楊紹普 邢海軍 郭文武 王金祥 蔡維棟

1.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊，050043

2.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司，秦皇島，066004

3.中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津，300308

0 引言

大型施工機(jī)械是保障國(guó)家重大工程建設(shè)的關(guān)鍵裝備，與常用的機(jī)械設(shè)備相比，大型施工機(jī)械具有低速、重載、大扭矩、大推力、大尺度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。大型施工機(jī)械一旦出現(xiàn)安全問題往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此，大型施工機(jī)械的安全性是保障工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。國(guó)家各部門高度重視大型施工機(jī)械、起重機(jī)械等特種設(shè)備的安全性，頒布了一系列的安全法規(guī)［1－3］。大型施工機(jī)械的安全性與設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、施工工藝、監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)密切相關(guān)，其中安全設(shè)計(jì)是保證安全施工的首要環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段，必須對(duì)施工對(duì)象、施工工藝、施工載荷、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境乃至施工人員的操作水平進(jìn)行全面的分析，明確其中與安全相關(guān)的關(guān)鍵問題，采用科學(xué)的安全分析方法指導(dǎo)安全設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［4－8］對(duì)架橋機(jī)、起重機(jī)的安全性展開了研究，但其研究重點(diǎn)都是針對(duì)具體施工機(jī)械的某一部件的安全問題展開的。已經(jīng)頒布的安全標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)相關(guān)機(jī)械的安全設(shè)計(jì)有著明確的規(guī)定，但其適用范圍往往局限于某一類機(jī)械，但大型施工機(jī)械種類繁多，有的機(jī)械無(wú)相應(yīng)的具體規(guī)范可依，設(shè)計(jì)者只能參照相近的規(guī)范進(jìn)行安全設(shè)計(jì)，這要求設(shè)計(jì)者具有豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，即使如此，安全問題也時(shí)有發(fā)生。因此，提出滿足工程需求的、操作性強(qiáng)的安全設(shè)計(jì)方法，建立科學(xué)的、系統(tǒng)的安全分析體系，對(duì)指導(dǎo)大型施工機(jī)械的安全設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。近年來我國(guó)的高鐵、隧道建設(shè)突飛猛進(jìn)，相應(yīng)的大型施工機(jī)械（如架橋機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等）市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，其安全設(shè)計(jì)引起了研制單位及施工單位的關(guān)注。石家莊鐵道大學(xué)從2003年起與秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司、北京華隧通股份有限公司、河北新大地機(jī)電設(shè)備有限公司等多家企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了900t架橋機(jī)、隧道盾構(gòu)機(jī)、高鐵無(wú)渣軌道混凝土澆注機(jī)等大型施工機(jī)械，在這些設(shè)備的研發(fā)過程中，對(duì)大型施工機(jī)械的安全分析、安全設(shè)計(jì)、安全評(píng)估及安全檢測(cè)與監(jiān)測(cè)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，并將研究成果應(yīng)用到了相關(guān)的大型施工機(jī)械，提高了大型機(jī)械的施工安全性。

本文提出了施工工藝驅(qū)動(dòng)的大型施工機(jī)械三維安全分析體系，并采用該體系對(duì)高鐵用900t架橋機(jī)的安全性進(jìn)行了分析。

1 施工工藝驅(qū)動(dòng)的三維安全分析體系

1.1 安全分析方法

為了提高大型施工機(jī)械的安全性，在總體方案的擬訂階段需要全面系統(tǒng)地分析大型施工機(jī)械施工中的危險(xiǎn)因素、危險(xiǎn)后果，并要綜合利用人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械設(shè)備安全工程學(xué)以及設(shè)備安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出的一般理論［9］，結(jié)合大型施工機(jī)械施工工藝，提出危險(xiǎn)解決方案。與以機(jī)械為中心，以機(jī)、電、液系統(tǒng)構(gòu)成作為子系統(tǒng)劃分的依據(jù)不同，安全分析時(shí)，將大型施工機(jī)械按其主要功能分成作業(yè)部、走行部、傳動(dòng)部、支撐部等機(jī)械子系統(tǒng)。大型施工機(jī)械施工的各工序及工序的切換方式相對(duì)固定，安全分析時(shí)，根據(jù)作業(yè)的動(dòng)作順序，將工序及工序的切換一一排列，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)每個(gè)工序的安全要素進(jìn)行分析，就得到了圖1所示的施工工藝驅(qū)動(dòng)的三維安全分析體系。

