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基于ATA的流动式起重机断臂事故树分析与研究

文档作者：胡石勇舒安庆丁克勤魏化中文档来源： 1武汉工程大学机电工程学院 2中国特种设备检测研究院		点击数：	更新时间： 2021年09月17日
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基于ATA的流动式起重机
断臂事故树分析与研究 ，
胡石勇 舒安庆 丁克勤 魏化中
1武汉工程大学机电工程学院 武汉430205 2中国特种设备检测研究院 北京 100013
摘要：应用事故树分析法对流动式起重机断臂事故进行了分析，从而为断臂事故的预测提供了参考。事
故树分析法逻辑性强，思路清晰，被广泛应用于系统的故障分析。文中对液压汽车起重机的断臂事故进行了定
性分析和定量分析。
关键词：流动式起重机；断臂事故；事故树分析法
中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：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 给出风险控制措施。
随着流动式起重技术的不断发展，流动式起
重机在工程实际使用中越来越多，但是由于各种
原因，起重事故不断频发，其中断臂事故占相当
大一部分比例。断臂事故不仅给起重机工作人员
带来人身伤害，同时造成国民经济损失，其发生
的主要原因是管理制度不合理，起重作业违规，
长期“带病”运行，一旦超载起吊造成断臂或吊
臂严重变形等事故。
事故树分析(Accident Tree Analysis，简称
ATA)法起源于故障树分析法(简称FTA)，是安
全系统工程的重要分析方法之一，它能对各种系
统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故
的直接原因，而且能深人地揭示出事故的潜在原
因。用它描述事故的因果关系直观，思路清晰，
逻辑性强，既可定性分析，又可定量分析 』。本
文运用事故树分析法对液压汽车起重机的断臂事
故进行了定性分析，求出其最小割集和结构重要
度，然后进行定量分析求出其关键重要度，从而
确定风险等级最高的因素，并针对这些危险因素
国家级基金项目资助(2011QK297)
一90 —
1 断臂事故树的建立
本文在调研大量起重机断臂事故的基础上发
现，造成流动式起重机断臂事故的主要原因是人
为因素和设备因素，抓住人为和设备这2个因素，
从人一机一环境的角度出发考虑，得到造成起重
机断臂事故4个主要因素：吊臂机械故障、液压
元件失效、起重臂强度不足和材料因素。以此4
个主要故障因素层层深入分析，得到流动式起重
机的断臂事件，包括29个中间事件，44个底事
件。该事故树的前4层简图见图1，中间事件和底
事件见表1。
图1 断臂故障
《起重运输机械》 2014(4)
表1 流动起重机折臂事故事件说明
符号 事 件 符号 事 件
M1 吊臂机械故障 X9 吊物超载
M2 液压元件失效 X10 计算起重机臂强度不足
M3 吊臂坠落 X11 司机误操作
M4 制动器失灵 X12 选材不当
M5 臂架变形 X13 螺栓没拧到位
M6 重量限制器失灵 X14 制动器的活动节被咬死
M7 臂架连接不牢 X15 制动器上的制动瓦铆钉露出瓦块
M8 吊臂有扩展裂纹 X16 制动器的主弹簧紧固螺母松退
M9 伸缩液压缸泄漏 X17 制动器的制动瓦或制动轴过度磨损
M1O 平衡阀故障 X18 窜动制动瓦脱落
M11 起重臂强度不足 X19 制动臂销轴的卡板损坏
M12 材料因素 X2O 液压推杆制动器叶轮旋转不灵活
M13 电气制动时间过长 X21 接点损坏
M14 零挡转子电阻偏大 X22 接点烧蚀
Ml5 应力集中 X23 动、静铁芯之间的油汀粘住
M16 焊缝开裂 X24 电源电压过低
M17 冲击载荷过大 X25 反接制动时定子调压晶闸管未导通
M18 臂架受力杆件疲劳破坏 X26 接线端子松动
M19 残余应力 X27 接触不良
M20 电路偏差 X28 断路
M2l 执行机构故障 X29 司机操作过急导致动载荷过大
M22 制动器电气故障 X30 焊接残余应力 一
M23 螺栓连接松动 x31 安装残余应力
M24 螺栓松弛 X32 焊接质量缺陷
．
M25 螺栓断裂 X33 机械疲劳
M26 屈服变形 X34 制造缺陷
M27 制动器机械故障 X35 粗暴安装
M28 接触器辅助接点接触不良 X36 材料缺陷
M29 抱闸接触器触点粘连 X37 传感器精度不够
X1 密封件损坏 X38 传感器损坏
X2 缸筒内腔拉伤 X39 零位电路偏差
X3 活塞损坏 X40 电磁阀损坏
X4 活塞杆表面损坏 X41 放大电路偏差
X5 平衡阀内的单向阀密封不严 X42 力矩限制器损坏
X6 主柱塞阀损失密封不严 X43 预紧力过大
X7 阀卡住 X44 预紧力不足
X8 螺栓设计强度不足
《起重运输机械》 2014 (4) 一91—
2 故障树的定性分析
事故树定性分析的主要任务是求出导致系统
事故的全部故障模式，从而了解事故的发生规律
和特点，找出系统的薄弱环节，为改善系统安全
提供相应的对策，提高系统的安全性和可靠性。
本文定性分析的主要任务是计算出事故树的最小
割集和各底事件的结构重要度。最小割集在事故
树分析中起着极为重要的作用，它导致顶上事件
发生的最底限度的底事件组合。由最小割集的定
义可知，每个最小割集是顶上事件发生的一种可
能，有多少个最小割集，顶上事件发生的可能性
就有多少种。结构重要度计算就是分析各底事件
对顶上事件发生的影响程度，事故树的最小割集
求出后，可根据最小割集判断各底事件的结构重
要度顺序，其判别式为
) 荟，
式中：K 为第r个最小割集，Ⅳ 为底事件
所在的最小割集包含的基本事件个数。
求解最小割集方法有多种，本文运用布尔代
