謝恩來(lái)

（清遠(yuǎn)市建筑施工安全檢測(cè)服務(wù)中心，廣東 清遠(yuǎn) 511515）

1 概述

近年來(lái)，塔式起重機(jī)以其高效的垂直運(yùn)輸能力使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但同時(shí)也造各類(lèi)運(yùn)行安全事故頻發(fā)，已占各類(lèi)工地重特大安全事故的30%。在所有塔機(jī)事故中，安全保護(hù)裝置缺失或失效占了很大部分，調(diào)查表明，在被調(diào)查的塔機(jī)中有40%是小車(chē)變幅限位失效。在這些安全裝置中，起重力矩限制器失靈造成的超載事故比較多［1］，因此，提高塔機(jī)使用安全性和可靠性是非常必要的。

2 塔機(jī)結(jié)構(gòu)及安全保護(hù)裝置

2.1 塔機(jī)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有安全保護(hù)裝置及其缺點(diǎn)

塔機(jī)的作業(yè)空間大，是在三維空間內(nèi)運(yùn)行，塔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠不同機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)的是由起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)相互配合來(lái)完成的。目前塔機(jī)上裝設(shè)的安全裝置主要有兩大類(lèi)：行程限位器和超載限制器。行程限位器包括起升高度限位器、變幅幅度限位器、回轉(zhuǎn)角度限位器和速度限制器。超載限制器包括起重量限制器和起重力矩限制器。

現(xiàn)有這些限制器都屬機(jī)械機(jī)構(gòu)式保護(hù)裝置，存在以下缺點(diǎn)。

（1）保護(hù)裝置僅在到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)才突然發(fā)生作用而無(wú)法在接近極限狀態(tài)時(shí)發(fā)生提示，容易發(fā)生危險(xiǎn)。

（2）保護(hù)裝置無(wú)法完成工作過(guò)程中有關(guān)參數(shù)的顯示，司機(jī)不能做到心中有數(shù)。

（3）保護(hù)裝置無(wú)自檢功能，一旦損壞不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在安全隱患問(wèn)題。

（4）現(xiàn)代建筑施工現(xiàn)場(chǎng)，為了加快施工進(jìn)度，降低成本，經(jīng)常要求塔機(jī)處于飽和工作狀態(tài)，以充分使用塔機(jī)的作業(yè)能力，而一旦達(dá)到極限狀態(tài)，安全保護(hù)裝置起作用，塔機(jī)就斷電停機(jī)，這樣不但大大降低了工作效率，而且突然停機(jī)的沖擊動(dòng)載荷更加大了塔機(jī)運(yùn)行的危險(xiǎn)性。

2.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

針對(duì)上述問(wèn)題，在分析塔機(jī)結(jié)構(gòu)及其安全性能要求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了實(shí)用有效的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。綜合考慮塔機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的原理，最終確定了實(shí)時(shí)檢測(cè)的參數(shù)有：起重力矩、起重量、變幅位置、變幅速度、起升高度、起升速度、回轉(zhuǎn)角度等。

變幅幅度和速度檢測(cè)示意圖如圖1所示。當(dāng)變幅電機(jī)帶動(dòng)小車(chē)牽引卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小車(chē)向收繩端移動(dòng)。由于牽引卷筒直徑已知，通過(guò)測(cè)量卷筒的轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可計(jì)算出小車(chē)的變幅位移和方向，幅度檢測(cè)可用測(cè)量角位移的傳感器實(shí)現(xiàn)，這里選用增量式光電編碼器。將傳感器安裝在導(dǎo)向定滑輪處比較合適，通過(guò)測(cè)量與定滑輪同步旋轉(zhuǎn)的傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)即可求出小車(chē)的變幅位置。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)示意圖

起升高度監(jiān)測(cè)和起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩穿繞示意圖如圖2所示。起升鋼絲繩一端固定于塔尖，另一端纏繞在起升卷筒上，當(dāng)起升電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)起升卷筒向不同方向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和換向輪就變?yōu)榈蹉^的垂直上下運(yùn)動(dòng)。若定滑輪直徑已知，則當(dāng)滑輪組倍率為2時(shí)，定滑輪周長(zhǎng)與轉(zhuǎn)數(shù)的乘積即為起升位移的兩倍。因此，可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)向滑輪的角位移間接測(cè)出起升高度。選用增量式光電編碼器作為傳感器。