圖1 三維安全分析體系

三維安全分析體系的三個(gè)坐標(biāo)軸分別表示施工工藝流程（工序及工序切換）、機(jī)械功能子系統(tǒng)和安全解決方案。該體系以施工工藝為主線，以完成工序（或作業(yè)）的機(jī)械功能類別為依據(jù)，分層次展開，系統(tǒng)地分析各子系統(tǒng)與工藝狀態(tài)及工藝切換對(duì)應(yīng)的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)、危險(xiǎn)因素、危險(xiǎn)后果。對(duì)影響安全的危險(xiǎn)環(huán)節(jié)給出解決方案并歸類，即根據(jù)安全問題的性質(zhì)、解決問題的技術(shù)成熟度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等，將直接可由機(jī)械設(shè)計(jì)（包括冗余設(shè)計(jì)）解決的環(huán)節(jié)歸類于機(jī)械設(shè)計(jì)，將安全技術(shù)成熟且易于實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)歸類于由主控制器完成的閉環(huán)控制，將直接影響人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行過程安全但又難以實(shí)施閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)歸類于實(shí)施安全監(jiān)測(cè)，將非突發(fā)性的因狀態(tài)演變最終導(dǎo)致失效影響安全的環(huán)節(jié)（需有特定檢測(cè)方法和數(shù)據(jù)處理方法支持）歸類于采用定期檢測(cè)、長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)策略。上述分析法突出的優(yōu)點(diǎn)是可層次分明地展現(xiàn)作業(yè)功能部件、作業(yè)對(duì)象、人、環(huán)境間相互作用的安全性。

1.2 安全分析方法的具體實(shí)施

采用三維安全分析體系實(shí)施安全分析時(shí)，按照?qǐng)D2所示流程進(jìn)行程式化分析，其中“施工工藝流程”列將施工工藝分解成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的工序（或作業(yè)），“狀態(tài)”列表示該工序的作業(yè)動(dòng)作或完成的功能，“危險(xiǎn)分析”列表示對(duì)應(yīng)工序存在的危險(xiǎn)因素及危險(xiǎn)后果，“解決方案”列表示避免危險(xiǎn)因素的措施。

圖2 安全分析流程

2 TLJ900型架橋機(jī)安全分析

橋梁在我國(guó)高鐵線路中占有很大比例，其結(jié)構(gòu)形式以全跨預(yù)制、逐跨架設(shè)的簡(jiǎn)支箱梁為主，其中32m跨度箱梁重達(dá)900t。為了提高架梁作業(yè)效率，保障施工安全可靠，秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工股份有限公司與石家莊鐵道大學(xué)共同研制了TLJ900型高速鐵路架橋機(jī)，該架橋機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要架設(shè)20m、24m、32m三種梁型。架橋機(jī)作業(yè)時(shí)要完成架梁、過孔、變跨等動(dòng)作，本節(jié)采用所提出的安全分析方法對(duì)該設(shè)備的架梁作業(yè)過程進(jìn)行安全分析。

2.1 TLJ900型架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

TLJ900型高速鐵路架橋機(jī)主要包括金屬結(jié)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、走行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等部分。其中金屬結(jié)構(gòu)主要包括主梁、前支腿、后支腿、懸臂梁及下導(dǎo)梁；起升機(jī)構(gòu)包括卷?yè)P(yáng)機(jī)、起升吊具、鋼絲繩及滑輪組（安裝于前后吊梁行車及起升吊具）；走行機(jī)構(gòu)包括前吊梁行車、后吊梁行車、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；動(dòng)力系統(tǒng)主要包括柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組及其附屬部件；液壓系統(tǒng)包括輔助支腿伸縮油缸、后支腿臺(tái)車伸縮油缸及油泵、油箱等液壓附件；電氣控制系統(tǒng)包括操作控制系統(tǒng)及走行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)的供電系統(tǒng)。TLJ900型架橋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TLJ900型架橋機(jī)主要結(jié)構(gòu)

