных приемов строповки, нахождения людей в опасной зоне и проведения работ при действии недопустимых ветровых нагрузках, достаточно высоким остаётся уровень аварийности по эксплуатационно-техническими, производственными и конструктивными причинам (17%), которые учитываются при оценке риска.

В третьей главе представлены теоретические выкладки по разработке комплексной методики оценки риска для обоснования безопасной эксплуатации портальных кранов с применением логико-вероятностных методов расчета и

расчетно-экспериментальных методов для исследования напряженно-деформированного состояния участков металлоконструкции, имеющих эксплуатационные дефекты в виде усталостных трещин, деформаций, коррозионные повреждения, а также оценки надежности работы механизмов и электрооборудования. Комплексную оценку риска эксплуатации портального крана предлагается проводить количественным или качественным методами.

Качественная оценка риска эксплуатации позволяет определить возможные последствия отказов элементов крана и оценить эффективность решений, направленных на улучшение конструкции и соблюдение правил эксплуатации. Этапами качественной оценки риска являются: представление портального крана в виде системы элементов; присвоение кода; составление таблиц основных видов отказов и причин их появления; проведение ранжирования отказов и назначение баллов. Качественная оценка проводится в бальной системе и не дает

количественного значения риска.

Количественную оценку риска проводят на основании оценки вероятности возникновения аварии статистической обработкой данных об отказах. Однако, как показывают проведенные исследования, для портальных кранов далеко не всегда удается найти такую статистическую информацию. В связи с этим, автором разработан комбинированный метод оценки риска, включающий кроме статистической обработки данных, расчётно-экспериментальный метод построения зависимостей для отдельных узлов и деталей, связывающих вероятность

безотказной работы со временем эксплуатации.

Портальный кран представляется в виде модели технической системы, состоящей из следующих элементов: металлоконструкции, электрооборудования, механизмов крана. Оценка риска проводится методом дерева неисправностей (дерева отказов), который основывается на информации об исходных событиях (отказах элементов механизмов и электрооборудования, и напряженно-деформированных состояниях несущих элементов металлоконструкции). Главное дерево неисправностей портального крана в общем виде представлено на рисунке 1,

где используются следующие обозначения: Е - вершина событий - аварийный случай, возникший в ходе эксплуатации по причине отказа элементов электрооборудования, приводов механизмов или металлоконструкции (полный отказ системы); Э, П, М - входящие события - аварийные случаи, возникшие при отказе соответственно электрооборудования, привода механизма, элементов металлоконструкции портального крана. События Э, П, М соединены логическим оператором «или», т.е. главное событие Е может произойти при наступлении любого из событий.

На начальном этапе оценки риска выявляются все источники опасности (идентификация опасностей). Вершина событий последовательно расширяется для каждого логического оператора (структурного элемента) таким образом, чтобы на нижнем уровне схемы находились элементарные исходные события

Л "или" (т) М-П(1-ро

Рисунок 1 - Главное дерево неисправностей портального крана (в общем виде)

После чего составляется алгоритм сочетаний различных случайных событий, способных привести к аварийной ситуации. Не попавшие в алгоритм элементарные исходные события далее не рассматриваются. В зависимости от условий работы,

10

типа портального крана, конструктивных особенностей, данных о проведенных ремонтах и модернизации, дерево неисправностей корректируется для получения

более качественных результатов.

В соответствии с рисунком 1 риск аварии портального крана, вызванного отказами элементов или группы элементов металлоконструкции, приводов механизмов, электрооборудования, определяется по формулам:

е£(о=1-о-Ям(0) • о -0пс» (1-е,(0); и)

еи(г)=1-(1-р.Ц1(0)-0-/,.«с))-0-л«(0)х . (2)

х (1 - Лм (0) • (1 - РМ5 (')) • (1 - Ри6 (0) • (1 - Рм1 (0) '

а, (0=1-0- е„(0) • о - ед,„„ <о> • о - а*, (о); (3)

еэ (о=1-о- (0) • о - (0) • о - е*. е» (4)

где ¡ЭД0 - вероятность отказа элементов или группы элементов;

/;(0- вероятность безотказной работы элементов или группы элементов.