圖2 起升鋼絲繩穿繞及起升高度傳感器安裝示意圖

回轉(zhuǎn)角度測(cè)量示意圖如圖3所示。當(dāng)臂架回轉(zhuǎn)時(shí)，上轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)限制器轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪1一方面圍繞回轉(zhuǎn)大齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面繞自己軸線自轉(zhuǎn)。小齒輪的自轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠3旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)螺母2帶動(dòng)電位器式位移傳感器6。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)觸點(diǎn)沿電位器滑動(dòng)。已知螺桿螺距以及電阻變化量即可計(jì)算出回轉(zhuǎn)角度。圖中保留了原有的左右回轉(zhuǎn)限位器，用于回轉(zhuǎn)極限的限位保護(hù)，而位移傳感器測(cè)量出的角度可用于軟件設(shè)定塔機(jī)回轉(zhuǎn)的工作范圍。

圖3 回轉(zhuǎn)角度測(cè)量傳感器安裝示意圖

起重力矩監(jiān)測(cè)示意圖如圖4所示。在原有弓形彈性鋼板原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，用位移傳感器檢測(cè)弓形鋼板中點(diǎn)的繞曲位移，通過(guò)定量分析鋼板繞曲位移與力矩之間的關(guān)系，可實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示塔機(jī)所承受的起重力矩。

圖4 起重力矩監(jiān)測(cè)裝置示意圖

拉力傳感器安裝示意圖如圖5所示。當(dāng)?shù)跗鹬匚飼r(shí)，吊重的作用使鋼絲繩受拉，鋼絲繩所受合力使擺桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，力臂擺桿傳遞給彈簧拉桿，拉力傳感器位于拉桿與彈簧之間，由于擺桿長(zhǎng)度已知，通過(guò)力矩平衡關(guān)系以及鋼絲繩的倍率關(guān)系即可求出起重量的大小。

圖5 拉力傳感器安裝示意圖

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。塔吊前端監(jiān)控裝置和后端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)在對(duì)塔吊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控、運(yùn)行記錄和聲光報(bào)警的同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將塔吊運(yùn)行工況的安全數(shù)據(jù)和報(bào)警信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到遠(yuǎn)程GIS可視化監(jiān)控平臺(tái)，并能在報(bào)警時(shí)自動(dòng)觸發(fā)手機(jī)短信向相關(guān)人員告知，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)程告知。

圖6 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

該監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理為各傳感檢測(cè)節(jié)點(diǎn)集成了傳感功能和數(shù)據(jù)處理功能。系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)起重機(jī)的相應(yīng)工作參數(shù)和狀態(tài)信息，還可對(duì)該信息進(jìn)行處理，再發(fā)送到總線上。繼電器控制節(jié)點(diǎn)與起重機(jī)自身的電氣系統(tǒng)相連接，提供完備的參數(shù)超限保護(hù)功能，能有效阻止危險(xiǎn)操作，防止事故發(fā)生。人機(jī)接口節(jié)點(diǎn)可實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)工作參數(shù)，方便操作人員直觀了解起重機(jī)狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起重機(jī)的工作記錄，包括系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)或者外部U盤(pán)存儲(chǔ)，為日后起重機(jī)維護(hù)和事故處理提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在智能終端和Internet監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP/IP的數(shù)據(jù)通道，監(jiān)控中心把通過(guò)這條通道傳送來(lái)的起重機(jī)位置數(shù)據(jù)和工作參數(shù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，后臺(tái)服務(wù)軟件讀取并顯示這些數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)管起重機(jī)的工作情況。此外，后臺(tái)服務(wù)軟件還提供支持用戶權(quán)限的訪問(wèn)界面，即無(wú)論何時(shí)何地，用戶只要通過(guò)用戶名和密碼并借助瀏覽器訪問(wèn)這個(gè)平臺(tái)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)機(jī)群信息的運(yùn)行管理。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸介紹

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送首先要對(duì)數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行初始化，將主機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接，分配IP地址，設(shè)置好通信波特率和通信端口。監(jiān)控中心是整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的操作、維護(hù)、處理、統(tǒng)計(jì)、分析和監(jiān)控的中心。其次對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的主機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，將通信波特率與遠(yuǎn)程主機(jī)同步，然后進(jìn)行撥號(hào)連接，將終端的類(lèi)別設(shè)置為GPRS永遠(yuǎn)在線上網(wǎng)模式，保持和維護(hù)鏈路的連接，并分配IP地址。GPRS無(wú)線模塊接收到監(jiān)控中心的主機(jī)IP地址后將其存入數(shù)據(jù)終端的配置地址域中。