2.2 TLJ900型架橋機(jī)的架梁作業(yè)流程

TLJ900型架橋機(jī)架梁作業(yè)流程如圖4所示，作業(yè)順序依次為：運(yùn)梁車喂梁，前吊梁行車吊梁→前吊梁行車吊梁前行→后吊梁行車吊梁，與前吊梁行車吊梁至落梁位置→前后吊梁行車共同落梁。

圖4 TLJ900型架橋機(jī)架梁作業(yè)流程

2.3 TLJ900型架橋機(jī)架梁作業(yè)安全分析

為了減小制造、運(yùn)輸及安裝成本，研制架橋機(jī)時(shí)應(yīng)在保證作業(yè)安全可靠的情況下，對(duì)架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電氣及液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須事先根據(jù)架橋機(jī)的施工工藝對(duì)架橋機(jī)的安全影響因素及保障措施做出詳盡分析，提出架橋機(jī)安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。TLJ900型架橋機(jī)架梁作業(yè)時(shí)的安全分析如圖5所示，根據(jù)圖5的安全分析，電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)及金屬結(jié)構(gòu)的安全性是保證架橋機(jī)安全施工的關(guān)鍵。其中電氣系統(tǒng)可通過常規(guī)連鎖開關(guān)、過載保護(hù)開關(guān)等確保其不會(huì)由于設(shè)備產(chǎn)生故障而超載運(yùn)行；液壓系統(tǒng)可通過溢流閥、液壓鎖等裝置避免安全事故的發(fā)生?，F(xiàn)將架橋機(jī)的作業(yè)部、傳動(dòng)部、走形部、支撐部的關(guān)鍵安全問題進(jìn)行總結(jié)。

（1）作業(yè)部的安全分析。架橋機(jī)的起升機(jī)構(gòu)為作業(yè)部，架橋機(jī)作業(yè)時(shí)起升機(jī)構(gòu)存在的主要不安全因素以及設(shè)計(jì)階段采取的應(yīng)對(duì)措施如下：

①起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)不可靠。為了避免該情況發(fā)生，應(yīng)在鋼絲繩卷筒及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸設(shè)置二級(jí)制動(dòng)裝置，另外在卷筒處設(shè)置失速保護(hù)裝置，一旦出現(xiàn)下降速度過快，立即啟動(dòng)制動(dòng)裝置。

②鋼絲繩磨損嚴(yán)重導(dǎo)致承載能力下降，最終引起鋼絲繩斷裂。為了避免該情況發(fā)生，架橋機(jī)作業(yè)時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼絲繩的磨損情況進(jìn)行定期檢測(cè)。

③吊具的吊桿發(fā)生斷裂。為了避免該情況發(fā)生，作業(yè)時(shí)，應(yīng)對(duì)吊桿進(jìn)行定期探傷。

④吊具、吊桿受力不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞。為了避免此情況發(fā)生，應(yīng)對(duì)起升機(jī)構(gòu)的滑輪組及吊具都采用四點(diǎn)起吊三點(diǎn)平衡技術(shù)，保證吊具、吊桿受力明確，避免由于超靜定問題的存在而導(dǎo)致鋼絲繩及吊桿受力不均。

（2）走形部的安全分析。架橋機(jī)的走形部主要包括前后吊梁行車、后支腿臺(tái)車、輔助支腿，走形部存在的主要不安全因素以及設(shè)計(jì)階段采取的應(yīng)對(duì)措施如下：

①運(yùn)梁車喂梁時(shí)，運(yùn)梁車無(wú)法在預(yù)定位置停車而與架橋機(jī)后腿相撞，引起架橋機(jī)傾覆。為了避免該情況發(fā)生，應(yīng)在電氣系統(tǒng)安裝紅外線防碰撞開關(guān)。

②在落梁位置處900t箱梁與架橋機(jī)前支腿碰撞，引起架橋機(jī)傾覆。為了避免該情況發(fā)生，電氣系統(tǒng)應(yīng)安裝限位開關(guān)。

③空載時(shí)，前后吊梁小車發(fā)生碰撞。為了避免該情況發(fā)生，電氣系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外線防碰撞開關(guān)。

