摘要：为降低塔机顶升过程中的安全风险，提出了一种基于FEMA和POKA-YOKE技术的塔机顶升安全防控方法。首先，以QTZ80塔机为例建立了塔机顶升过程流程图，利用FEMA工具对塔机顶升过程的不安全行为进行风险识别，建立了顶升过程完整的PFEMA潜在失效模式及效应分析表，结合综合文献和专家评价法，对失效模式的难检度(S)、频度(O)和难检度(D)的计分标准进行赋值并计算出风险优先数RPN;然后，根据PFEMA中风险优先数RPN的最大值，引入POKA-YOKE技术中自动纠偏方法和提前预防理念，对塔机顶升销轴未安装进行了防止人员无意识差错的设计，设计后塔机顶升销轴未安装的RPN风险优先数由60降为10;最后，对该方法可行性进行了实践验证。实验结果表明该方法可以很好地降低和规避塔机顶升过程中的安全风险，对塔式起重机顶升过程的安全防控设计具有一定的指导意义。

　　关键词：塔机；FMEA;POKA-YOKE;顶升安全防控

　　0引言

　　塔式起重机是我国现代化建筑业发展的重要起重设备，其作业环境繁杂，不可控因素较多，随着在用保有量的增加，其频繁发生的安全事故和较大的事故严重性给社会带来了巨大的损失和不良影响，塔机顶升是最容易造成群死群伤和重大经济损失的施工作业。FMEA技术起源于20世纪美国，是世界五大核心质量管控工具之一，在航空航天和汽车制造等机械领域得到了广泛应用和认可。POKA-YOKE,又称防呆法。是一种在事故发生前，防止作业者因为疏漏或者遗忘而发生失误的方法。特别是针对作业人员的无意识差错，可以很好地消除人为错误造成的损失。

　　随着塔式起重机的安全管理越来越得到重视，相关研究也得到了学者的广泛关注。董坤利用网络爬虫技术完成了国内塔式起重机安全事故的案例收集，并根据事故案例的风险要素进行了风险识别和分类；周奎等从塔机结构本身和工作环境展开研究，提出了一种基于有限元仿真的塔式起重机损伤监测方法；周庆辉等通过采集塔式起重机使用过程中销轴参数数据集，创建了销轴安全状态模型，并利用SwinTransformer算法进行了优化迭代验证。国外方面，Gabriel等通过大量的塔机事故案例分析并划分等级，运用聚类分析法找到塔机安全事故最大的风险因素；Shapira A等在问卷调查和实际访谈中，得到了塔式起重机在使用过程中安全因素和影响程度。

　　塔式起重机安全管理的研究主要集中于事故原因分析、作业风险识别和分类、塔机自身的强度和刚度验证、整机的智能控制等，在事故的预防和应对措施方面的研究不多，特别是危险系数最大的塔机顶升过程，对该过程的安全防控研究较少。本文以最容易发生群死群伤的塔机顶升过程的安全风险控制作为研究对象，以QTZ80塔机顶升过程为例，引入FEMA工具作为顶升过程潜在失效模式的分析和评价，运用POKA-YOKE纠偏方法，对塔式起重机顶升环节销轴未安装进行了预先检测和替代设计，结果表明该方法可以很好地降低塔机顶升过程中的安全风险。

　　1塔式起重机顶升过程

　　塔式起重机的安装、拆卸和顶升过程中配有设备的安拆工、信号工和司索工等特种作业工种，过程复杂难度大，高空作业需要多种工种紧密配合，一旦出现安全事故，容易造成群死群伤和重大经济损失。3种工况中最为典型和危险系数较大的是塔机标准节的升节或降节，升节和降节需要作业人员做的动作和流程工艺是一样的，只是顺序倒换。标准节的升节也叫顶升作业，是按照一定的作业流程，通过标准节的增加完成塔式起重机整体的升高；安装和拆卸包含标准节的升节和降节，增加和拆除标准节的过程和顶升作业相同，所以顶升作业包含于安装和拆卸作业，在3种工况中更具有代表性。

　　塔机顶升作业是一种典型的程序性作业过程，具有较强的知识逻辑性。作业人员需要根据作业指导书和专项施工方案，结合自身的作业技能和相关信息完成完成塔式起重机标准节的加节。该过程中，既有团队作业，也有个人既定的定岗任务，每一个环节都需要作业团队精准配合，每一项子工序都承载着一定的风险。通过查阅相关资料和总结实际工作经验，对QTZ80塔机顶升作业的整个流程进行了归纳和整合，如图1和图2所示。

