автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Оценка безопасности эксплуатации кранов мостового типа

овочеркасский государственный технический университет

На правах рукописи

' С:'.'« С ' ^¡^^

Котельников

Владимир Семенович

ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ СПЛУАТАЦИИ КРАНОВ МОСТОВОГО ТИПА

Специальность 05.05.05 - Подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническок

Научные руководители:

♦ Доктор технических наук, доцент, академик МАНЭБ Короткий А. А.

♦ Кшщидагтеишческихнаук, доцент Полежаев ВТ.

Официальные оппоненты:

♦ Доктор технических наук, 1фофессор, член-корр. МАНЭБ, член-корр. Ака,в мии проблем качества Орлов А.Н.

♦ Доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ Панасенко Н.Н.

Ведущее предприятие:

Акционерное общество открытого типа «ВНИИПТМАШ» 109387 г.Москва, Люблинская ул., 42

Защита состоится «/<Р » 1998 г. в часов на засед]

нии диссертационного совета К 063.30.11 в Новочеркасском государстве ном техническом университете по адресу: 346300 г. Новочеркасск, Росте ской обл., ул. Просвещения, 132

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новочеркасске государственного технического университета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.30.11

университете.

В.Д.Ерейск

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях спада промышленного производ-таа весьма актуальной становится проблема обеспечения безопасности ксплуатации подъемных сооружений. Проблема существенно осложняет-я из-за следующих факторов:

1. Парк подъемных сооружений значительно постарел, например, 0% грузоподъемных кранов и подъемников, 60% лифтов, 85% подвесных анашых дорог выработали нормативный срок службы.

2.У владельцев отсутствуют финансовые возможности для обновле-ия парка подъемных сооружений, их модернизации и замены изношенных злов.

3.Уровень технического обслуживания и квалификация обслужи-ающего персонала низкие.

: целом это приводит к тому, что, несмотря на непрерывное снижение бъемов промышленного производства, число аварий и несчастных случа-» на подъемных сооружениях не снижается, а в некоторых случаях даже озрастает. Производственный травматизм на подъемных сооружениях за-имает в настоящее время третье место после угольной и горнорудной от-аслей.

Взаимоотношения государства и предприятий в последнее время из-енились коренным образом. Рыночные отношения вторглись и в систему ромышленной безопасности, в том числе, подъемных сооружений. Для беспечения Государственного регулирования в области промышленной езопасности приняты законы: "О промышленной безопасности потенци-иьно опасных объектов", "О страховании от несчастных случаев на про-зводстве и профессиональных заболеваний", "Основы законодательства оссийской Федерации об охране труда". В порядке реализации принятых исонодательных актов и постановлений Правительства, а также для уси-¡шш ответственности разработчиков, владельцев и обслуживающего пер-)нала подъемных сооружений Госгортехнадзором России разработан ряд овых Правил устройства и безопасной эксплуатации по типам подъемных юружений.

Наряду с этим организовано массовое экспертное обследование эдъемных сооружений, отработавших нормативный срок службы, с цело определения возможности дальнейшей эксплуатации. Эту работу вы-элняют специализированные организации, имеющие особые разрешения ицензии). Зачастую заключения готовятся только на основе экспертных денок без достаточной математической обработки результатов, что во ногах случаях приводит к необъективной оценке безопасности объектов, ля создания таких методов и возникла необходимость найти меру коли-;ственной оценки уровня безопасности подъемных сооружений, которая

могла бы дать представление владельцу о величине риска аварий пр! дальнейшей эксплуатации. Эта оценка должна выполняться на основанш вероятностных данных о нагружении, анализа выявленных дефектов щн обследовании и соответственно о возможности дальнейшей эксплуатацш данного объекта. Располагая достаточно убедительной оценкой, владели может принимать обоснованное решение о дальнейшей эксплуатации объ екта с определенной степенью риска.

В диссертации эти вопросы решены применительно к мостовым кра

нам.

Вопросами оценки и прогнозирования технического состояния меха нических систем занимались выдающиеся ученые. Среди них В.В.Болотин, К.В.Фролов, Ю.Н.Работнов, С.В.Серенсен, В.П.Когаев И.А.Махутов, и др. Безопасность подъемных сооружений рассматривалас] в работах- М.М.Гохберга, А.А.Зарецкого, С.А.Казака, В.И.Брауде

A.В.Вершинского, М.Н.Хальфина, В.И.Бережинского, А.Н.Орлова Н.Н.Панасенко, С.А.Соколова, Ю.Г. Матвиенко, А.А.Короткого

B.И.Сероштана, А.М.Маковского, В.Г.Полежаева и др.

Несмотря на большой объем исследований, до сих пор отсутствовал! работы по обоснованию безопасности подъемных сооружений, как нахо дящихся в эксплуатации, так и вновь проектируемых с учетом риска. Ком плекс исследований, выполненный автором, позволил восполнить сущест вующий пробел и разработать ряд конкретных аналитических предложе шш для оценки безопасности кранов мостового типа, в том числе отрабо тавших нормативный срок службы.

Цель диссертации: Повышение безопасности эксплуатации крано; мостового типа на основе проведения риск-анализа и оценки вероятносп безаварийной работы.

