蔡福海李樹清李夢然何映仁楊紹偉

(1.大連理工大學(xué) 大連 116023)

(2.赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 赤峰 024000)

(3.大連理工大學(xué)(徐州)工程機(jī)械研究中心 徐州 221004)

塔機(jī)安全監(jiān)控與評估系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

蔡福海1李樹清2李夢然2何映仁2楊紹偉3

(1.大連理工大學(xué) 大連 116023)

(2.赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 赤峰 024000)

(3.大連理工大學(xué)(徐州)工程機(jī)械研究中心 徐州 221004)

目前中國由于建設(shè)項(xiàng)目繁多，在役塔機(jī)數(shù)量急劇上升，若不加強(qiáng)監(jiān)管和提升控制手段，安全事故隱患會(huì)隨著塔機(jī)數(shù)量的增加劇增。本文對塔機(jī)安全事故發(fā)生的主要原因進(jìn)行了分析，介紹了塔機(jī)安全監(jiān)控和評估系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，對一種新研發(fā)的塔機(jī)安全監(jiān)控與評估系統(tǒng)做了簡要闡述。同時(shí)通過對試點(diǎn)工程的應(yīng)用，指出了本塔機(jī)安全監(jiān)控和評估系統(tǒng)的優(yōu)勢，為塔機(jī)的安全作業(yè)監(jiān)控提供了一個(gè)新的技術(shù)方法和手段。

塔機(jī) 安全監(jiān)控 評估系統(tǒng) 技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，由于建設(shè)項(xiàng)目繁多，在役塔機(jī)數(shù)量急劇上升，盡管建筑安全監(jiān)督部門不斷加大監(jiān)管力度，但塔機(jī)的超載使用、無證操作和野蠻施工等違章行為頻現(xiàn)，倒塔傷人的安全事故也經(jīng)常發(fā)生，造成了人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。如何降低塔機(jī)事故頻率，防范于未然，成為監(jiān)管部門和施工企業(yè)面前的一道難題。一方面，施工單位必須按照規(guī)定安裝安全監(jiān)控設(shè)備，規(guī)范自身作業(yè)方式，淘汰老、舊、殘塔機(jī)，這是降低安全事故隱患的最直接手段；另一方面，需要監(jiān)管部門、塔機(jī)生產(chǎn)廠家、施工企業(yè)能夠共享塔機(jī)工作安全信息平臺，能夠?qū)υ谝鄣乃C(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分布管理、分層控制、壽命評估，從而做到提前預(yù)防事故的發(fā)生，事后提供充分的證據(jù)材料。對在役塔機(jī)的安全監(jiān)控和壽命評估系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)及應(yīng)用，為有效監(jiān)控塔機(jī)施工安全提供了一種新的方法和手段。

1 原因分析

塔機(jī)事故的成因很多，如圖1所示，主要原因包括

如下幾個(gè)方面[1]：

1）違章操作。此項(xiàng)原因引起的事故比例最高，約占總數(shù)的50%。集中體現(xiàn)在：（1）超載作業(yè)，操作者在不明吊載物重量的前提下，進(jìn)行吊載或已知超重仍進(jìn)行吊載；（2）在超出設(shè)計(jì)條件下的環(huán)境中作業(yè)，尤其是在6級以上大風(fēng)天氣情況。

2）安全裝置不齊全。此項(xiàng)原因引起的事故約占18%。主要包括安全裝置損壞、安全裝置被故意拆除或破壞、安全裝置出廠時(shí)先天不全等現(xiàn)象。

3）人員無證操作。有的工地常雇用一些無特種作業(yè)證的人員來操作塔機(jī)，出現(xiàn)習(xí)慣性違章作業(yè)，此類事故約占10%。

4）機(jī)械狀況差。應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)定期對塔機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)、維修。然而目前多數(shù)企業(yè)設(shè)備管理體系不健全、設(shè)備管理人員缺乏、定期維保被忽略等現(xiàn)象層出不窮。導(dǎo)致塔機(jī)安全性能下降，一些安全隱患長期存在，最終引發(fā)事故，此項(xiàng)原因事故比例約占11%。

5）塔機(jī)安裝、拆卸作業(yè)時(shí)的安全操作能力不足。在安裝、拆卸工況下，對關(guān)鍵崗位的操作人員技術(shù)要求高、責(zé)任心強(qiáng)、合作溝通能力強(qiáng)，稍有不慎，極易發(fā)生重大事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔機(jī)安裝和拆卸時(shí)發(fā)生的事故占一次死亡3人以上事故比例的70%以上。

圖1 塔機(jī)安全事故原因比例

從圖1可以看出，來自人為疏忽或故意是事故發(fā)生最大的原因，由于塔機(jī)自身狀況差而導(dǎo)致事故的比例才占11%。圖2是通過對國內(nèi)外1200例塔機(jī)事故分析后得到的塔機(jī)安全事故類別，可知結(jié)構(gòu)安全是塔機(jī)安全工作的前提，由于電氣系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)損壞導(dǎo)致事故發(fā)生的只占很少部分。因此對在役塔機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估，具有重大的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義。

