System safety analysis of a brake press using fuzzy methodology

Venditti, Antonio (2020). System safety analysis of a brake press using fuzzy methodology. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Brake presses are machines which are widely found in the manufacturing industry. They enable metal sheets and plates to be bent in multiple ways so as to shape a wide variety of parts. The very principle by which these machines function creates a pinch and crushing zone for operators notably as far as their hands and fingers are concerned. Safety norms have been developed in the course of the years which prescribe technical protective means of the operating point as well as other means of controlling the other risks generated by the operation of these machines.

Any industrial machine such as a brake press must be the subjected to a systematic risk analysis which take into account all the physical and human elements which can interact thus leading to possible accidents. Over the years, methods have been devised aiming to to estimate the probability of occurrence of an accident starting from the identification of the contributing risk factors. In the case of industrial machines such as brake presses, these methods rarely refer to historical data regarding accidents because of the scarcity of these data. The judgement of participants in these analyses is then utilized. Although the results of these analyses help in elaborating risk control strategies, their subjective character continue to pose problems.

This thesis tackles the question of the estimation of the probability of occurrence of an accident which can arise on an industrial machine such as a brake press with a view towards making this analysis more quantitative but in a context where the historical data on accidents or knowledge on the factors contributing to accidents are limited. Towards that end, this thesis uses the concept of fuzzy logic as well as the structured technique of expert elicitation to quantify the judgements on the estimated probabilities.

In this thesis, a brake press is analyzed taking into account to types of failures which can affect its functioning namely those that can impact the protective systems which guard the point of operation of the machine as well as those failures which arise from the actions of the operators.

The contributing factors leading to accidents considered are analyzed using fault trees and Markov diagrams. The dynamic, sequential character of the genesis of an accident on a machine is also accounted for with this technique in this thesis.

The probability of accident thus estimated for the industrial system is then used furthermore in this thesis to optimize the cost associated with a given level of safety achieved.

This thesis is constituted of analyses of increasing complexity of work situations centered on a hydraulic brake pres. Firstly, the probability of occurrence of an accident suffered by an operator is estimated considering the failure of the protective device and the failure (error) of the operator. Then, this same situation is considered by incorporating rate of repair of the technical and human failure modes. Finally, elements of redundancy both technical and human are added to the model. This thesis show that the mathematical analysis method developed allows a more quantitative estimation of the probability associated with the risk being studied as well as an optimization of the cost associated with the achievement of a given targeted level of safety.

This thesis presents a method which increases the validity of the judgement of the probability of occurrence of events contributing to industrial accidents but these remain dependent on the judgements expressed by the participants in the analysis. We plan further research works which will refine the expert solicitation method in the context of industrial machine safety. Furthermore, the models expressing the cost related to maintaining a given level of safety will also be perfected. The models describing situations leading to accidents involving industrial machines will incorporate in future works other complexities such as non-constant failure rates.

Résumé traduit

Les presses plieuses sont des machines largement répandues dans l’industrie manufacturière. Elles permettent de plier des feuilles et plaques de métal de multiples manières afin de façonner des pièces variées. Le principe de fonctionnement même de ces machines crée une zone de coincement et d’écrasement pour les opérateurs notamment au niveau des mains et des doigts. Des normes de sécurité se sont développées au cours des années qui prescrivent des moyens techniques de protection de la zone d’opération ainsi que les autres moyens de contrôle des autres risques générés par l’opération de ces machines.

Toute machine industrielle telle qu’une presse plieuse doit faire l’objet d’une analyse des risques systématique permettant de tenir compte de tous les éléments physiques et humains qui peuvent interagir menant ainsi à des accidents possibles. Au cours des années, des méthodes ont notamment été élaborées visant à estimer la probabilité d’occurrence d’un accident à partir de l’identification des facteurs de risques contributifs. Dans le cas des machines industrielles telles que les presses plieuses, ces méthodes font rarement appel à des données historiques sur les accidents ayant eu lieu à cause de la relative rareté de ces données. Le jugement des intervenants participant à ces analyses est alors utilisé. Bien que le résultat de ces analyses aide à élaborer les stratégies de contrôle des risques, leur caractère subjectif continue de poser problème.

Cette thèse aborde la question de l’estimation de la probabilité d’occurrence d’accident pouvant survenir sur une machine industrielle telle qu’une presse plieuse dans l’optique de rendre cette analyse plus quantitative mais dans un contexte où les données historiques sur les accidents ou techniques sur les facteurs contributifs aux accidents sont limitées. Pour ce faire, cette thèse utilise le concept de logique floue ainsi que la technique structurée de la sollicitation d’expert pour quantifier des jugements sur les probabilités estimées.

Dans cette thèse, une presse plieuse est analysée en tenant compte de deux types de défaillances pouvant affecter son fonctionnement soit celles que peut subir les systèmes de protection de la zone dangereuse de la machine ainsi que celles constituées par les gestes accomplis par les opérateurs.

Les facteurs contributifs menant aux accidents considérés sont analysés en utilisant les arbres de fautes. Le caractère dynamique, séquentiel de la genèse d’un accident sur une machine est tenu aussi en compte par cette technique dans ce travail.

La probabilité d’accident ainsi estimée pour le système industriel est alors utilisé par la suite dans cette thèse pour optimiser le coût associé.

Cette thèse est constituée d’analyses de complexité croissante de situations de travail centrées sur une presse plieuse hydraulique. Dans un premier temps, la probabilité d’occurrence d’un accident subi par l’opérateur est estimée en considérant la défaillance du dispositif de protection et la défaillance de l’opérateur. Puis, cette même situation est considérée en incorporant le taux de réparation des modes de défaillance technique et humain. Finalement, des éléments de redondance tant au niveau technique qu’humain sont ajoutés au modèle. Cette thèse démontre que la méthode d’analyse mathématique développée permet une estimation plus quantitative de la probabilité associée au risque étudié et d’optimiser le coût associé à l’atteinte d’un niveau de sécurité visé.

Cette thèse présente une méthode qui augmente la validité des jugements de probabilité d’occurrence d’évènements contribuant à des accidents industriels mais ceux-ci demeurent dépendant des jugements exprimés en premier lieu par les intervenants impliqués. Nous envisageons des travaux ultérieurs qui raffineront la méthode de sollicitation d’experts dans un contexte d’analyse de risques de machines industrielles. De plus, les modèles exprimant le coût relié au maintien d’un niveau de sécurité donné devront être également perfectionnés. Les modèles décrivant des situations menant à des accidents reliés à des machines incorporeront dans l’avenir d’autres complexités telles que des taux de défaillance non constants.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 149-159).
Mots-clés libres:	logique floue, nombre flou, analyse des risques, Chaîne de Markov, fonction de coût, arbre des fautes dynamique, sollicitation d’experts, facteurs humains
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ngô, Anh Dung
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 août 2021 23:06
Dernière modification:	02 sept. 2021 18:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2670

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