Далее аналогичные зависимости составляются для каждой структурной ветви (М, П, Э). Для примера рассмотрим ветвь электрооборудования механизма поворота, где Эпов - аварийный отказ. Промежуточными событиями являются: Э2 -отсутствие возможности остановить механизм; е5 - нахождение рабочих и транспортных средств в зоне работы портального крана, еб - отказ контактора тормоза, е7 - отказ реле реверсивного поворота, Э11 - не сработало аварийное выключение силовой линии, еЗ - отказ блока аварийного выключения, е4 -человеческий фактор, вызванный тем, что машинист крана не включил аварийное

выключение в случае аварийной ситуации. Тогда:

еэ~(О = &5-0м(О (5)

0э2 с>=о ■- ) ■■ о ■-е,,"'"'') ■■ а.. (о (6)

0е 11 (0 = (1 - ) • 0,4 - определяется в другой ветви дерева; (7) где ¿„-интенсивности исходных событий е,.

Следующим этапом является составление информационной таблицей с данными по видам оборудования, типам отказов, интенсивностям отказов и

11

вероятностям наступления случайных событий, которые определяются либо по статистическим данным, либо с применением физико-механических методов.

Последние из указанных методов предполагают построение зависимостей вероятности безотказной работы (Р, %) от величины дефекта (а), а также зависимости величины дефекта (а) от времени развития (t). Данные зависимости использованы для оценки безопасной эксплуатации металлоконструкции при заданной наработке и при прогнозировании безопасной эксплуатации крана. Как отмечалось выше исходной информацией для построения указанных зависимостей являются данные о напряженно-деформированном состоянии участков конструкции с эксплуатационными дефектами, что оценивается расчетным или экспериментальным путем. Расчетный путь оценки напряженного состояния подробно описан в главе 4.

В четвертой главе изложены результаты расчётной оценки нагруженности металлоконструкции портальных кранов и основных несущих элементов. Сформулированы принципы создания стержневых и комбинированных моделей портальных кранов, представлены основные достоинства и недостатки методов. Составлен алгоритм работы с конечно-элементными моделями портальных кранов и участками металлоконструкции при работе в программной среде АРМ Win Machine, содержащий рекомендации по использованию моделей, способы приложения нагрузок и характер представления результатов. Созданы и рассчитаны конечно-элементные модели металлоконструкции портальных кранов Ганц 5/6-30 тип Е, Альбрехт 10/20-32-16, Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21 (таблица 1), для различных вариантов технологических схем и с учетом различных комбинаций внешних нагрузок; всего построено 20 конечно-элементных моделей металлоконструкции четырёх различных типов портальных кранов, из них 18 стержневых моделей и 2 комбинированные. Установлено, что для элементов стреловой системы нагруженность зависит от вылета стрелы, а не от варианта работ, а для элементов портала - определяющим является угол положения стрелы относительно крановых путей.

Расчётный

Расчётный

случаи: максимальный вылет стрелы, ориентация стрелы под углом 90° к крановым путям, приложен максимальный вес груза с учётом

динамической составляющей

случаи: минимальный вылет стрелы, под углом 45° к крановым путям, приложен максимальный вес груза + ветровая нагрузка

Таблица 1 - Пример стержневых моделей портального крана Ганц 16/27,5-33/21

Проведён детальный анализ напряжённо-деформированного состояния участков металлоконструкции наиболее подверженных эксплуатационным дефектам для портальных кранов Альбрехт 10/20-32/16, Альбатрос 10/20-32/16 (рисунок 2), Ганц 16/27,5-33/21. В работе произведено сравнение значений результатов тензометрических испытаний элементов металлоконструкции кранов Альбатрос 10/20-32/16 и Ганц 16/27,5-33/21, с результатами расчета моделей участков при схожих условиях нагружений. Расхождение результатов не превысило 10%.

Рисунок 2 - Пример карты напряженного состояния пластинчатой конечно-

элементной модели кронштейнов крепления стрелы крана Альбатрос 10/20-32/16

13

В пятой главе дан пример количественной оценки риска портального крана, Альбатрос 10/20-32/16 зав. №9905, экспл. №ПАЛ 57, 1978 гл., принадлежащего ОАО «Северный речной порт» для обоснования безопасности.

Исходные данные для оценки риска: данные экспертизы промышленной безопасности; данные по наработкам на отказ элементов электрооборудования и механизмов крана; данные тензометрических испытаний выходного вала редуктора; данные напряженно-деформированного состояния металлоконструкции.

