張英杰

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 力矩儀介紹

力矩儀是應(yīng)用于臂架型起重機(jī)械的安全監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置，其功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊車各項(xiàng)數(shù)據(jù)，反映吊車運(yùn)行狀態(tài)，在吊車處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警提醒，并在達(dá)到報(bào)警值控制吊車動(dòng)作，以達(dá)到保護(hù)駕駛員和設(shè)備的目的。力矩儀最基本的檢測(cè)數(shù)據(jù)有：主鉤重量、副鉤重量、臂桿角度，并根據(jù)需要配置風(fēng)速、溫度檢測(cè)裝置。

主副鉤重量及臂桿角度在不同工作半徑時(shí)工作重量不同，需要根據(jù)負(fù)載曲線(圖1)設(shè)計(jì)不同的預(yù)警上下限及控制上下限。

預(yù)警信號(hào)：音響預(yù)警信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于等于5s，并與控制信號(hào)有明顯區(qū)別。燈光預(yù)警信號(hào)應(yīng)使用黃色，必須在司機(jī)視野范圍內(nèi)清晰可見。

控制信號(hào)：音響報(bào)警信號(hào)應(yīng)與起重機(jī)環(huán)境噪音有明顯區(qū)別，距發(fā)音部位1m及在司機(jī)位置測(cè)量均不應(yīng)低于75dB(A)。燈光報(bào)警信號(hào)應(yīng)使用紅色，必須在司機(jī)視野范圍內(nèi)清晰可見，同時(shí)控制吊機(jī)動(dòng)作。

圖1 電力吊車負(fù)載曲線Fig.1 Load curve of electric crane

2 海上平臺(tái)現(xiàn)有力矩儀存在的問題

吊車起重設(shè)備是平臺(tái)上危險(xiǎn)性較大的設(shè)備，一旦發(fā)生事故，往往造成嚴(yán)重后果，因此起重設(shè)備的安全問題，歷來都受到高度重視。力矩儀是最重要的安全保護(hù)裝置之一，實(shí)踐證明，正確選用和維護(hù)力矩儀，可以減少甚至杜絕起重設(shè)備因超載超幅引發(fā)重大的責(zé)任事故，保障起重設(shè)備的安全運(yùn)行。

某平臺(tái)吊車力矩儀自投產(chǎn)以來已使用4年，在使用中暴露出許多問題。如力矩系統(tǒng)數(shù)值產(chǎn)生不規(guī)律的漂移，具體表現(xiàn)為吊車指重突然歸零，或指重明顯高于實(shí)際值，其拉力探頭均為軸銷式結(jié)構(gòu)，平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)不具備拆卸檢修的條件，同時(shí)其背光燈還出現(xiàn)故障，導(dǎo)致夜間吊車司機(jī)辨識(shí)參數(shù)困難。這對(duì)平臺(tái)吊裝作業(yè)安全性產(chǎn)生了極大的影響，任其發(fā)展可能引發(fā)吊裝和人身傷害事故。

2.1 角度傳感器

電吊角度傳感器內(nèi)采用減震硅油減震，隨著使用時(shí)間增長，密封失效導(dǎo)致硅油泄漏，顯著影響了角度傳感器的減震效果。當(dāng)?shù)踯囋谶\(yùn)轉(zhuǎn)過程中震動(dòng)較大時(shí)，角度示值偏差較大，在臨近控制角度使用時(shí)，不僅會(huì)影響到設(shè)備使用的穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致控制信號(hào)誤觸發(fā)，影響吊車運(yùn)轉(zhuǎn)的安全可靠。

2.2 重量傳感器

原型號(hào)傳感器(圖2)在連續(xù)幾年的使用后，由于元件壓迫形變，產(chǎn)生了一定的重量偏移，導(dǎo)致示值偏差，不能正常反應(yīng)吊裝重量。由于平臺(tái)定期對(duì)污油罐進(jìn)行吊裝，如果重量傳感器不能如實(shí)反映重量，一旦吊裝超重導(dǎo)致鋼絲繩斷裂，污油罐入海，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重環(huán)保事故，隱患極大。

由于原力矩儀提供的標(biāo)定方式無法完全消除物理因素造成的測(cè)量誤差，且其安裝位置選在定滑輪處，位置狹小危險(xiǎn)，無法拆卸更換，無論是正常操作還是檢修都存在工作人員的人身安全隱患，對(duì)重量傳感器的改造換型迫在眉睫。

圖2 原型號(hào)軸銷傳感器安裝位置Fig.2 Location of axle pin sensor

2.3 風(fēng)速傳感器

該平臺(tái)電吊安裝于駕駛室上方，高度較低。由于安裝位置不當(dāng)，當(dāng)?shù)醣厶幱谡＝嵌葧r(shí)會(huì)對(duì)風(fēng)速起到阻擋降低作用；同時(shí)位于吊車北側(cè)的鉆機(jī)模塊頂部高度高于風(fēng)速儀位置，當(dāng)風(fēng)向由北向南時(shí)，風(fēng)速儀被遮擋，無法正確反映風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)速儀不能如實(shí)反映風(fēng)速時(shí)，會(huì)影響駕駛員對(duì)海況的判斷，一旦風(fēng)速儀產(chǎn)生誤判，在大風(fēng)天氣進(jìn)行吊裝作業(yè)，存在著嚴(yán)重的安全隱患。