④架橋機(jī)過孔時(shí)，主機(jī)行走距離過長(zhǎng)而沖出下導(dǎo)梁，導(dǎo)致架橋機(jī)傾覆。為了避免該情況發(fā)生，應(yīng)在下導(dǎo)梁安裝無(wú)線位置開關(guān)。

（3）支撐部的安全分析。架橋機(jī)的支撐部即架橋機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)，架橋機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)用來承受結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、移動(dòng)的900t箱梁質(zhì)量。下導(dǎo)梁的金屬結(jié)構(gòu)用來承受結(jié)構(gòu)自重及過孔時(shí)移動(dòng)的主機(jī)質(zhì)量，金屬結(jié)構(gòu)是否滿足作業(yè)要求是保證架橋機(jī)安全施工最為關(guān)鍵的問題。對(duì)架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全設(shè)計(jì)時(shí)，首先要分析架橋機(jī)各個(gè)工序所受的各種載荷，分析架橋機(jī)所受載荷時(shí)，要根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811－2008的載荷分類，結(jié)合TLJ900實(shí)際施工情況確定，而后對(duì)架橋機(jī)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

圖5 TLJ900型架橋機(jī)架梁作業(yè)安全分析

①?gòu)?qiáng)度計(jì)算。要分別計(jì)算前吊梁行車吊梁時(shí)主梁后懸臂梁的強(qiáng)度、前吊梁行車行至主梁跨中時(shí)主梁的強(qiáng)度、后吊梁行車起升時(shí)后支腿的強(qiáng)度、前后吊梁行車吊梁至落梁位置時(shí)前支腿的強(qiáng)度、過孔時(shí)架橋機(jī)輔助支腿行至下導(dǎo)梁跨中位置時(shí)下導(dǎo)梁跨中的強(qiáng)度。為了明確架橋機(jī)、下導(dǎo)梁的支腿受力，前支腿要在吊重前調(diào)平，避免出現(xiàn)受力不對(duì)稱引起結(jié)構(gòu)單側(cè)承載過大現(xiàn)象，因此前支腿要安裝調(diào)節(jié)裝置。

②穩(wěn)定性計(jì)算。要計(jì)算前吊梁行車吊梁時(shí)架橋機(jī)的縱向穩(wěn)定性、架橋機(jī)工作與非工作狀態(tài)的橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性，除此之外，架橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性要滿足要求。

③剛度計(jì)算。架橋機(jī)吊梁時(shí)，架橋機(jī)的撓度要滿足規(guī)范要求。

（4）傳動(dòng)部的安全分析。架橋機(jī)的傳動(dòng)部包括起升機(jī)構(gòu)、走形機(jī)構(gòu)的減速機(jī)、滑輪組等部件，傳動(dòng)部的安全設(shè)計(jì)要在全面分析部件所受的各種載荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)部件的選型。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了提高大型施工機(jī)械的安全性，提出了大型施工機(jī)械的三維安全分析體系，該體系可以有效地指導(dǎo)大型施工機(jī)械的安全設(shè)計(jì)，以900t架橋機(jī)架梁作業(yè)為例，詳細(xì)分析了三維安全分析體系在安全設(shè)計(jì)中的具體實(shí)施方法。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB6067.1－2010起重機(jī)械安全規(guī)程［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB26469－2011架橋機(jī)安全規(guī)程［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T28264－2012起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［4］Li Xiangyang，Zhan Jing，Jiang Fuliang，et al.Cause Analysis of Bridge Erecting Machine Tipping Accident Based on Fault Tree and the Corresponding Countermeasures［J］.Procedia Engineering，2012，45：43－46.

［5］Aneziris O N，Papazoglou I A ，Mud M L，et al.Towards Risk Assessment for Crane Activities［J］.Safety Science，2008，46（6）：872－884.

［6］Ruud S，Age M.Risk－based Rules for Crane Safety Systems［J］.Reliability Engineering and System Safety，2009，93（9）：1369－1376.

［7］Cheng Zhang，Hammad A.Improving Lifting Motion Planning and Re－planning of Cranes with Consideration for Safety and Efficiency［J］.Advanced Engineering Informatics，2012，26（2）：396－410.

［8］Tama V W Y，F(xiàn)ung I W H.Tower Crane Safety in the Construction Industry：a Hong Kong Study［J］.Safety Science，2011，49（2）：208－215.

［9］全國(guó)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.