Математическая модель оценки риска реализована в расчетной программной среде MathCAD vi 5. Для чего построено и оптимизировано главное дерево неисправностей применительно к портальному крану Альбатрос 10/20-32/16. На нижнем уровне которого элементарные события представлялись в виде значений вероятности наступления исходных событий или надежности элементов. Вероятность наступления аварийного события электрооборудования и механической части привода оценивалась при помощи формул классической вероятности как комбинация совместных и несовместных событий. Данные интенсивностей отказов электрооборудования и механизмов были взяты из работ Бесекерского В.А., Кузнецова С.Е., Лемина Л.А., Панасенко H.H., Соляника Б.Л., Ястребецкого М.А. и др.

Для группы элементов механизмов, статистическая информация по отказам которых отсутствует, проводилась оценка вероятности отказа расчетно-экспериментальным методом для элемента, наиболее подверженного разрушению. Для рассчитываемого крана был выбран выходной вал редуктора механизма поворота. Экспериментальные данные напряженно-деформированного состояния вала получены из результатов тензометрирования и приведены на рисунке 3.

5 сек

Рисунок 3 - Осцилограммы крутящего момента на валах левого (JI) и правого (П) вертикальных редукторов

Оценка риска отказа участков металлоконструкции проводилась с использованием методов Monte Carlo, основанного на статистическом моделировании случайных величин, и анализа риска отказов с использованием модели «нагрузка-прочность».

Вероятность безотказной работы элементов металлоконструкции в зависимости от величин дефектов определялись из аналитических зависимостей, построенных для основных дефектов металлоконструкции, а именно: деформационных и коррозионных повреждений. Пример зависимости вероятности безотказной работы от глубины коррозии для корня стрелы приведен на рисунке 4.

м

2 1

l| 0.S

О 4.33 1.7 13.03 17.4 21.7526.1 30.45 34.1 39.15 43.3 47.(5 52-2 56.55 60.9 651569.6 73.95 78.3(2.65 ¡7

Глубина коррозии, %

Рисунок 4 - Зависимость вероятности безотказной работы от глубины

коррозии для корня стрелы портального крана Альбатрос 10/20-32/16

Для портального крана Альбатрос 10/20-32/16 1978 г.в., принадлежащего ОАО «Северный речной порт» получена величина риска аварии 8,38«10"5. Данное значение не превышает рекомендуемое значение технического риска аварий портальных кранов (2*10"4), что является обоснованием дальнейшей безопасной эксплуатации рассматриваемого портального крана.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам проведенных работ следует отметить следующее:

1. Разработана методика оценки риска эксплуатации портальных кранов с применением логико-вероятностных методов расчета и расчетно-экспериментальных методов.

2. Построен алгоритм количественной оценки риска портальных кранов на основе представления портального крана в виде многоуровневой иерархической системы, отказы элементов которых подчиняются нормальному и экспоненциальному закону распределения.

3. Созданы и рассчитаны методом конечных элементов комбинированные модели металлоконструкции портальных кранов Ганц 5/6-30 тип Е, Альбрехт 10/2032-16 и стержневые модели металлоконструкции портальных кранов Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21 для различных вариантов технологических схем и с учетом различных комбинаций внешних нагрузок.

4. Проведён детальный анализ напряжённо-деформированного состояния участков металлоконструкции, имеющих эксплуатационные дефекты, для портальных кранов Альбрехт 10/20-32/16, Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,533/21. Анализ создавался на основании пластинчатых элементов и созданных впервые моделей из воМ-элементов.

5. Произведены сопоставления результатов расчета метода конечных элементов моделей трещиноопасных элементов металлоконструкции с тензометрическими данными, расхождение результатов составило не более 10%;

6. Составлен алгоритм работы с конечно-элементными моделями портальных кранов и с участками металлоконструкции при работе в программной среде АРМ Win Machine.

7. Построены и проанализированы деревья неисправностей (деревья отказов) металлоконструкции, электрооборудования и механической части приводов, позволяющие с использованием логико-вероятностных методов выполнить обоснование безопасности портальных кранов.

8. В результате анализа информационных бюллетеней и экспертных заключений Ростехнадзора, проанализированы и обобщены причины аварийности и травматизма, произошедшие за последние 20 лет при эксплуатации портальных кранов. В ходе анализа установлено, что 17% общего числа аварий портальных кранов вызваны эксплуатационно-техническими, производственными и конструктивными причинами.

