集裝箱碼頭門式起重機維修策略決策分析

張翰林,葛世潁,胡健波

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456;2.天津港中企聯合物流有限公司,天津 300452)

港口作為一個國家海上運輸的重要中轉站,是連接海洋與陸地的支點,也是城市之間的水陸交通樞紐,對于服務支撐國家經濟發展發揮著關鍵作用。目前隨著我國水運行業投資的逐步放緩,港口的建設從建設期轉向運營期,港口的基礎設備運行和維護將成為未來一個時期關注的重點。隨著我國沿海港口集裝箱碼頭的機械設備向多功能、大型化發展,一個設備發生故障可能會導致連鎖反應,從而對港口造成經濟損失。本文提出了以可靠性為中心理論,在保證設備完好率的前提下,對設備的維修周期作出預測,并結合北方某港口的實驗結果,論證該理論的可行性。

國內外關于設備維修開展了諸多研究。ROSQVIST、LAAKS和REUNANEN等[1]提出以費用核算為核心的預防性維修策略,按照設備分級管理、風險等級確定、選擇維修方式等環節形成維護方案。CATELANI等[2]提出了按照設備最大使用周期為核心,建立預防機制模型,最大程度的提升設備使用時間,提升經濟性。SELVIK和AVEN等[3]提出了風險等級判定的維修理論,并建立了設備運行風險、經濟價值的模型。MULLER等[4]通過收集案例信息,建立信息臺賬并實現共享,為維修方式的選擇提供輔助決策。BERG[5]通過觀察對比相同設備在不同環境的故障發生情況,分別匹配不同的維修策略,進而得出設備維護的最優方案。DING等[6]通過記錄不同程度的老化設備工作時的數據,提出了各個階段設備維護的方案,對于設備維修理論的發展起到了推進作用。

余雷[7]通過總體費用計算,結合設備運營的風險分析建立模型,對各種維修方案進行評價,同時給出了優化維修方案。田輝[8]以碼頭設備作為研究對象,以信息化監測為手段,對設備進行長周期的數據統計,通過模型計算預判出設備的維修周期。周大偉等[9]通過建立模型,實現設備使用周期的預測。曹勤[10]通過研究拆分模型,將各類構件的使用環境、自身參數等因素按照評判體系,形成維修決策判定標準。趙金艷[11]按照以可靠性為中心理論,提出了港口設備維修方案,并給出了相關建議。

本文以集裝箱門式起重機為研究對象,分析其設備風險等級,提出維修策略并進行實例驗證。

1 以可靠性為中心的策略研究

以可靠性為中心的維修是國際上通用的用于確定設備預防性維修需求、優化維修制度的一種系統工程方法。其定義為：“按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則,應用邏輯決斷方法確定裝備預防性維修要求的過程或方法”。通過對系統進行功能與故障分析,明確系統內各故障后果;用規范化的邏輯決斷程序,確定各故障后果的預防性對策;通過現場故障數據統計、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下,以最小的維修停機損失和最小的維修資源消耗為目標,優化系統的維修策略。

1.1 以可靠性為中心的策略

以可靠性理論為基礎的維修是滿足設備正常運行需求的一種維修理論,其策略就是分析設備的故障模式和運行時的狀態參數,通過分析設備的功能性能、功能故障、故障原因、故障表現、故障后果、故障預防策略等內容,發現潛在設備故障,制定出最合理的維修管理決策,從而更加全面、科學、合理地提升設備的可靠性。

本文針對以可靠性為中心的研究策略,在堅持可靠性和安全性的前提下,了解研究對象的設計功能、用途和工作環境,通過對關鍵結構進行拆分,明確每個構件失效帶來的風險和影響,制定分析表格,判定風險等級,確定維修策略和周期。

1.2 策略研究路徑

以可靠性為中心的策略維護步驟如圖1所示。以可靠性為中心的維修方式以故障模式分析與影響分析作為依據,針對本文研究對象,提出工作流程如下：(1)了解港口門式起重機的工作流程,收集前期維護數據;(2)細分設備的組成,掌握其關鍵功能,明確核心構件;(3)對核心構件和其他構件進行故障模式和影響分析;(4)確定各個構件出現故障時的風險等級;(5)劃分風險等級,同時針對不同的風險等級確定維修策略;(6)確定維修原則,給出最優的維修周期。

圖1 以可靠性為中心的研究理論流程圖Fig.1 Flowchart of research theory centered on reliability

1.2.1 故障模式與影響分析

故障模式與影響分析是以可靠性為中心決策研究的關鍵步驟,通過設備相關資料的收集和專家評估梳理形成故障模式,并結合設備使用環境對其影響開展科學、嚴謹的分析。

(1)故障模式。明確設備的故障,需對設備的使用環境、各個構件和功能進行詳細的研究,對照其功能可能出現的問題和產生的影響進行統計和預判,制定維護策略,消除潛在故障。