Идея работы: Идея состоит в разработке методов комплексной оцен ки уровня безопасности кранов мостового типа (как проектируемых, так ] находящихся в эксплуатации) по значениям риска аварии и индексу безо пасности с учетом вероятностных характеристик нагрузок и свойств мате риалов их металлоконструкций.

Методы исследования: В диссертационной работе ислользоваш методы теории надежности и вероятности, статистического анализа на груженности и риск - анализа технических систем для разработки (алгс ритмов) решения задач безопасности кранов мостового типа. В теоретиче ских исследованиях использовались прикладные аспекты теории рискоь катастроф, технической диагностики и строительной механики. При прс ведении экспериментов в лабораторных исследованиях и промышленны испытаниях применялись методы тензометрирования.

Научные положения, выносимые па защиту

1. Методы выявления источников опасности для кранов мостовог типа и определения их характеристик с учетом статистических данных п аварийности и производственному травматизму.

2. Методы оценки безопасности по значению риска аварийных отка-ов металлоконструкций кранов мостового типа с учетом вероятностного нализа коэффициентов запаса прочности, в пределах расчета по допус-аемым напряжениям и по предельным состояниям.

3. Методы оценки безопасности по значению риска аварийных отка-ов металлоконструкций кранов, учитывающие вероятностные свойства [агрузок и сопротивлений конструкционных материалов..

4;: Методики испытаний в условиях производства для измерения па-»аметров силового взаимодействия мостовых кранов с рельсовыми путями [ напряженно-деформированного состояния металлоконструкций козло-ых кранов.

' 5. Метод оценки индекса безопасности металлоконструкций, классифицированный для различного рода экономических и социальных требований по безопасности, предъявляемый обществом к кранам мостового тша.

Достоверноёть научных положений и выводов диссертационной работы

»беспечивается накопленным опытом научных исследований и проектиро-ания кранов, использованием апробированных в различных отраслях ¡ашиностроения предпосылок и методов теорий вероятностей, надежно-та, математической статистики, риск-анализа, строительной механики и (ииамики машин.

Научная новизна. Полученные результаты обобщают и дополняют »течественный и зарубежный опыт по риск-анализу безопасности металло-:онструкций подъемных сооружений применительно к кранам мостового чипа.

При этом впервые:

1. Идентифицированы источники опасности для кранов мостового

una.

2. Установлены зависимости рисков аварий металлоконструкций ранов мостового типа от значений обобщенного коэффициента запаса [рочности, определяемого как по средним значениям нагрузок и несущей пособности, так и при дифференцированном анализе материалов и нагру-ок.

3.Исследованы симметричные и асимметричные условия наступле-гия предельных состояний металлоконструкций кранов мостового типа, ¡ереходящих в стадию разрушения.

4. Обобщены научные знания, направленные на вычисление вероят-юстей аварийных отказов металлоконструкций кранов мостового пята на >снове различных стохастических закономерностей и соотношений рас-[етных нагрузок и сопротивлений.

5. Введены классификационные признаки кранов мостового типа по начениям допустимых рисков аварийных разрушений и допустимых ин-(ексов безопасности как комплексных показателей безопасности металло-:онструкций кранов.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в диссертации выводы и рекомендации использованы в нормативной литературе Госгортехнадзора РФ и головных краностроительных институтов. Проведенные исследования и полученные результаты создали предпосылки для разработки новых методов риск-анализа кранов мостового типа и позволили выявить эффективные направления дальнейших научных работ.

Реализация результатов работы. Разработаны и утверждены Госгор-технадзором РФ:

1.Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-14-92).

2. Методические указания по определению остаточного ресурса потенциально опасных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору России (РД 09-102-95).

3. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы (РД 10-112-96) часть 1, часть 2, часть 3, часть 5.

4. Методические указания по комплексному обследованию крановых путей грузоподъемных машин (РД 10-138-97).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты, разработанные в диссертационной работе, докладывались и получили одобрение: на научных советах технического управления Госгортехнадзора России (г.Москва, 1991 - 1997гг.); на Российском научно-техническом семинаре "Проблемы надежности и безопасной эксплуатации крановых металлоконструкций и стальных канатов" (г.Новочеркасск, 1992г.); на Российской научно-практической конференции "Проблемы технической безопасности подъемных сооружений" (г.Новочеркасск, 1994г.); на втором Норвежско-Российском семинаре по безопасности сложных технические систем (Трондхейм, Норвегия, 1994 г.); на научно-практических конференциях "Проблемы надежности и безопасной эксплуатации подъемных сооружений" (г.Сочи, 1996, 1997гг.); на научно-практической конференции по безопасной эксплуатации объектов котлонадзора, подъемных сооружений и других объектов, подконтрольных Госгортехнадзор> (г.Магнитогорск, 1997г.); на научно-методическом совете по специальности «Подъемно транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» стран СНГ (г.Мариуполь, 1997г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе: «Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов»; справочник в двух томах; 8 руководящие документов Госгортехнадзора России.

Автору принадлежит теоретическое и практическое обобщение результатов, опубликованных в работах в соавторстве и используемых в диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 153 страницах машинописного текста, содержит рисунков 85, таблиц 35, список литературы из 141 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность методов аналитической оценки зопасности эксплуатации для кранов мостового типа, сформулированы :ль и задачи исследования.

В первой главе выполнен анализ методов оценки риска аварийных от-130В кранов мостового типа. Под риск - анализом в диссертации понима-ся процесс идентификации опасности, которая исходит от крана при его сплуатации.