9. Произведена оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16, эксплуатируемого ОАО «Северный речной порт», получили значение 8,38*10"5, что не превышает рекомендуемое значение технического риска аварий портальных кранов (2«10"4).

Основные положения работы изложены в следующих источниках:

1. Власов C.B., Алявдин Г.И., Данилов O.A., Коснырев П.Н., Веретенников Е.Г., Усенко A.B. «Современные технологии систематизации данных о состоянии подъемных сооружений» // Газовая промышленность- Москва, 2010- №5 - С. 8890;

2. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Анализ случаев аварийности и травматизма при эксплуатации портальных кранов» // Речной транспорт (XXI век). -2010,- №5,- С. 72-74;

3. Леонова О.В., Веретенников Е.Г., Смирнова A.C. «Обоснование безопасной эксплуатации портальных кранов» // Речной транспорт (XXI век).- 2011- №4,- С. 78-81;

4. Веретенников Е.Г., Юхимчук Е.Ю., O.B. Леонова «Подготовка и оптимизация 3D модели портального крана Ganz 5/6-30 для расчета методом конечных элементов» // тезисы докладов десятой Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы». - М.: Альтаир-МГАВТ, 2006,-С. 12-13;

5. Веретенников Е.Г. «Оценка напряжено-деформированного состояния портальных кранов Ganz 5/6-30 и Альбрехт 10 с целью выявления трещиноопсных участков и разработке технологи их ремонта» // тезисы докладов одиннадцатой Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы»,- М„ МИИТ, 2007,- С. 25-26;

6. Леонова О.В., Веретенников Е.Г., «Проведение оценки риска аварий портальных кранов» // тезисы докладов двенадцатой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы»,- М., МГСУ, 2008 - С. 23-24;

7. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Расчет трехмерных моделей портальных кранов при помощи метода конечных элементов, специфика работы с моделями» // сборник докладов и сообщений Уральского подъемно-транспортного конгресса-Екатеринбург, 2008-С. 154-157;

8. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Ремонт трещиноопасных участков портальных кранов с использованием конечно-элементных моделей»// тезисы докладов Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2008»,- Владимир, 2008 - С. 262-265;

9. Веретенников Е.Г., Федоров К.И. «Решение задачи по модернизации базовых трехмерных моделей портальных кранов для различных условий эксплуатации»// тезисы докладов тринадцатой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых

18

ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы».- М., МАДИ, 2009 - С. 117-118;

10. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Применение стержневых конечно-элементных моделей портальных кранов с целью оценки влияния сейсмического воздействия на металлоконструкцию»// тезисы докладов четырнадцатой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы».- М., МГТУ, 2010-С. 22-23;

11. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Повышение безопасности эксплуатации портальных кранов на основе конечно-элементных моделей»// материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России».- Санкт-Петербург, СПГУВК, 2010.- С. 23-25;

12. Леонова О.В., Веретенников Е.Г., Смирнова A.C. «Основные этапы оценки риска электрооборудования, на примере механизма поворота портального крана Альбатрос»// тезисы докладов пятнадцатой Московской международной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы».-М.: Альтаир-МГАВТ, 2011-С. 139-140;

13. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Применение логико-графических методов для оценки риска безопасной эксплуатации портальных кранов»// сборник тезисов II международного конгресса «Моделирование нелинейных процессов и систем». - Москва, 2011.—С. 113-114;

14. Леонова О.В., Веретенников Е.Г. «Обоснование безопасности портальных кранов на основе оценки риска» // тезисы докладов Международной научно-технической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ-2011»- г. Гомель, Беларусь, 2011.- С. 117-120.

Веретенников Евгений Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОРТАЛЬНЫХ КРАНОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ РИСКА

Подписано в печать 07.11.2011 Формат 60x90/16. Объем 1,25 п. л. Заказ №000177 Тираж 65 экз.