(2)影響分析。影響分析即為設備發生故障后可能出現的后果,根據其嚴重程度劃分風險等級,便于為維護策略提供支撐。故障發生后產生的后果按重要程度可劃分為對設計結果故障影響、安全性和環境性故障影響、隱蔽性故障影響、非隱蔽性故障影響和非實用性故障影響。

1.2.2 判定風險等級和確定維修策略

根據故障程度和影響分析,以及以可靠性為中心理論確定的設備風險等級可將維護計劃分為5類：設計更改、改進型維修策略、預防型維修策略、養護型維修策略和狀態型維修策略。

1.3 以可靠性為中心維修決策的優勢

相較以往的維修方式,以可靠性為中心維修決策通過分析設備各項關鍵數據,更加全面地掌握設備的結構劃分和故障原因,并對其運行的狀態做出判斷,從而制定出最合理的維修策略,在降低人員成本和設備維修成本的同時,提高設備的運行效率,延長設備的使用壽命。

2 研究方法

2.1 故障模式分析及風險判定

2.1.1 故障模式分析

綜合評估港口設備故障有3個基本因素,即為故障概率、故障檢測難度和故障嚴重程度,設備進行故障檢測前,會邀請行業專家、設備技術人員和經驗豐富的設備使用人員應用該方法確定評分標準,根據其劃分等級,制作故障檢測分制表(表1)。

表1 故障檢測分制表(5分制)Tab.1 Fault detection score table (5-point scale)

2.1.2 各因素印象權重

結合故障分析表提出的判定分值,通過層數分析確定每個指標的權重,確定設備故障的風險等級[12]。

(1)判斷矩陣。通過對設備進行拆解,并根據其重要程度進行統計,重要程度最高為9,最低為1,對比兩個結構之間三個要素檢測概率。當a要素與b要素同等重要時,分值為1;a要素比b要素稍微重要時,分值為3;a要素比b要素明顯重要時,分值為5;a要素比b要素強烈重要時,分值為7;a要素比b要素極端重要時,分值為9,其中2、4、6、8介于尺度中間(表2)。

表2 專家打分表Tab.2 Expert grading

選擇對其中兩個要素進行對比,結合專家評測,形成判別矩陣(表3)如下：

表3 關鍵要素判別矩陣Tab.3 Discriminant matrix of key elements

(2)權重分析。根據判別矩陣分析三項數據的權重

(1)

其中,計算Mi的三次方根

(2)

求解特征向量

(3)

根據式(1),連續乘積的結果計算為：M1=30,M2=1/12,M3=2/5;根據式(2),計算結果為：WW1=3.1,WW2=0.44,WW3=0.74;根據式(3),特征向量的結果計算為：W1=0.73,W2=0.1,W3=0.17;即：W1失效嚴重度系數為0.73;W2故障發生的概率系數為0.1;W3故障檢測的困難系數為0.17。

2.2 判定故障風險等級

建立綜合評分標準,其中Q代表綜合得分。Wi為失效發生概率、故障嚴重程度和檢測難易度的評分系數,Yi為專家評測分數,其關系如下

(4)

在獲得綜合得分后,將風險等級分為5類。4～5時風險等級為A。3～4時風險等級為B,2～3時風險等級為C,1～2時風險等級為D,0～1時風險等級為E,A為最高,E為最低。

2.3 維修決策

2.3.1 維修決策分類

根據危險等級判定,確定給出維修方式,具體如下：

(1)危險等級為A的故障——設計更改。此類故障的影響一般是無法預知和降低的,因此,在面對此類故障時,需聯系設備供應商,通過修改設計缺陷、更換材料等方式從根本上杜絕此類故障發生。

(2)危險等級為B的故障——改進型維修策略。此類故障對環境和安全影響較大,其出現通常存在兩個原因,一是結構整體設計缺乏合理性,導致運行故障;二是設備總體設計正確,但其中某一零部件因設計、材料或者使用環境等方面出現問題,導致故障發生。面對第一種問題,采取的維修策略與A類故障相同,建議修改設計缺陷,而面對第二種問題如果為核心部件需采用改進型維修的策略;如果是易耗品部件建議采用預防型維修的策略,從而防范化解風險。

(3)危險等級為C的故障——預防型維修策略。此類故障一般只針對設備本身,對環境和安全造成的影響中等,針對此類故障需結合實際情況對其實現定期檢測或者利用信息化手段進行實時監測,實行預防型維修策略,在預知問題或者問題的初期對其處理。

