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基于ATA的流動式起重機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武漢工程大學機電工程學院 2中國特種設備檢測研究院		點擊數：	更新時間： 2021年09月17日
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基于ATA的流動式起重機
斷臂事故樹分析與研究 ，
胡石勇 舒安慶 丁克勤 魏化中
1武漢工程大學機電工程學院 武漢430205 2中國特種設備檢測研究院 北京 100013
摘要：應用事故樹分析法對流動式起重機斷臂事故進行了分析，從而為斷臂事故的預測提供了參考。事
故樹分析法邏輯性強，思路清晰，被廣泛應用于系統(tǒng)的故障分析。文中對液壓汽車起重機的斷臂事故進行了定
性分析和定量分析。
關鍵詞：流動式起重機；斷臂事故；事故樹分析法
中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：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 給出風險控制措施。
隨著流動式起重技術的不斷發(fā)展，流動式起
重機在工程實際使用中越來越多，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
大一部分比例。斷臂事故不僅給起重機工作人員
帶來人身傷害，同時造成國民經濟損失，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”運行，一旦超載起吊造成斷臂或吊
臂嚴重變形等事故。
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，它能對各種系
統(tǒng)的危險性進行辨識和評價，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系直觀，思路清晰，
邏輯性強，既可定性分析，又可定量分析 』。本
文運用事故樹分析法對液壓汽車起重機的斷臂事
故進行了定性分析，求出其最小割集和結構重要
度，然后進行定量分析求出其關鍵重要度，從而
確定風險等級最高的因素，并針對這些危險因素
國家級基金項目資助(2011QK297)
一90 —
1 斷臂事故樹的建立
本文在調研大量起重機斷臂事故的基礎上發(fā)
現，造成流動式起重機斷臂事故的主要原因是人
為因素和設備因素，抓住人為和設備這2個因素，
從人一機一環(huán)境的角度出發(fā)考慮，得到造成起重
機斷臂事故4個主要因素：吊臂機械故障、液壓
元件失效、起重臂強度不足和材料因素。以此4
個主要故障因素層層深入分析，得到流動式起重
機的斷臂事件，包括29個中間事件，44個底事
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
《起重運輸機械》 2014(4)
表1 流動起重機折臂事故事件說明
符號 事 件 符號 事 件
M1 吊臂機械故障 X9 吊物超載
M2 液壓元件失效 X10 計算起重機臂強度不足
M3 吊臂墜落 X11 司機誤操作
M4 制動器失靈 X12 選材不當
M5 臂架變形 X13 螺栓沒擰到位
M6 重量限制器失靈 X14 制動器的活動節(jié)被咬死
M7 臂架連接不牢 X15 制動器上的制動瓦鉚釘露出瓦塊
M8 吊臂有擴展裂紋 X16 制動器的主彈簧緊固螺母松退
M9 伸縮液壓缸泄漏 X17 制動器的制動瓦或制動軸過度磨損
M1O 平衡閥故障 X18 竄動制動瓦脫落
M11 起重臂強度不足 X19 制動臂銷軸的卡板損壞
M12 材料因素 X2O 液壓推桿制動器葉輪旋轉不靈活
M13 電氣制動時間過長 X21 接點損壞
M14 零擋轉子電阻偏大 X22 接點燒蝕
Ml5 應力集中 X23 動、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 反接制動時定子調壓晶閘管未導通
M18 臂架受力桿件疲勞破壞 X26 接線端子松動
M19 殘余應力 X27 接觸不良
M20 電路偏差 X28 斷路
M2l 執(zhí)行機構故障 X29 司機操作過急導致動載荷過大
M22 制動器電氣故障 X30 焊接殘余應力 一
M23 螺栓連接松動 x31 安裝殘余應力
M24 螺栓松弛 X32 焊接質量缺陷
．
M25 螺栓斷裂 X33 機械疲勞
M26 屈服變形 X34 制造缺陷
M27 制動器機械故障 X35 粗暴安裝
M28 接觸器輔助接點接觸不良 X36 材料缺陷
M29 抱閘接觸器觸點粘連 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 平衡閥內的單向閥密封不嚴 X42 力矩限制器損壞
X6 主柱塞閥損失密封不嚴 X43 預緊力過大
X7 閥卡住 X44 預緊力不足
X8 螺栓設計強度不足
《起重運輸機械》 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是求出導致系統(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，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改善系統(tǒng)安全
提供相應的對策，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。
本文定性分析的主要任務是計算出事故樹的最小
割集和各底事件的結構重要度。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，每個最小割集是頂上事件發(fā)生的一種可
能，有多少個最小割集，頂上事件發(fā)生的可能性
就有多少種。結構重要度計算就是分析各底事件
對頂上事件發(fā)生的影響程度，事故樹的最小割集
求出后，可根據最小割集判斷各底事件的結構重
要度順序，其判別式為
) 薈，
式中：K 為第r個最小割集，Ⅳ 為底事件
所在的最小割集包含的基本事件個數。
求解最小割集方法有多種，本文運用布爾代