Профессиональный копировальный центр «КОПИМАСТЕР» Москва, Калужская пл., 1. Тел.: (495) 229-56-62

Введение

1 Анализ существующих методов обоснования безопасности подъёмно-транспортных машин и моделей оценки риска

1.1 Обзор литературы и публикаций по обоснованию безопасности подъёмно-транспортных машин

1.2 Обзор нормативно-технической документации по оценке риска 17 Выводы по разделу и постановка задачи для исследования

2 Анализ аварийности, травматизма и основных дефектов при эксплуатации портальных кранов

2.1 Анализ аварийности и травматизма при эксплуатации портальных кранов

2.2 Анализ эксплуатационных дефектов портальных кранов

2.2.1 Анализ эксплуатационных дефектов металлоконструкции портальных кранов

2.2.2 Анализ эксплуатационных дефектов приводов механизмов и электрооборудования портальных кранов

Выводы по разделу

3 Разработка методики оценки риска эксплуатации портальных кранов

3.1 Общие положения

3.2 Модель качественного метода оценки риска

3.3 Модель количественного метода оценки риска

3.3.1 Общие положения

3.3.2 Оценка риска эксплуатации механизмов крана

3.3.3 Оценка риска эксплуатации электрооборудования

3.3.4 Модель оценки риска эксплуатации металлоконструкции портального крана

3.3.5 Оценка риска эксплуатации портального крана

3.3.6 Выбор метода и алгоритм оценки риска

Выводы по разделу

4 Исследование нагруженности металлоконструкции расчетными методами

4.1 Основные положения

4.2 Создание расчетных конечно-элементных моделей

4.2.1 Выбор моделей для исследования

4.2.2 Этапы создания расчетных конечно-элементных моделей

4.3 Расчетные режимы работы и задание нагрузок

4.3.1 Расчетные режимы работы

4.3.2 Задание статических нагрузок

4.3.3 Задание ветровых нагрузок

4.4 Результаты оценки напряжённо-деформированного состояния металлоконструкции портальных кранов

4.4.1 Результаты расчета конечно-элементных моделей

4.4.2 Оценка достоверности результатов расчета

4.5 Алгоритм работы с конечно-элементными моделями портальных кранов и участков металлоконструкции

4.5.1 Общие положения

4.5.2 Рекомендации по созданию и использованию моделей

Актуальность исследования. После вступления в силу технического регламента «О безопасности машин и оборудования» изменились требования к технической и эксплуатационной документации, появилась необходимость в разработке нового документа по обоснованию безопасности машин и механизмов, который должен явиться аналогом европейского технического файла («Technical file») или файла истории продукции («Design Dossier») и включать оценку риска наряду со сведениями из конструкторской, эксплуатационной, технологической документации. В соответствии с последними требованиями оценку риска эксплуатации машин и механизмов должны проводить при конструировании, производстве и на всех стадиях эксплуатации.

Вопросы оценки риска затронуты во многих зарубежных стандартах (британские стандарты, европейские нормы, стандарты США, Голландии и др.). В российских нормативных документах вопросы оценки риска рассмотрены в руководствах по анализу риска для опасных производственных объектов газодобывающих и газотранспортных предприятий, оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах, в стандартах МЧС по определению расчетных величин пожарного риска, стандартах по менеджменту риска.

Данная работа выполнена в развитие направления по обеспечению безопасности эксплуатации портовой подъемно-транспортной техники и посвящена вопросам оценки риска эксплуатации одного из её видов - портальных кранов. Результаты проведенных исследований позволяют выполнять комплексную оценку вероятности безотказной работы всех элементов портального крана и давать наиболее полную оценку уровня технического риска в целях обоснования безопасной эксплуатации. Тема приобретает особую актуальность, учитывая техническое состояние портового оборудования, срок службы которого близок к завершению, что требует оценки остаточного ресурса и прогнозирования риска его эксплуатации.

Целью работы является разработка научно-обоснованной инженерной методики оценки риска эксплуатации портального крана на основе использования логико-вероятностных методов расчета и расчетно-экспериментальных методов оценки надежности его элементов.

Объектом исследования являются портальные краны, представленные в виде иерархической системы и схематизированные в виде несущих элементов металлоконструкции, приводов механизмов и элементов электрооборудования.

Методы исследований. При обосновании безопасной эксплуатации портальных кранов использована техническая концепция анализа риска, в основе которой лежит анализ относительных частот появления аварий, причин возникновения дефектов и способ определения их вероятностей, основанный на изучении напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкции, механизмов портальных кранов и использовании статистических данных об отказах. Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции использовались метод конечных элементов и тензометрические испытания.

Научная новизна заключается в следующих достижениях, выносимых на защиту:

1. Разработана методика оценки риска эксплуатации портальных кранов, представляющая кран в виде иерархической системы и использующая логико-вероятностные и расчетно-экспериментальные методы оценки.

2. Построен алгоритм количественной оценки риска эксплуатации портальных кранов, находящихся на всех стадиях эксплуатации.