圖2 塔機(jī)安全事故類別

2 現(xiàn)狀

2.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

1）簡易型安全裝置精度差。目前，大多數(shù)塔機(jī)出廠時(shí)安裝了相應(yīng)的高度限制器、幅度限制器和力限制器等裝置，但由于傳感器精度差，顯示載荷同實(shí)際載荷差距大，導(dǎo)致塔機(jī)工作容易超載作業(yè)。而且一旦發(fā)生事故，無法記錄載荷和清晰責(zé)任。

2）塔機(jī)黑匣子不能預(yù)防事故的發(fā)生。從2005年開始，國內(nèi)開始應(yīng)用塔機(jī)黑匣子記錄儀，由于其只能記錄簡單的塔機(jī)動(dòng)作，監(jiān)管部門、施工主管人員無法對塔機(jī)進(jìn)行有效監(jiān)控，因此黑匣子不能有效預(yù)防事故的發(fā)生[2-3]。

3）監(jiān)管部門缺乏合適監(jiān)控手段與工具。由于塔機(jī)數(shù)量大、分布廣、移動(dòng)性強(qiáng)，監(jiān)管部門缺乏合適的監(jiān)控手段與工具，無法有效對塔機(jī)的工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對其工地的監(jiān)管還存在較大的漏洞。

2.2 安全評估系統(tǒng)

1) 人工檢測手段落后。針對塔機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕、磨損、裂紋程度等物理量的評估，目前還主要靠人為測量，主觀性較大，效率較低，對技術(shù)人員的要求較高，因此檢測結(jié)果往往存在較大誤差，對塔機(jī)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)掌握不準(zhǔn)確。

2) 壽命計(jì)算精度不高。針對塔機(jī)壽命的評估，主要采用名義應(yīng)力法，需要塔機(jī)的載荷記錄作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合塔機(jī)缺陷檢測數(shù)據(jù)才能進(jìn)行有效計(jì)算。由于目前塔機(jī)的載荷記錄設(shè)施不完善，無法精確采集塔機(jī)的載荷記錄信息，因此，利用名義應(yīng)力法進(jìn)行安全評估和剩余壽命的計(jì)算精度低，只能用于估算。

3) 傳感融合與理論計(jì)算相結(jié)合的評估方法成為現(xiàn)實(shí)。由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，新一代的塔機(jī)安全裝置可以具備載荷記錄功能，這些為壽命計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。結(jié)合對塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的缺陷檢測，如腐蝕、磨損、焊縫裂紋長度等物理量，建立合適的壽命計(jì)算模型，可以為比較精確計(jì)算當(dāng)前塔機(jī)的安全工作狀態(tài)和剩余壽命。

3 設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 開發(fā)思路

1）基于傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)，通過控制器記錄塔機(jī)實(shí)時(shí)工作信息，并實(shí)時(shí)監(jiān)控塔機(jī)安全狀態(tài)，防止超載等現(xiàn)象的發(fā)生。

2）采用GPS/GPRS無線通訊技術(shù)，將現(xiàn)場端信號通過衛(wèi)星發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器端?；趶?qiáng)大的存儲(chǔ)和計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)載荷記錄、工作循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)。

3）基于名義應(yīng)力法和熱點(diǎn)應(yīng)力法，結(jié)合塔機(jī)評估技術(shù)規(guī)程[4]，對塔機(jī)關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行壽命評估，本系統(tǒng)的開發(fā)思路如圖3所示。

圖3 開發(fā)思路框圖

3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）保證傳感器測量數(shù)據(jù)的高精度。本設(shè)計(jì)采用編碼器用于塔機(jī)小車幅度、吊鉤高度、回轉(zhuǎn)角度的測量，避免了傳統(tǒng)塔機(jī)“黃盒子”的固有誤差；采用了S形力傳感器，重點(diǎn)保證了力矩計(jì)算精度；主控制器采用了建筑機(jī)械專用控制器Kinco K506-30EA為主控單元，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，并采用組態(tài)軟件開發(fā)人機(jī)交互界面；服務(wù)器端基于Web服務(wù)器Microsoft. NET Framework軟件開發(fā)，只要用戶能夠上網(wǎng)，即可以方便登陸與使用。

2）監(jiān)控系統(tǒng)接入塔機(jī)安全控制。為了有效預(yù)防塔機(jī)出現(xiàn)違規(guī)操作，當(dāng)塔機(jī)出現(xiàn)負(fù)荷率超過規(guī)定值，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)切斷危險(xiǎn)動(dòng)作，防止塔機(jī)朝危險(xiǎn)方向繼續(xù)作業(yè)，并將操作過程記錄在案。