Показано, что безопасность взаимодействия мостового крана с под-юповыми путями и разрушение металлоконструкций козловых кранов яяется одной из наиболее важных характеристик, под которой следует шимать свойство крана не угрожать окружающей среде (либо техниче-:ой инфраструктуре вокруг крана), транспортируемому грузу и обслужи-нощему персоналу.

Грузоподъемные краны составляют 44% от всего парка подъемных со->ужений, а краны мостового типа 39% от всего парка грузоподъемных >анов. Анализ причин производственного травматизма свидетельствует о •м, что 85% неблагоприятных событий происходит из-за неправильных йствий обслуживающего персонала и только 15% из-за технического со-ояния объекта.

Наибольший производственный травматизм (75%) связан с эксплуа-■цией грузоподъемных кранов.

Как видно на рис. 1, незначительное снижение травматизма на грузо-)дъемных кранах происходит на фоне более резкого падения физических )ъемов производства, что обуславливает необходимость предельно вни-1 тельного отношения к оценке безопасности этих объектов.

Наиболее опасными, с точки зрения производствешюго травматизма, ¡ляются портальные и башенные краны. Однако если учесть социальную [ачимость аварии, то наибольший ущерб оказывают мостовые краны, 1ботающие в закрытых цехах с непрерывным технологическим процес-»м.

Лк.1.Двамикатэффи^вт атоа»гылож> трзачаггаош

Для выявления причин аварий на мостовых и козловых кранах про ден анализ и систематизация дефектов, возникающих в процессе их э: плуатации. Установлено, что часть дефектов возникает из-за перекоси (боковых) нагрузок, значения которых превышает проектные более чен 10 раз.

Проведенный анализ аварий на кранах мостового типа в период с 1Í по 1997 гг. (более 300 событий) позволил установить риски этих собьш которые, соответственно, составляют: для мостовых кранов Ю-5, для к ловых кранов 4-10"4, а также идентифицировать опасности этих объект (рис. 2 и 3).

Анализ принимаемых рисков в смежных областях и экономическ последствий от отказов, позволил дифференцировать допустимые рис для кранов мостового типа в зависимости от социальной значимости о( екта и условий его эксплуатации. Допустимый риск для кранов мостовс тапа общего назначения при проектировании несущих элементов метал] конструкций составляет [Q1 - lO^r lO4; для кранов со значительными эконол ческими и социальными последствиями [Q^lO^-s-lO-5; для кранов, обслуя вающих взрывоопасные технологии [Q]=10 5^10-6.

яашпеааЛ юг 1У/.

&:eieíaess!íieE2 lr-яашааяттх 1К

&фохшхзь

иетаядоопсхрутаия Крита

Bqx*rreoca

акжт»

блочной ОК7ТОШ U

обрыва ханэтав

юрмашнокпЕ«

ввтдойствот

rfí1 tzJ

Прскзадпашный

персов« нетосрсдавеяяо

ежсгауввдяей

ПрсвзводспеавыВ

7W

¿Mr

мйлодхтяааэовсай-_сгамдмва

Верогтостъ разрушай кетшогонсфуЕщи крана 8% 1

Всрошостъ разрушат заеыштоа баочвовсвсташи обрымсашо» ^S-HíAí'í ШШМ т.:' >

Вфотюсп. Угона ipamecipcM, другаерревгдьше состоим »

ТО

Праикдавдн

сжапутц*

ПрОЮБОЯПВШ

адоэв&х.

дЛспитрщ

Рис2.11^тфхт^отаюстлмхштю*рзна Идаетфжщспююсжкстхьгхкрсм.

мостовых пгрегружатепей.

Во второй главе приведен риск-анализ безопасности металлоконструкций вранов мостового типа, основанный на изучении соотношений стохастических параметров в вице обобщенных коэффигтиентов запасов прочности, значений несущей способности и расчетного сопротивления.

В результате проведенного по данным нормативно-технической и справочной литературы статистического анализа функции распределения коэффициента запаса прочности по пределу текучести материа-

ла, применяемого при проектировании металлоконструкций кранов мостового типа, определено его среднее значение К3= 1.8, среднеквад-

ратическое отклонение °гк1 - 0.2 и наиболее часто употребляемое значение К3= 1.5. Доверительный интервал К3 (с вероятностью 0,95) равен: 1.4 < К3 < 2.2.

Получено аналитическое выражение для определения вероятности безаварийной работы - ВБР (безопасности) металлоконструкций кранов по исчерпанию коэффициента запаса прочности, определенному по среднему значению нагрузок и несущей способности в виде:

Р = 0.5 + Ф[(К3 , (1)

где Ф(I) - функция Лапласа;

- соответственно, коэффициенты вариации по нагрузке Я и несущей способности К.