監(jiān)控中心接收端的主界面如圖7所示。在監(jiān)控中心的主界面電子地圖上可以顯示出用戶位置，移動(dòng)鼠標(biāo)圖標(biāo)可動(dòng)態(tài)顯示用戶當(dāng)前運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)（載重、幅度、力矩、高度、角度），并實(shí)時(shí)更新。根據(jù)用戶編號(hào)或用戶名可查詢特定用戶的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)特定用戶可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并保存其數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控中心接收端的軟件還可以添加新用戶，包括用戶編號(hào)、名稱(chēng)、塔機(jī)型號(hào)、生產(chǎn)廠家等信息。根據(jù)其中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)信息可以查詢其所有信息，通過(guò)監(jiān)控中心發(fā)送指令可控制任意塔機(jī)，塔機(jī)接收到指令后，會(huì)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)發(fā)送當(dāng)前的工作狀態(tài)信息，即可在查詢系統(tǒng)的地圖上實(shí)時(shí)顯示用戶塔機(jī)的實(shí)時(shí)工作信息，并可以選擇其中的信息存儲(chǔ)到服務(wù)器中。

5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)及分析

為了能夠較客觀地對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)定，選擇工作環(huán)境較復(fù)雜的某港口機(jī)械廠在用QTZ63型塔機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該塔機(jī)的最大幅度為50m，最大載重為6t。

為了對(duì)起重量精度進(jìn)行評(píng)估，我們?cè)?0.3t、1t、2t、4t、5t、6t這 6 組不同吊重下展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。由于塔機(jī)在突然啟動(dòng)或突然制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)載沖擊，可能會(huì)使系統(tǒng)檢測(cè)值產(chǎn)生較大波動(dòng)，因此對(duì)每種吊重均按照快檔起升、慢檔起升、停鉤保持、慢檔下落、快檔下落的先后順序進(jìn)行操作，每組反復(fù)5次以觀察動(dòng)載對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

為了對(duì)幅度精度進(jìn)行評(píng)估，把起重臂的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)視為測(cè)量位置，將小車(chē)分別停在各測(cè)量點(diǎn)上，將實(shí)測(cè)值與真實(shí)值進(jìn)行比較。對(duì)于高度精度的評(píng)估，以塔機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，將吊鉤停在各測(cè)量位置處，比對(duì)實(shí)測(cè)值和真實(shí)值。對(duì)于角度精度的評(píng)估，以30°為一個(gè)測(cè)量位置，將塔身停在相應(yīng)的角度，比對(duì)實(shí)測(cè)值和真實(shí)值。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出：

（1）整個(gè)系統(tǒng)的起重量精度控制在±60kg以內(nèi)，幅度精度控制±20cm以內(nèi)，高度精度控制在±20cm以內(nèi)，回轉(zhuǎn)角度控制在±5°以內(nèi)，可完全滿足用戶要求。

圖7 監(jiān)控中心的軟件主界面

表1 測(cè)試結(jié)果

（2）監(jiān)控終端發(fā)向監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)正確率達(dá)93%左右。

（3）監(jiān)控中心發(fā)向監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)正確率達(dá)97%左右。

（4）時(shí)延主要與通信速率有關(guān)，在通信速率小于10kb/s時(shí)，平均時(shí)延在1s左右，單程時(shí)延就在0.5s左右。監(jiān)控終端和監(jiān)控中心通信速率大都在10kb/s以下，監(jiān)控終端的參數(shù)傳送到監(jiān)控中心的時(shí)間大約在0.5s左右，其通信的實(shí)時(shí)性比較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了塔機(jī)的結(jié)構(gòu)及其常用安全防護(hù)裝置的缺點(diǎn)，提出了一種安全監(jiān)控系統(tǒng)，討論了該系統(tǒng)的主要功能和特點(diǎn)，完成了系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性，完全適合于塔機(jī)的安全監(jiān)控管理。經(jīng)過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和無(wú)線通訊實(shí)驗(yàn)論證，該系統(tǒng)具有較高的精度、實(shí)時(shí)性和可靠性，它不僅可以實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)的工作狀態(tài)，還具有預(yù)警、超限制動(dòng)保護(hù)等功能，同時(shí)還能遠(yuǎn)程監(jiān)控并記錄塔機(jī)工作的全過(guò)程，用戶可以隨時(shí)登陸并查詢歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為塔機(jī)日常維護(hù)和事故判定提供有力的數(shù)據(jù)支持。

［1］范俊祥.塔式起重機(jī)［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.

［2］付強(qiáng)松.基于無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.信息與電子工程，2007，（10）：56－57.