(4)危險等級為D的故障——養護型維修策略。此類故障對環境和安全造成的影響較小,此類故障一般是由于設備零部件之間的磨損或者超過使用壽命造成的,應實行養護型維修策略,需對設備不同構件進行定期養護和更換,即可有效避免。

(5)危險等級為E的故障——狀態型維修策略。此類故障為風險等級最低的故障,一般不會對環境和安全造成影響,因此,對于此類故障可采取狀態型維修策略,出現故障后進行修理即可。

2.3.2 計算維修周期

(1)參數設定。設備失效率為g(t),隨著時間變化而變化,設備的失效率在每次預防維修后以常數u倍遞增,設備正常工作所要求的最低設備完好率為B。設備的預防維修時間為T,設備的失效率在預防維修后變為零,如果未到預設的預防維修時間就發生故障需進行小修,故障小修的時間為Tm;設備單次更新費用為sx,單次的預防維修費用為sy,單次故障小修的費用為sz;N為設備一次更新時間內的預防維修次數(含設備更新次數),Nk為第k個預防維修周期內的小修次數。

(2)建立模型。設備維修費用=設備更新費用+設備預防維修費+設備故障維修費用,其中設備故障后如不能滿足設備完好率要求,則不在支付預防維護費用,改為更新設備,即本次設備更新周期結束。計算式如下

(5)

設備維修時間=預防維修時間+設備故障小修時間,計算式如下

(6)

設備維修的平均費用S(N,T)=設備維修費用/設備維修時間,計算式如下

(7)

設備失效率與設備預防維修周期內的故障次數相關,其關系可表示為

(8)

因此設備更新周期內總故障為

(9)

將式(9)帶入式(7),求得平均維修費用為

(10)

設備完好率=設備全周期-設備失效率,其中設備失效率=設備故障期/(設備維護期+設備故障期),第k個周期的設備完好率如下

(11)

故障模式的遞增模型選擇威布爾分布進行計算,計算式為

(12)

將式(12)帶入式(11)求導,可知

(13)

因此,求解設備完好率B問題模型如下

(14)

將式(12)帶入式(10)求導,S(N,T)問題模型如下

(15)

文中BN(N,T)作為約束條件,在保證設備完好率的前提下,計算設備一次更新周期內平均費用S(N,T)為最小值時,N與T的值。

3 實例分析

3.1 風險等級判定

本文以集裝箱門式起重機作為研究對象,對其開展研究分析。集裝箱門式起重機的主體包括整體車載運行結構、金屬框架結構、龍門架結構和起升結構4個部分,通過判定其風險等級,選擇最優的維修策略。

3.1.1 失效模式分析

本文以集裝箱門式起重機中重要的運行結構和起升結構為例,對兩個設備的維修數據進行統計(表4)。

表4 以可靠性為中心的分析結果Tab.4 Analysis results centered on reliability

3.1.2 影響分析及各項指標評定

通過對北方某港口兩個構件6月至10月的維修數據進行計算分析,綜合多位專家打分,從而得出3個要素的統計評分,詳見表5和表6。

表5 運行結構三個要素統計評分Tab.5 Statistical scores of the three elements of operation structure

表6 起升結構三個要素統計評分Tab.6 Statistical scores of the three elements of the lifting structure

3.1.3 危險等級判定及確定維修策略

結合專家評測分數表,判定故障風險等級,確定維修方案,代入式(4),形成判定結果如表7所示。

表7 風險等級判定及及維修策略選擇Tab.7 Risk level determination and maintenance strategy selection

3.2 實驗結果

將上文研究理論代入實際,根據北方某港口集裝箱門式起重機現有維護統計數據信息,通過計算平均值可知,該設備單次維修系數α=0.5、β=4,最低設備完好率B=0.95,單次維修遞增次數u=1.1,單次更新費用sx=20萬元,最小故障維修費用為sy=3萬元,單次維護檢查費用sz=1萬元,每次進行故障小修的時間為Tt=0.006 a。

通過計算可知,最佳維修策略為：N=19.82,T=0.44 a,即預防維修的間隔為0.44 a,在設備部件進行19次維修后進行更換。

4 結論

本文提出了一種以可靠性為中心的維修策略,通過現場設備調研和專家分析等方法將其分解成為獨立的構件,確定每個構件的故障發生概率、影響程度和檢測難易程度的權重,分析其運行方式,判定其故障原因、風險等級和維修策略,并在保證設備完好率的前提下,給出了適用于設備維修和更換的合理周期,降低了僅憑借經驗判定設備故障的影響,為港口實際維修管理決策提供了依據。