а) Р р 6) На графике рис. 4

показана зависимость вероятностного коэффициента запаса прочности металлоконструкции крана из стали

С\ 3 от безопасности и риска аварии, из которого видно, что при К3~1.8 риск аварии крана составляет Ш3 и практически не уменьшается с ростом К3

1,4 1,5 1,6

Рис.4.3ависимоап> безапхнсспы (а) ирчекааверш (б)мтюшонвтрукцш><ра"а апверстшюстю-агаш-спшх}<оао>юэффи^т1этжпгртнптги

Учет статистических свойств материалов и нагрузок позволяет определять коэффициент запаса прочности К3 в виде произведения двух сомножителей, из которых первый Ки учитывает изменчивость механических свойств материала и второй /Сн учитывает изменчивость нагрузок.. Значения этих коэффициентов определяются следующими формулами:

Км=Кр/Кн; Кн=8р/5н, (2)

где Яр -нижний предел сопротивления, Бр - наименее вероятное высокое значение нагрузки, 11н и 5н нормативные значения сопротивлений и напряжений от нормативных нагрузок.

к3 = т[(1 - +12®3)] / [(1 - + (3)

где т - коэффициент условий работы; ¡¡(¡=1...,..,4) - квантили нормированного нормального закона распределения, соответствующие риску пользователя (т.е. число стандартов, укладывающихся между максимальным и средним значениями).

Таким образом, коэффициент запаса позволяет учесть изменчивость нагрузок и сопротивлений с определенным риском, задаваемым на основании опыта. В целом же, значения коэффициента запаса прочности в приложении к развитию традиционного метода расчета по допускаемым напряжениям (МДН) имеют практическое значение при повторяющихся предсказуемых эксплуатационных нагрузках.

Распределения редких событий, которыми характеризуются аварии кранов мостового типа, хорошо описываются пуассоновскими законами в виде:

Выражение (4) позволяет установить зависимость коэффициента запаса прочности К3 от нормативного риска [б], срока службы крана Т и определить для него расчетную нагрузку с учетом степени ответственности металлоконструкции крана и его элементов, а также статистические характеристики нагрузок (напряжений) и сопротивлений (несущей способности).

То, что выражение пуассоновского типа однопараметрическое, делает его удобным для расчетов на эксплуатационные нагрузки в сочетании с редкими экстремальными воздействиями, когда исходной информации недостаточно, т.е. выборки статистических данных имеют малый объем. Однако предложенное выражение не учитывает предысторию, т.е. вероятность наступления события за время Ти не зависит от того, когда было любое предшествующее событие, поэтому при расчетах, с учетом редких экстремальных воздействий, например, сейсмических, учитывается лишь интенсивность событий, т.е. число событий за срок службы крана.

Анализ аварий кранов мостового типа и результатов экспериментальных исследований работы их металлоконструкций показывает, что процессы наступления предельных состояний с последующим переходом в стадию разрушения не носят диссоционного характера. Это означает, что в состоянии предельного равновесия не все геометрические Р/ и механические Рм параметры конструкций достигают своего экстремального значения, а накопленная потенциальная энергия -максимума.

Таким образом, детерминированный метод анализа условий наступления предельных состояний конструкций приводит к результату, который не согласуется с опытными данными. Это вызвано тем, что

а» д/о^ТоТ7,

(4)

на стадиях проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации конструкций уровни предельных состояний геометрических и механических параметров рассогласовываются. Существенное влияние в этом плане оказывают также процессы старения и накопления повреждений, которые развиваются во времени неоднозначно, так как имеют различную физико-химическую природу. Все вместе взятое обусловливает необходимость использования расчетного аппарата теории риска, который дает возможность определить более точные значения геометрических и механических характеристик параметров металлоконструкций кранов.

В вероятностной постановке условия наступления предельного состояния описывается следующим выражением:

Р[Х5 <(й+Ъа3)]>Р[Хр >(Я-Ъак)]^ (5) где Хх, Хк - случайные величины, являющиеся аналогами детерминированных параметров 5тах и неравенства теории предельных состояний.

Следует отметить, что Х$ и Хк взаимно независимы, поэтому их вероятности не изменяются от того, произошло или нет одно из двух событий. Иными словами, предельный внутренний потенциал сопротивления металлоконструкций формируется в зависимости от расчетных нагрузок и воздействий, характеристика, величина и схема приложения которых регламентированы на стадии проектирования соответствующими физико-математическими моделями. В физическом состоянии металлоконструкции обладают внутренним потенциалом сопротивления, детерминированное предельное значение которого изменяется только за счет процессов старения и накопления повреждений.

Исходя из теоремы умножения событий (для симметричной задачи) получим риск аварии в развернутом виде:

>(3+Ъст8)МР[Хк<(к-Ъак)]=

Т е^Дг^й^Т(6)

Щ сгк4Ъг I Ътя

Предельное неравенство асимметричного решения может быть записано в следующем виде:

X* = - Х <; ) =

= {Р[Хя<(К~(кал)]-Р[Х,>(8 + ^сг5;/}<0, (7)

где Х0 подчиняется нормальному закону распределения. Числовые характеристики распределения Х0 определяются с помощью известных

формул: = о0 = у[а1+(Т2£ .

дящеговразруиениа

Рис.5 иллюстрирует формулу (7), откуда следует, что асимметрия предельного неравенства определяется координатами точки пересечения кривых f(R} и f(S). Так как в точке пересечения кривых к плотности распределения вероятностей равны, то представляется возможным записать следующую систему двух уравнений:

1) исходя из равенства плотностей распределения вероятностей для/(Я) и J(S) в точке к:

1 (XK-S)2 1 (XK-R? ~ехР~ ,2 - = —ехр-у К ; (8)

ex s 2 crs cyR 2CT R

2) исходя из равенства абсциссы для t{R) и t(S) в точке к:

(R-tRaR) = (S+tsas)_ (9)

Совместное решение уравнений (8) и (9) определяет расчетные значения параметров îR и ts необходимых для вычисления риска аварий кранов.