3）在服務(wù)器端，集成了實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、載荷記錄、工作循環(huán)統(tǒng)計(jì)、壽命計(jì)算模型等功能，形成了比較完整的塔機(jī)壽命評估系統(tǒng)，并根據(jù)輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成安全評估報(bào)告，可以服務(wù)于不同的客戶對象，如監(jiān)管部門、塔機(jī)業(yè)主、施工單位等。

4 應(yīng)用案例

在內(nèi)蒙古及江蘇常州地區(qū)，已經(jīng)建立了批量應(yīng)用示范工程。圖4-圖6是常州某工地QTZ63塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器及主機(jī)安裝圖，圖7是監(jiān)控終端主界面。經(jīng)過一年多的示范應(yīng)用，安裝監(jiān)控系統(tǒng)后的100多套塔機(jī)沒有出現(xiàn)任何事故，有效提升了當(dāng)?shù)氐陌踩O(jiān)控管理手段。

圖4 塔機(jī)監(jiān)控終端安裝

圖5 小車幅度傳感器安裝位置

圖6 力傳感器安裝位置

圖7 塔機(jī)監(jiān)控終端主界面

服務(wù)器端利用塔機(jī)各個(gè)性能參數(shù)的監(jiān)測和計(jì)算，基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對塔機(jī)典型焊接結(jié)構(gòu)計(jì)算疲勞壽命，結(jié)合《建筑起重機(jī)械安全評估技術(shù)規(guī)程》[4]，對塔機(jī)的安全作業(yè)狀況有一個(gè)明確的評估，輸出塔機(jī)目前的安全工作狀態(tài)和需要進(jìn)行整改的下一步工作內(nèi)容，自動(dòng)生成安全評估報(bào)告，減小了人為計(jì)算的誤差，提高了塔機(jī)安全評估的精確度，為塔機(jī)維保提供了數(shù)據(jù)支持。圖8是服務(wù)器端主監(jiān)控界面，圖9是基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對塔機(jī)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命評估的主界面。

圖8 服務(wù)器端主監(jiān)控界面

圖9 塔機(jī)壽命評估界面

5 結(jié)束語

通過塔機(jī)安全監(jiān)控與評估系統(tǒng)的應(yīng)用，監(jiān)管部門和其他塔機(jī)利益相關(guān)方能夠通過上網(wǎng)和手機(jī)短信迅速掌握施工現(xiàn)場各臺塔機(jī)的使用情況，建立以政府監(jiān)管部門、施工單位等為主體的統(tǒng)一的管理平臺，最大程度地實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化的安全管理和信息溝通。通過有效的壽命評估方法，為科學(xué)監(jiān)管提供了一種先進(jìn)的手段，減少了安全監(jiān)管的工作量，提高了監(jiān)管效率，在遏制重大事故、大幅度減少一般事故、保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全方面發(fā)揮了重要作用。

1 王鐵柱,侯義東.機(jī)正常工作年限評估方法的探索[J].建筑機(jī)械化,2009,29(12):35~37.

2 包世洪.機(jī)的使用壽命和評估.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理[J], 2008(05):130~134.

3 陸志遠(yuǎn),殷晨波,劉志剛.超期使用的塔機(jī)檢測和評估方法[J].建筑機(jī)械化,2010(06):70~73.

4 JGJ/T 189-2009建筑起重機(jī)械安全評估技術(shù)規(guī)程[S].

5 孫社教.塔式起重機(jī)檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)與對策[J].中國特種設(shè)備安全,2011,27（3）27~28

下期要目

★論特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范的基本安全要求

★埋地聚乙烯燃?xì)夤艿阑谑Ｊ降娜鏅z驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用

★淺談社會(huì)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的公正性和服務(wù)性問題

★珠光體耐熱鋼膜式水冷壁制造工藝化

Development and Application of Safety Monitoring and Evaluation System of Tower Cranes

Cai Fuhai1Li Shuqing2Li Mengran2He Yingren2Yang Shaowei3

(1. Dalian University of Technology Dalian 116023)
(2. Chifeng Special Equipment Quality Safe Inspection Center Chifeng 024000)
(3. Construction Machinery Research Center (Xuzhou) of Dalian University of Technology Xuzhou 221004)

There are many construction projects currently in China, the number of tower cranes in service increase sharply. If the government doesn’t to strengthen the regulation and improvement of means of control, safety accidents as the tower will increase. The tower crane accidents occurred on the main reasons was analyzed, and the tower crane safety monitoring and evaluation system of the technology status, development of a new tower crane safety monitoring and evaluation system are briefly described. Through a summary of the experimental project, the development trend of points of current tower crane safety monitoring and evaluation system is pointed out. And for the safe operation of tower crane, a new technical method is offered.

Tower Cranes Safety monitoring Evaluation System Technology Status

A

1673－257X(2014)06－16－04

蔡福海 (1982～) 男，工程師，總經(jīng)理，主要從事特種設(shè)備安全及管理工作。

2014－01－24）