數法求解。運用布爾代數法對事故樹求解，得到
的斷臂事故樹布爾代數結構簡式。
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，流動式起重斷臂事故共有
88個最小割集，其中2階割集(包含2個底事件
的割集)73個，占總數的82．95％ ，3階割集(包
含3個底事件的割集)15個， 占總數的17．05％ 。
將斷臂事故樹的最小割集一一代人結構重要度的
判別計算式，求出各底事件的結構重要度，其結
果見表2。
表2 事故樹底事件結構重要度
底事件 結構重要度 底事件 結構重要度 底事件 結構重要度 底事件 結構重要度
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 《起重運輸機械》 2014(4)
根據以上分析，各底事件重要度排序為
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是通過底事件發(fā)生概率
計算出系統(tǒng)頂上事件發(fā)生概率和關鍵重要度等。
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，綜合考慮系統(tǒng)事故的危害程
度，與預定值比較，如果超過預定值，則需采用
相關措施改善系統(tǒng)安全。關鍵重要度為系統(tǒng)風險
源評價提供了參考價值。
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，R為最小割集序
數，g 為第i個底事件發(fā)生概率，X ∈G，為第i個
底事件屬于第r個最小割集。
則液壓汽車起重機斷臂事故頂上事件發(fā)生概
率表達式為
g(g)=qlg5+g1g6+q1q7+??g29g31g41+
q29q31 q42
查閱相關文獻和統(tǒng)計資料，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
根據表3數據，算得頂上事件概率
g=4．653 223 3×10 次／d。
2)底事件的關鍵重要度
衡量底事件主要度指標有3種，分別是結果
重要度、概率重要度和關鍵重要度。結構重要度
反映事故結構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。而關鍵重要度是用從系統(tǒng)安全的角度考慮，
用基本事件發(fā)生概率的相對變化率與頂上事件發(fā)
生概率的相對變化率之比來表示底事件的重要度，
《起重運輸機械》 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。關鍵重要度按下式計算
)=
按上式，底事件x1的關鍵重要度為
，。= l。(gs+q +q )= _ ； ； ×
(O．000 03+0．000 03+0．000 02)
= 5．157 8×10一
同理可計算出底事件)(2～X44的關鍵重要度，
將按關鍵重要度大小排序繪制成表4。
一93 —
表4 底事件關鍵重要度
事件 關鍵重要度 順序 事件 關鍵重要度 順序 事件 關鍵重要度 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
根據關鍵重要度定義知，底事件關鍵重要度
越大，其危險性就越大。在表4中，關鍵重要度
最大的是吊物超載(X9)，依次是動載荷過大
(29)，液壓推桿制動器葉輪旋轉不靈活(X20)，
粗暴安裝(X35)??即各底事件的危險性按表4
所示的關鍵重要度排序逐漸減少。
進一步深入分析，將液壓汽車起重機斷臂事
故底事件因素分為4組：人為因素、與安全裝置
有關的因素、與液壓元件有關的因素、其他因素。
其中人為因素包括{X8、X9、XIO、X11、
X12、X13、X29、X35}，這些因素的數量級最大
為10～，最小為10～。
與液壓元件有關的因素包括{X1、X2、X3、
x4、)(5、x6、x7}，這些因素的數量級為10一。
與安全裝置有關的因素包括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關鍵重要度數量級為10～，因素X37～x42
關鍵重要度數量級為10～。
其他因素包括{X30、X31、X32、X33、X34、
X43、X44}，這些因素中最大數量級為10～，最
小為10～。由以上分類對比可知，最危險的是不
利的人為因素，設備不利因素比較危險的是安全
裝置的失效，其次是液壓元件的失效。
4 結論
通過前面的定性分析和定量分析可知，造成
流動式起重機斷臂事故既有起重機自身因素又有
～ 94 一
人為不利因素，為防止事故的發(fā)生，必須從人和
起重機兩方面著手消除不安全因素。根據底事件
關鍵重要度，斷臂事故預防的主要措施為：1)提
高起重機司機的安全操作意識和技術，確保起重
機作業(yè)時無嚴重超載、違規(guī)等現象；2)建立健全
安全管理規(guī)章制度，統(tǒng)一管理；3)起重機必須安
裝安全保護裝置，并制定定期檢查計劃；4)加強
對液壓元件的維修保養(yǎng)力度，保證其安全可靠度；
5)起重機在設計、制造、安裝過程中應按相關標
準嚴格執(zhí)行。
參考文獻
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煤炭工業(yè)出版社，2005．
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北京理工大學出版社．
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南京大學出版社，2009
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國礦業(yè)大學出版社，2009．
[7]舒安慶，張鵬．門座式起重機臂架折斷故障樹分析與
對策[J]．武漢工程大學學報，
作 者：胡石勇
地 址：武漢工程大學流芳校區(qū)機電工程學院
郵 編：430205
收稿Et期：2013—04—18
《起重運輸機械》 2014(4)

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