Исчерпание предельного состояния, за которым кран перестает соответствовать требованиям безопасности, как известно из метода расчета по предельным состояниям (МПС), может быть двух видов: 1 группа предельных состояний - полная потеря пригодности к эксплуа-

тации (либо переход в изменяемую систему); 2 группа - предельные состояния, затрудняющие нормальные условия эксплуатации крана.

Решая уравнение предельного состояния, для случая, когда Я и 8 имеют нормальное распределение, получим выражение индекса безопасности в виде:

(А-Л-й)

(10)

Р-

<Тк+СГу

где А - параметры поперечного сечения элемента.

С учетом допускаемой вероятности аварийного отказа [£>], индекс безопасности будет:

На основе полученных математических выражений 1,3,6,7,11, предложены зависимости вычисления вероятности аварийных отказов в виде:

1. «Нагрузка-прочность»:

^ =[Ф(51вк)-Ф(50)]-[Ф(^)-Ф(^11)]. (12)

1 г® | / 1 уда / ' \

/ 1 \ / ' \ область / ' \ / ! \

/ 1 дом У 1 \

/ ! \у 1 \

/ 1 "к Л 1 V

' / ш

5 I*/ ^лах 8 -

Решение (12) является частным, и может быть использовано на практике для аналитического

установления предельного аварийного состояния.

Рис.6. Огрвдеяениериска авари&юго ппкта в виде: «Нарружнфпчноспы)

0 0 0 ю 5 ® (1Т>

0 0 о

Риск аварийного отказа, определяемый выражением (13), является произведением двух функций одного аргумента Б и представляет

собой формулу полной вероятности. В выражении (13) разграничены два источника неопределенности, имеющие различную природу и различные методы их учета. Функция /¡¡(Б) отражает неопределенности нагрузок и соответствует вероятности Р того, что нагрузка 5 примет некоторое значение 5тах. Функция Ря (3) отражает неопределенности несущей способности системы и соответствует функции распределения сопротивления К при его значении, равном Ятах, т.е. значение функции РГ<(Б) есть условная вероятность того, что в системе при этой нагрузке (Ятах) произойдег авария.

Из выражения (13) видно, что причины, вызывающие опасность, разрушения могут быть связаны как с внутренним напряженно-деформированным состоянием, отражающим, в том числе, и качество изготовления металлоконструкции и являющимся ее реакцией на внешние силовые воздействия, так и с процессами, зависящими только от качества материалов металлоконструкции, либо ее деградации в процессе эксплуатации.

2. На основе исследования резерва прочности:

где V7 ~ ^ ~ £ - случайная величина резерва прочности (рис.7).

Из этого графика видно, что ВБР зависит от V и а¥ : чем больше V и чем меньше сг ¥ , тем больше ВБР. Следовательно, для увеличения

о

(14)

ГЙ1

ВБР необходимо: во-первых, обеспечивать меньшую

степень

действующей

несущей

рассеяния нагрузки и способности

материала; во-вторых (что менее предпочтительно), следует обеспечить большее значение разности между математическим ожиданием несущей способности К и математическим ожиданием

Ф действующей нагрузки 5.

О

I

- н

Рис.7. Графтпистюашриаракжшя рехреагрочиоат.

3. На основе закона Пуассона:

б(1) = 1 - 6(0, Лт) = 1 - ехр(-Лг)

(15)

Вероятность 0(1> возникновения хотя бы одной аварии

представляет оценку риска аварий на объекте в период и

Значение вероятности аварий (2 (N. Яг ) и риска возможной аварии О?1* для числа N<5 приведены на рис.8

Всрштюагь стшвл и (ливиркуа О сшрштатвэитсшостит

парспшзгра Яг

4. С учетом повреждений:

()(М,Лт) = Щ£-ехр(-ХТ) =

г=п А/

= 1 - ехр(-ХТ)[\ + ЯТ + Л'% + ..М*Т)г-у(т _ Ху]

■ (16)

- сг

где л - средняя скорость нарастания повреждения.

При г~1 выражение (16) соответствует плотности экспоненциального распределения (мгновенный выход крана из строя при однократном повреждении).

5. По условию безопасности для / - го элемента металлоконструкции:

Ж > [Ш],

(М< [ ОЦ. (17)

По результатам анализа условия безопасности (17) можег быть принято одно из решений, представленных в табл. 1.

Таблица 1

Оценка Признак Категория .. ^ОШМИ* ' , , Количественные Рекомендации

Отличное Отсутствуют Невероятные Параметры Дефектов ш < М Эксплуатация без ограничений

Хорошее Необходимое условие создания аварийной ситуации Отказ с малыми последствиям &>№/щ< [т] Риск при эксплуатации а *>(*>< 101 Профилактический ремонт *

Удовлетворительное Необходимое и достаточное условие создания аварийной ситуации Критичный (возможны разрушения, угроза жизни объекта) 5>>/Л</ и, > ¡т] <2х><*>>[01 Капитальный ремонт согласно графика ППР *

Неудовлетворительное Необходимое и достаточное условие аварии Катастрофический (потеря объекта) &>№/«,>/я,У Эксплуатация запрещена, ремонт немедленно

* Кроме рекомендации проведения ремонта возможен перевод крана в более легкий режим с уменьшением его грузоподъемности и рабочих скоростей.