3. Предложена расчетно-экспериментальная модель оценки риска эксплуатации металлоконструкции, имеющей эксплуатационные дефекты.

4. Усовершенствована методика оценки нагруженности металлоконструкции портальных кранов конечно-элементными методами и разработан алгоритм создания стержневых, пластинчатых и комбинированных конечно-элементных моделей в программной среде АРМ \У1пМасЫпе с практическими рекомендациями к применению.

5. Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов металлоконструкции пяти типов портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн при различных положениях поворотных элементов крана, что позволяет оценивать их напряженно-деформированное состояние при различных вариантах работ.

6. Построены и проанализированы деревья неисправностей (деревья отказов) металлоконструкции, электрооборудования и механической части приводов, позволяющие с использованием логико-вероятностных методов составить обоснование безопасности портальных кранов.

Практическая ценность работы, заключается в следующем:

1. Созданы и рассчитаны при помощи метода конечных элементов модели четырех портальных кранов грузоподъемностью от 5 до 32 тонн (комбинированные модели портальных кранов Ганц 5/6-30 типЕ, Альбрехт 10/20-32/16 и стержневые модели кранов Альбатрос 10/20-32/16, Ганц 16/27,5-33/21), а также модели типовых элементов с эксплуатационными дефектами при различных положениях поворотных элементов крана для разных схем механизации с использованием различных методов отрисовки, что позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние конструкции при различных вариантах работ и формировать спектр нагруженности при различных схемах механизации.

2. Построены типовые деревья неисправностей металлоконструкции, электрооборудования, механической части привода портального крана для применения при оценке риска эксплуатации различных моделей кранов.

3. Разработаны предложения для составления методических рекомендаций по созданию конечно-элементных моделей портальных кранов.

4. Выполнена оценка риска эксплуатации механизма поворота портального крана Альбатрос 10/20-32/16 на основе данных об интенсивности отказов и данных тензометрирования для выходного вала редуктора 7

5. Выполнена оценка риска эксплуатации портального крана Альбатрос 10/20-32/16, составлены предложения к обоснованию безопасности.

Достоверность результатов работы.

Проводимые исследования базируются на широко опробированных, имеющих практическое использование методах имитационного моделирования и теории риска. Для конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния используется лицензионный программный комплекс АРМ ^тМасЫпе V 9.7. Полученные результаты подтверждены экспериментальными данными по нагруженности. Результаты расчетных оценок риска эксплуатации не противоречат имеющимся справочным данным.

Внедрение результатов работы. Предложенная методика оценки риска эксплуатации портальных кранов получила внедрение в расчетную практику ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» и экспертно-аналитического центра по подъемным сооружениям ОАО «Газпром». Также внедрены в практику работы по усилению металлоконструкции кранов на основе конечно-элементных моделей, позволяющие снизить уровень концентрации напряжений и повысить живучесть конструкции. В настоящее время предложенные варианты ремонта проверяются в эксплуатационных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы и ее различных разделов были доложены на: Московских международных межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных "Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы" (г. Москва 2006-2011 гг.); ГХ-ом и ХШ-ом форумах

Современные компьютерные технологии проектирования в области машиностроения и строительства» (г. Королев, 2007 г.; г. Сергиев-Посад, 2011 г.);

Международной научно-технической конференциии «Интерстроймех-2008», г.Владимир, 2008г.); 11-ой Всероссийской конференции «Подъемно-транспортная техника, внутризаводской транспорт, склады», (г.Москва, 2008г.); Всероссийских конкурсах молодежных проектов и программ научно-технического творчества 8 молодёжи НТТМ-2008, НТТМ-2009, (г.Москва, 2008, 2009 гг.); 5-ой специализированной выставке подъемно-транспортного оборудования «Кранэкспо» (г. Москва, 2010 г.); Конференции-выставке на тему: «Интеграция научных разработок в бизнес-сферу и развитие малого предпринимательства на базе вузов» (г. Москва, 2010г.); Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); II международном конгрессе «Моделирование нелинейных процессов и систем», Московский государственный университет технологий «СТАНКИН» (г. Москва, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных и 3 рукописные работы, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и трёх приложений, изложена на 182 страницах. Основной текст диссертации изложен на 154 страницах и включает 54 рисунка, 22 таблицы, список использованных источников в количестве 86 наименований, в том числе 15 зарубежных.