　　2塔式起重机顶升过程PFMEA的建立

　　2.1 PFMEA潜在失效模式S、O、D计分标准

　　FMEA技术是一种对事件的潜在失效问题进行提前分析、预防或者控制的管理方法，通过对事前可能产生的失效模式进行风险识别，找出潜在的失效隐患，并对其所有的风险进行分析评价，从而根据评价结果有针对性的制定风险控制措施。FMEA模型包括SFMEA、PFMEA、DFMEA和EFMEA,其对应的分别是系统失效模式及后果分析、过程失效模式及后果分析、设计失效模式及后果分析和设备失效模式及后果分析。FMEA技术通过计算风险系数RPN,对潜在的失效模式进行量化分级，解决事件的潜在失效问题，RPN值为S×O×D,S代表事件发生的严重度，O代表事件发生的频度数，D代表事件发生难检度。

　　FMEA通过计算RPN的值来判断和优先解决潜在的失效模式，如何计算出准确、贴切实际的RPN值是使用FMEA的工具的关键点，本文通过综合文献和专家评价法，结合现有资料和事故经验，对严重度S、频度数O和难检度D进行赋值。同时，为了专注于事前解决潜在的失效模式，达到事前预防的效果，将对RPN数值较高的失效事件采用POKA-YOKE技术进行措施设计。严重度S、频度数O和难检度D的赋值规则如表1~3所示。

　　计分标准中，存在计分区间的赋值，按照失效模式的严重度、频度、难检度与相对应的分类在分类区间内赋值。如：严重度(S)计分标准中，失效模式较大的分类，计分区间是5~8,此时可以根据经济损失的多少在计分区间内对赋值进行增减。

　　2.2塔式起重机顶升过程潜在失效模式及效应分析表的建立

　　根据塔式起重机顶升作业流程图，对个别顶升工序进行简化，结合PFMEA潜在失效模式及效应分析表和S、O、D计分标准，对塔机顶升过程建立PFMEA模型，模型中对PFMEA中的改进措施、完成日期、措施结果模块进行了删除，改进后的PFMA模型如表4所示。

　　3基于POKA-YOKE技术的顶升销轴安全预防措施改进

　　3.1 POKA-YOKE技术

　　通过引用FMEA先进技术对塔式起重机的顶升过程进行风险识别和风险量化，考虑到FMEA主要关注故障模式发生后的纠正措施和事后控制，缺乏对预防措施的考虑，引进了POKA-YOKE技术对事件进行发生前的预防设计。

　　POKA-YOKE技术是一种通过预测、阻止和避免差错，使事件在发展过程中不产生缺陷的方法，特别是针对不可控制的人为因素，通过一系列的防错装置或者自动控制手段，使作业人员即使不特别注意也不会出现错误。POKA-YOKE技术防错思路针对不同事件采用不同方法，主要思路有减少、消除、替代、简化和检测。减少是将可能发生的失误降低至最低，从而减少因事件失效造成的损失；消除是从事件的根本入手，在事件的前期设计和过车控制重新决策，从而消除可能的失误；替代是指用先进的技术手段代替现有方法，获得更加可靠的控制过程来消除失误的发生；简化是通过合并和改善过程工序，使作业更容易完成；检测是通过物理或者化学等检测手段，在错误进入下一道工序之前进行警告或者剔除。

　　3.2 POKA-YOKE技术在顶升销轴安全预防的应用

　　由表4分析可知，顶升过程的工序中风险优先数RPN最大值为60,最小值为6。可能造成人员伤亡的数值较高，油缸顶升工序中顶升销轴未安装的RPN数值为60,该步骤风险最大，易造成群死群伤事故。以风险优先数RPN最大值顶升销轴未安装为例，应用POKA-YOKE技术原理，采取该步骤的安全预防措施。顶升销轴未安装是典型的无意识差错，简单的作业因人员思想不集中，在重复作业中无意识发生的错误。现有解决措施是在下支座销轴孔处张贴警示标识，提示作业人员不要忘记插入销轴，如图3所示。该方法虽可以一定程度上对作业人员有一定的警醒，仍无法完全避免作业人员的无意识差错。

　　POKA-YOKE技术中应对无意识差错的方法有减少、消除、替代、简化和检测5种途径，从塔式起重机顶升过程可知，目前的顶升技术工艺下该步骤无法进行减少、消除和简化，可以通过检测的方法检测出顶升前销轴未安装，防止人员无意识的错误，起到替代人工检查的作用，但是无法完全替代销轴安装步骤。据此，通过利用POKA-YOK防错思路中检测和部分替代相结合的方法，对QTZ80塔式起重机顶升过程销轴未安装的安全隐患进行控制设计。