В третьей главе приведены результаты исследования нагруженно-сти кранов мостового типа в производственных условиях с применением тензометрирования.

Анализ статистических данных по дефектам металлоконструкций мостовых кранов дал основание предположить, что при движении крана возникают нагрузки, значение которых превышают величины, учитываемые в расчетах.

Эту задачу можно рассмотреть с точки зрения оценки вероятности превышения перекосной нагрузки при взаимодействии крана со зданием, в котором он эксплуатируется. Эксперимент проводился в цехе ТСЦ 3 Таганрогского металлургического завода после его восстановления от последствий аварии, происшедшей в 1995 г. в три этапа:

(.Геодезическая оценка состояния подкрановых путей.

2.Статисшческий анализ дефектов металлоконструкций кранов за время эксплуатации кранов.

3.Тензометрические исследования напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кранов.

Геодезическая съемка включала в себя построение планово-высотной съемки с установлением величин поперечных и продольных уклонов, изкенения колеи кранового пути, а также замер величин зазоров, взаимного смещения торцов и разности отметок головок рельсов. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики и анализировались.

Статистический анализ дефектов(П-ой этап) проводился на мостовых кранов, установленных в этом же цехе. Наиболее часто дефекты появляются в концевых балках (52%) и в местах установки компенсаторов (13%), что свидетельствует о возникновении перекосных нагрузок, значения которых существенно выше учитываемых в расчетах.

Завершающим этапом экспериментальных работ является замер напряженно-деформированного состояния наиболее нагруженных узлов (узлов с дефектами) и фактическое определение боковых сил.

Результаты расшифровки осциллограмм свидетельствуют о том, что фактические напряжения (96 МПа) превышают расчетные (58 МПа) при всех возможных сочетаниях, а перекосные нагрузки при взаимодействии колеса с рельсом превышают допустимые более чем в 10 раз.

Анализ статистических данных по дефектам металлоконструкций козловых кранов ККС-10 свидетельствует о том, что в их элементах возникают деформации (напряжения) превышающие расчетные. Сказанное позволяет предположить, что при вполне нормальной эксплуатации крана возникают экстремальные нагрузки. Поскольку повреждения возможны в узлах крепления жесткой опоры к пролетному строению, было проведено экспериментальное определение фактических напряжений в элементах металлоконструкций этой опоры.

В результате проведенного эксперимента и расшифровки осциллограмм от действия перекосных нагрузок, возникающих при передвижении крана и от веса поднимаемого груза, определены максимальные и минимальные напряжения, возникающие в исследуемых элементах металлоконструкции. Напряжения в соответствующих элементах при эксперименте превышали расчетные значения более чем на 30%, что способствует преждевременному возникновению дефектов в виде усталостных трещин.

Аварии козловых кранов и мостовых нсрефужачелей наиболее часто наблюдаются в экстремальных условиях эксплуатации (порывы ветра, попадание посторонних предметов под ходовые колеса либо в открытую зубчатую передачу механизма передвижения и т.д.). На первый взгляд причина аварии кроется в установлении факта имеющегося

Рбзульташ расчета вероятности превышения перекосной нагрузки (бокового давления колеса крана на рельс) при движении крана в ТСЦ 3 по путам до и после ремонта представлены на рис.9.

<°~" т1 ¡сраашр&ясдоипосжршмт рсшшвонути.

Рис.9. Хрхыг пяягпоат раареднюая боковою дшктякозха

нарушения. Например: авария на заводе «Красный Аксай» г.Ростов; авария на Белгородском заводе энергетического машиностроения г.Белгород. Однако, внимательное изучение происшедших аварий свидетельствует о том, что неблагоприятные события связаны со снижением несущей способности металлоконструкций крана в целом либо в возникновении нагрузок выше проектных.

Ослабление противоугонных захватов на одной из опор крана, а также заклинивание ходовых колес на одной из опор не может быть первопричиной аварии. Налицо наличие дефектов металлоконструкций крана, снижающих ее несущую способность. Поэтому в процессе обследования крана необходимо достоверно оценивать несущую способность элементов металлоконструкции, в том числе на экстремальные нагрузки с учетом обнаруженных дефектов.

В четвертой главе разработаны рекомендации по проектированию кранов мостового типа с заданным уровнем безопасности.

Безопасность несущей металлоконструкции крана при эксплуатационном нагружении определяется соотношением между внешней нагрузкой 5, внутренним сопротивлением Я (пределом текучести) и вероятностью (риском) их проявления.

В связи с большим практическим значением условия (17), рассмотрим все необходимые зависимости для проектирования связи индекса безопасности от вероятности аварии крана на основе модели "нагрузка-прочность" и ее модификациях.

Соотношение между индексом безопасности и вероятностью аварийного отказа (риском) металлоконструкций кранов мостового типа приведены в табл. 2.

' Таблица 2.