数法求解。运用布尔代数法对事故树求解，得到
的断臂事故树布尔代数结构简式。
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}
从上述分析可知，流动式起重断臂事故共有
88个最小割集，其中2阶割集(包含2个底事件
的割集)73个，占总数的82．95％ ，3阶割集(包
含3个底事件的割集)15个， 占总数的17．05％ 。
将断臂事故树的最小割集一一代人结构重要度的
判别计算式，求出各底事件的结构重要度，其结
果见表2。
表2 事故树底事件结构重要度
底事件 结构重要度 底事件 结构重要度 底事件 结构重要度 底事件 结构重要度
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 《起重运输机械》 2014(4)
根据以上分析，各底事件重要度排序为
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 事故树的定量分析
定量分析的主要任务是通过底事件发生概率
计算出系统顶上事件发生概率和关键重要度等。
顶上事件发生的概率比较直观地反映出系统的可
靠性，以它为依据，综合考虑系统事故的危害程
度，与预定值比较，如果超过预定值，则需采用
相关措施改善系统安全。关键重要度为系统风险
源评价提供了参考价值。
1)顶上事件发生的概率
求解顶上事件发生的概率方法有多种，本文
采用首项近似法求解，则顶上事件概率
Ⅳ
g(q)=Σ1-I q
r 1 XiEG
式中：Ⅳ为系统最小割集数，R为最小割集序
数，g 为第i个底事件发生概率，X ∈G，为第i个
底事件属于第r个最小割集。
则液压汽车起重机断臂事故顶上事件发生概
率表达式为
g(g)=qlg5+g1g6+q1q7+⋯⋯g29g31g41+
q29q31 q42
查阅相关文献和统计资料，得到各底事件发
生概率，见表3。
表3 底事件发生概率
事件 发生概率 事件 发生概率 事件 发生概率 事件 发生概率
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
根据表3数据，算得顶上事件概率
g=4．653 223 3×10 次／d。
2)底事件的关键重要度
衡量底事件主要度指标有3种，分别是结果
重要度、概率重要度和关键重要度。结构重要度
反映事故结构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减对顶上事件发生概率
的敏感性，不过这两种重要度都反映不出减少概
率大的底事件的概率要比减少概率小的容易这一
事实。而关键重要度是用从系统安全的角度考虑，
用基本事件发生概率的相对变化率与顶上事件发
生概率的相对变化率之比来表示底事件的重要度，
《起重运输机械》 2014(4)
从敏感性和自身发生概率大小双重角度衡量来底
事件的重要程度。关键重要度按下式计算
)=
按上式，底事件x1的关键重要度为
，。= l。(gs+q +q )= _ ； ； ×
(O．000 03+0．000 03+0．000 02)
= 5．157 8×10一
同理可计算出底事件)(2～X44的关键重要度，
将按关键重要度大小排序绘制成表4。
一93 —
表4 底事件关键重要度
事件 关键重要度 顺序 事件 关键重要度 顺序 事件 关键重要度 顺序
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
根据关键重要度定义知，底事件关键重要度
越大，其危险性就越大。在表4中，关键重要度
最大的是吊物超载(X9)，依次是动载荷过大
(29)，液压推杆制动器叶轮旋转不灵活(X20)，
粗暴安装(X35)⋯⋯即各底事件的危险性按表4
所示的关键重要度排序逐渐减少。
进一步深入分析，将液压汽车起重机断臂事
故底事件因素分为4组：人为因素、与安全装置
有关的因素、与液压元件有关的因素、其他因素。
其中人为因素包括{X8、X9、XIO、X11、
X12、X13、X29、X35}，这些因素的数量级最大
为10～，最小为10～。
与液压元件有关的因素包括{X1、X2、X3、
x4、)(5、x6、x7}，这些因素的数量级为10一。
与安全装置有关的因素包括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关键重要度数量级为10～，因素X37～x42
关键重要度数量级为10～。
其他因素包括{X30、X31、X32、X33、X34、
X43、X44}，这些因素中最大数量级为10～，最
小为10～。由以上分类对比可知，最危险的是不
利的人为因素，设备不利因素比较危险的是安全
装置的失效，其次是液压元件的失效。
4 结论
通过前面的定性分析和定量分析可知，造成
流动式起重机断臂事故既有起重机自身因素又有
～ 94 一
人为不利因素，为防止事故的发生，必须从人和
起重机两方面着手消除不安全因素。根据底事件
关键重要度，断臂事故预防的主要措施为：1)提
高起重机司机的安全操作意识和技术，确保起重
机作业时无严重超载、违规等现象；2)建立健全
安全管理规章制度，统一管理；3)起重机必须安
装安全保护装置，并制定定期检查计划；4)加强
对液压元件的维修保养力度，保证其安全可靠度；
5)起重机在设计、制造、安装过程中应按相关标
准严格执行。
参考文献
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[7]舒安庆，张鹏．门座式起重机臂架折断故障树分析与
对策[J]．武汉工程大学学报，
作 者：胡石勇
地 址：武汉工程大学流芳校区机电工程学院
邮 编：430205
收稿Et期：2013—04—18
《起重运输机械》 2014(4)

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