　　根据POKA-YOKE技术中自动和保险原理，立足于预防失效模式的发生，通过预先设计加入自动化防错手段和防错保险装置避免人为失误，对塔机顶升电路进行防错化设计，同时在塔机顶升销轴孔处增加常开限位器，如图4所示。在原电路基础上，增加了限位开关SB1、SB2、SB3和SB4,4个限位开关分别对应安装在下支座4个销轴孔处，只有当四角销轴全部插入销轴孔时，电路才能导通，此时SQ1闭合，继电器KM被接通，电路形成回路，电机正常运转，顶升作业正常。当四角任一销轴未插入时，继电器KM断路，电源无法接通，顶升作业无法进行。

　　如图5~6所示，销轴未安装时，回路断开无法顶升；销轴安装时，销轴触碰限位开关，回路闭合，顶升正常启动。试验验证表明：通过对顶升电路的改进，增加销轴限位开关，电路自动控制替代了人为控制销轴安装，可以很好地弥补因人员无意识地忘记安装销轴造成塔机顶升倾覆的危险，提高了人员作业安全性。改进后该工序的严重度(S)为10,频度(O)为1,难检度(N)为1,RPN系数为10,风险优先数降低。同理，可对RPN风险优先数超过40的工序进行防差错设计，风险优先数超过40的分别为防脱锁紧和螺栓数量不够，可按照以上原理增加限位或者传感器。

　　4结束语

　　本文建立了QTZ80塔机顶升过程流程图，利用FEMA工具对塔机顶升过程进行分析评价，得到了PFMEA失效模式分析表，在PFMEA分析表的基础上，分别对失效模式的严重度、频度、难检度进行标准量化，得到了顶升过程各个工序的RPN数。选定RPN优先数最大的销轴未安装工序作为POKA-YOKE防差错改进对象，通过改进控制电路和增加限位开关，使销轴未安装工序的RPN数值从60降为10,很好地降低了该工序的失效风险。整个流程形成了“塔机顶升流程图建立→PFMEA失效模式及效应分析表建立→计算RPN风险优先数→进行POKA-YOKE防差错设计→实验验证”的塔机顶升安全防控方法，对塔式起重机的安全控制研究特别是因人为因素造成事故的研究具有一定的借鉴意义。

      参考文献：

　　[1]董坤．塔式起重机事故因素研究[D].济南：山东建筑大学，2020.

　　[2]周奎，刘怡然，徐晨光．基于损伤柔度曲率的塔式起重机塔身结构损伤识别研究[J].上海理工大学学报，2022,44(6):562-567.

　　[3]周庆辉，刘浩世，刘耀飞，等．基于改进LVQ算法的塔式起重机运行状态检验[J].机电工程，2022,39(11):1636-1642.

　　[4]Gabriel Raviv,Aviad Shapira,Barak Fishbain.AHP-based

　　analysis of the risk potential of safety incidents:Case study of cranes in the construction industry[J].Safety Science,2017(91):298-309.

　　[5]Shapira A,Lyachin B.Identification and analysis of factors affecting safety on construction sites with tower cranes[J].Journal of Construction Engineering and Management,2009,135(1):24-33.

　　[6]江倩．塔机安装过程程序化安全管理方法与应用研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

　　[7]JGJ/T 189—2009,建筑起重机械安全评估技术规程[S].[8]GB/T 51—2023,起重机械安全技术规程[S].

　　[9]王映天．基于FMEA方法的H成品油库安全风险管理研究[D].南昌：南昌大学，2023.

　　[10]魏子钦．基于FMEA-AHP的代建制A项目风险管理研究[D].济南：山东大学，2022.

　　[11]姚银歌，张涛，朱宇腾，等．基于FMEA的电主轴冷却系统可靠性分析[J].机电工程技术，2021,50(6):101-103.

　　[12]韩帅.FMEA在D公司K项目质量管理中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.

　　[13]马腾飞．基于FMEA的门式起重机故障分析及防范对策研究[D].郑州：郑州大学，2022.

　　[14]吴奇．质量管理防错方法及防错装置的研究[D].大连：大连海事大学，2015.

　　[15]程妍，于渤.POKA-YOKE在气缸装配中的应用[J].液压气动与密封，2023,43(11):75-77.

　　[16]李强，刘畅，李俊，等.FMEA POKA-YOKE在制丝工艺管控中的运用[J].农产品加工，2023(12):50-53.

　　[17]韩昭鹏.D公司插接管工艺质量改进研究[D].天津：天津大学，2020.

　　[18]陈洁，郑中民，李凌梅，等.Poka-Yoke和Jidoka在线检测中的应用[J].工业技术创新，2016(3):449-453.