Зависимость коэффициента безопасности от значения риска

р <2=ф (-/?) <2 /г=-ф-ч<2)

0 0.5 0.5 0

1 1.587 • ии 10-1 1.282

2 2.275 10-2 10-2 2.327

3 13501си 1(н 3.091

4 3.169-ю5 1(и 3.179

5 2.871-1 (и 10-5 4.265

6 9.901-10-1° 10й 4.753

7 1.288- ии2 10-7 5.199

8 6.285- 10-м 10« " 5.612

9 1.145-мн» 10* 5.997

10 7.770- 10м 10-1» 6.361

Определение безопасности кранового сооружения методами тео-ии риска предполагает наличие требований по заданию допускаемой ероятности аварии [О] или индекса безопасности.

Задача назначения уровня безопасности является по своей сути оциальной задачей оптимизации, неблагоприятны как слишком вы-окая, так и слишком ограниченная безопасность, - в первом случае :з-за больших материальных затрат, а во втором - из-за частых случав повреждений и отсазов крановых сооружений. Поэтому необходи-го стремиться не к наибольшей, а к оптимальной безопасности, к ровгао, приемлемому для общества. В этой области отсутствует дос-аточный опыт и не сформулированы какие-либо обязательные усло-ия.

Предлагается определять оптимальные параметры Я и Л' выраже-иями:

р' _ . = т5+а1/3

озволяющими назначать детерминистические нормы с учетом уровней езопасности () = Ф(- р ).

Для кранов мостового типа, в зависимости от последствий аварии, еличина [(¿] должна определяться значениями, приведенными в табл.3.

Таблица 3

Допустимый риск для металлоконструкций кранов мостового типа

Число людей (персонала) годвергающихся опасности Величина [0]

При экономических последствиях При социальных последствиях

ограниченных средних больших

Малое (<5) 10-з КН 10-'

Среднее (5-10) 1(Н 10-5 К>о

Большое (>10) 10* 10* 10-7

В зависимости от возможного характера разрушения металлоконст-укций крана - вязкого, в результате перегрузок несущей структуры, ихоть до исчерпания несущей способности, или хрупкого - в результате акопления усталостных повреждений, как правило, для кранов, отрабо-шших свой ресурс (срок службы) при интенсивном, выше паспортного, гжиме эксплуатации, близком к номинальному, индекс безопасности ре-эмендуется принимать по табл.4.

Таблица*

Допустимый ивдекс безопасности металлоконструкций кранов мостового типа в зависимости от характера вероятного разрушения

Последствие аварии металлоконструкций крана [р\при разрушении

вязком хрупком

Не тяжелые 2.5-3.0 3.0-3.5

Тяжелые 3.0-3.5 >4.0

В тех случаях, когда используется представление о подъемном сс оружешш с позиций классов безопасности, что предложено для опасны технологий, индекс безопасности назначается в зависимости от предельш го состояния металлоконструкций крана (табл.5).

Таблица;

Допустимый индекс безопасности металлоконструкций кранов мостовоп типа в зависимости от наступления предельных состояний

Предельные состояния металлоконструкций крана \/3\ при классе безопасности

1 2 3

По возможности дальнейшей эксплуатации 2.5 3.0 3.5

По потере несущей способности 4.2 4.7 5.2

Чтобы избежать прямого применения сложных теоретических меяп дов риск - анализа при проектировании кранов, в настоящей работе пре, ложено её косвенное использование, при котором проектировщику остаё ся проверить недопустимость аварийных разрушений в обычной форл расчета с частными коэффициентами, используя при этом, с одной стор< ны, вероятностно-статистические свойства материалов металлоконстру] ций крапов (сталей), с другой - вероятностные коэффициенты запаса про1 ности металлоконструкций кранов, либо допустимые вероятности авари (риск аварий [<2]) или допустимые индексы безопасности р.

Заключение. В диссертационной работе выполнено теоретическ< обобщение и решена научная задача, имеющая важное народнохозяйс венное и социальное значение, заключающаяся в разработке методе оценки безопасности при эксплуатации кранов мостового типа параме рами риска и индексами безопасности. Для обоснования и решения даннс

здачи проведены теоретические и экспериментальные исследования на ранах мостового типа, проанализированы статистические данные по ава-иям и травматизму производственного персонала на кранах в период с 391 по 1997 гг. в России.

Результаты выполненных научных исследований позволили получить яд выводов и практических результатов.

1. Анализ аварийности и производственного травматизма на грузо-одъемных кранах свидетельствует о высоком уровне риска при эксплуа-1ции кранов мостового типа. Наиболее опасны краны с истекшим сроком тужбы, численность которых составляет не менее 80% (170.000) от общего исла кранов мостового типа. Идентификация рисков по эксплуатации остовых и козловых кранов, проведенная с учетом аварийных статисти-сских событий, позволила установить допустимые значения рисков: для ранов мостового типа общего назначения рекомендовано принимать при родлении срока службы несущих элементов металлоконструкций ()/=1(У3 ^ НУ4', для кранов со значительными экономическими и социаль-ыми последствиями - Ю]~1(У + 105\ для кранов обслуживающих взрыво-гтасные технологии, кранов АЭС, кранов для транспортировки радиаци-гшых и ядерных материалов [(2]=Ю5 -:- 1(У6.

2.Предложен метод оценки риска аварий металлоконструкций кранов о исчерпанию коэффициента запаса прочности, определенному с учетом гроятных значений нагрузок и несущей способности, а также получена шисимость пуассоновского типа для коэффициента запаса прочности от ормативного риска и срока службы крана.

3. Разработан метод оценки безопасности по величине риска аварий еталлоконструкций учитывающий детерминированные условия предель-ых состояний при симметричных и асимметричных процессах их реали-щии. Разработаны алгоритмы вычисления вероятности аварийных отказе металлоконструкций кранов: «нагрузка-прочность»; на основе иссле-эвания резерва прочности; однопараметрическая зависимость на основе жона Пуассона; с учетом повреждений; по условию безопасности.

4. Экспериментально установлено, что при эксплуатации мостовых ранов в производственных цехах из-за дефектов крановых путей и ходо-ж части кранов возникают боковые, превышающие расчетные значения элсе чем в 10 раз. Предложен метод расчета величины риска взаимодей-гвия кранового колеса с рельсом. Установлена зависимость изменения иска от вероятностных значений боковой нагрузки. Тензометрические ис-юдования напряженного состояния металлоконструкций козловых кра-ов выявили условия эксплуатации, когда рабочие напряжения, вызванные сстремальными нагрузками (порывы ветра, попадание посторонних редметов в механизмы передвижения и др.) значительно (более чем на )%) превышают расчетные. Риск аварийного отказа при этом на порядок ревосходит допустимое значение (10 3).

5. Установлена зависимость индекса безопасности металлоконструк ции кранов мостового типа, учитывающая вероятностный характер насту пления одного из предельных состояний. Показано, что индекс безопасно ста характеризуется вероятностью распределения действующих на кра] нагрузок и несущей способности материала металлоконструкции крана учетом изменения геометрических параметров и механических характери стик ее элементов. Для практического пользования предложены графиче екая зависимость, классификационные признаки и соотношения между ин дексом безопасности и вероятностью аварийного отказа металлоконст рукций кранов мостового типа.

Публикации по теме диссертационной работы:

1. Котельников B.C., Шишков H.A., Антонов Ю.В. и др. Правила уст ройстаа и безопасной эксплуатацией грузоподъемных кранов. ПБ-10-14-92 М., НПО ОБТ, 1993,239с.

2. Котельников B.C., Шишков H.A., Липатов A.C. и др. Правила уст ройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов в вопроса: и ответах. М„ НПО ОБТ, 1995, 406с.

3. Малов Е.А., Котельников B.C., Патапов H.A. и др. Методически указания по определению остаточного ресурса потенциально опасны, объектов, поднадзорных Госгортехнадзору России. РД 09-102-95. 14с.

4. Котельников B.C., Жуков В.Г., Невзоров Л.А. и др. Методически указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроко! службы. Часть 1. Общие положения. РД 10-112-96.30с.

5. Справочник по техническому обслуживанию, ремонту и диагно стированию грузоподъемных кранов. Том 1//Котельников B.C., Шишко] H.A., Липатов A.C. и др. М„ ПИО ОБТ, 1996,392с.

6. Справочник по техническому обслуживанию, ремонту и диагно стированию грузоподъемных кранов. Том 2//Котельников B.C., Шишко] H.A., Липатов A.C. и др. М., ПИО ОБТ, 1996,408с.

7. Короткий A.A., Симонов Д.Н., Котельников B.C., Липатов А.С Количественная оценка безопасности системы "кран-подкрановьи путь'7/Безопасность труда в промышленности.-1996.-№ 10.-С.27-31.

8. Короткий A.A., Симонов Д.Н., Котельников B.C., Липатов А.С Оценка безопасной эксплуатации системы "кран-рельсовый путь" пара метрами риска//Безопасность труда в промышленности.-1997-№ 3.-С.25-27.

9. Абрамович И.И., Жуков В.Г., Котельников B.C. и др. Методиче ские указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сро ком службы. Часть 5. Краны мостовые и козловые. РД 10-112-5-97, 54с.

10. Анисимов B.C., Зарецкий A.A., Котельников B.C. и др. Методиче ские указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сро ком службы. Часть 2. Краны стреловые самоходные общего назначения РД 10-112-2-97, 92с.

11. Галетин В.М., Котельников B.C., Невзоров JI.A. и др. Методические указания по обследованию грузоподъемных машин с истекшим сроком службы. Часть 3. Башенные, стреловые несамоходные и мачтовые краны, краны лесопогрузочные. РД 10-112-3-97. 76с.

12. Котельников B.C., Жуков В.Г., Банных Г.М. и др. Комплексное обследование крановых путей грузоподъемных машин. Часть 1. Общие положения. РД 10-138-97. 38с.

13. Котельников B.C., Короткий A.A., Жуков В.Г. и др. Инструкция по оценке технического состояния болтовых и заклепочных соединений грузоподъемных кранов. РД 10-197-98. 29с.

14. Котельников B.C. Модель риска аварии металлоконструкций кра-яов по исчерпанию их коэффициента запаса прочности//Сборник статей и сообщений научно-практической конференции по безопасности подъемного сооружения в г.Сочи, 1998, с.27.

15. Котельников B.C., Симонов Д.Н. Оценка и прогнозирование безо-lacHoro срока службы металлоконструкций грузоподъемных кра-тов//Сборник статей и сообщений научно-практической конференции по зезопасности подъемных сооружений в г.Сочи, 1998, с.68.

16. Котельников B.C., Зарецкий A.A., Аяисимов B.C. Остаточный ре-;урс грузоподъемных кранов//Безопасность труда в промышленности -[998-№ 2.-C.2-5.