2.4 下位機(jī)及顯示儀表

原型號(hào)下位機(jī)功能單一，僅能將傳感器輸入信號(hào)進(jìn)行簡單處理后匯入PLC，對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)無優(yōu)化處理功能，對(duì)如雷擊、斷電等非常情況無應(yīng)對(duì)措施，并且一旦發(fā)生異常情況，下位機(jī)無響應(yīng)保護(hù)機(jī)制，無法保證設(shè)備的完好性和可靠性。另外，下位機(jī)不具備報(bào)警記錄及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，不利于維修人員檢修判斷故障。

自投產(chǎn)以來，顯示儀表背光燈多次出現(xiàn)故障，在陰暗天氣及夜間無法清晰顯示數(shù)值，不利于駕駛員對(duì)吊車運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及時(shí)判斷，易誤判導(dǎo)致不安全后果。

3 力矩儀改造及選型

力矩儀是電子綜合測(cè)量技術(shù)在吊機(jī)上的具體應(yīng)用。起重力矩限制器的設(shè)計(jì)，首先必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12602—2009《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》的要求，同時(shí)根據(jù)平臺(tái)的實(shí)際情況，做到穩(wěn)定可靠、功能全面、使用簡單、顯示直觀。

力矩儀在近幾年里發(fā)展較快，呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：主機(jī)集成化、智能化程度越來越高；顯示器采用多窗口、大屏幕；外觀更加精美；安裝調(diào)整簡捷，產(chǎn)品的可靠性有了大幅度提升。

經(jīng)過多方比較，平臺(tái)吊車最終選用宜昌微特電子設(shè)備公司的力矩限制器產(chǎn)品，其產(chǎn)品融合了多種功能，傳感器安裝或拆卸檢修方便，使用可靠。

3.1 角度傳感器

新選型角度傳感器為JD-180系列角度傳感器，由電位器和擺錘組成，可裝在起重機(jī)的吊桿上，臂桿對(duì)地的角度通過重錘帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)來測(cè)定。當(dāng)臂桿處于不同角度時(shí)，重錘帶動(dòng)相應(yīng)電位器始終垂直于水平位置，電位器旋轉(zhuǎn)使其可移動(dòng)電刷位移，改變相應(yīng)阻值。輸入15V電壓后，由于不同角度下阻值不同，輸出不同電壓，其輸出信號(hào)經(jīng)過放大和調(diào)零電路變成標(biāo)準(zhǔn)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電壓。額定輸出DC 3～6.9V，對(duì)應(yīng)0～90°。

為了減小震動(dòng)對(duì)角度檢測(cè)產(chǎn)生影響，在傳感器內(nèi)填充減震硅油并進(jìn)行密封。安裝方式采用右裝式，在原位置采用原螺栓固定孔。

3.2 重量傳感器

重量傳感器采用軸銷傳感器，其安裝在吊鉤定滑輪處，定滑輪壓在傳感器上，當(dāng)鋼絲繩受力后，定滑輪也隨之受力，軸銷傳感器根據(jù)定滑輪受力的大小而產(chǎn)生不同程度的形變，從而測(cè)量出當(dāng)前的實(shí)際重量。

換型后重量傳感器采用三滑輪取力式軸銷傳感器，如圖3所示。軸銷傳感器安裝于壓輪軸心處，在鋼絲繩受力時(shí)，形變體將形變傳遞給電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片的變化值通過放大和A/D轉(zhuǎn)換送給CPU。采用此重量傳感器，易于維修人員拆卸及檢修操作，同時(shí)可靠性也大為提升。

圖3 換型軸銷傳感器示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor for changing axle pin

3.3 風(fēng)速傳感器

本次改造在不拆除原有風(fēng)速儀的前提下，在吊車頂部新添加一臺(tái)風(fēng)速儀，采用雙風(fēng)速信號(hào)輸入駕駛室，使駕駛員對(duì)風(fēng)速信號(hào)的判斷參考更加準(zhǔn)確，排除安全隱患。

選型采用的風(fēng)速儀是一種新型智能式風(fēng)速監(jiān)控儀，通過風(fēng)速傳感器，采集的風(fēng)速信號(hào)輸出36個(gè)脈沖/圈的脈沖信號(hào)，并在下位機(jī)中將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為風(fēng)速，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際風(fēng)級(jí)與風(fēng)速，當(dāng)實(shí)際值達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，給出開關(guān)量輸出。

3.4 下位機(jī)及顯示儀表

3.4.1 下位機(jī)主板

如圖4所示，WT-W650型力矩限制器儀表主機(jī)板采用全合一CPU主板，將系統(tǒng)全部硬件(CPU、A/D轉(zhuǎn)換、EPROM、EEPROM、控制器及其他)都集成到一塊板上，具有極高的可靠性和抗干擾能力，其具有以下特點(diǎn)：

①將全部現(xiàn)場(chǎng)儀表匯總到下位機(jī)中進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，并將相應(yīng)的報(bào)警和控制信號(hào)輸出給PLC。

②主機(jī)板設(shè)有自恢復(fù)電路WATCH DOG，當(dāng)程序進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)。

③采用SD卡形式存儲(chǔ)、導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，便捷可靠。

④具有防雷擊模塊，在雷擊瞬間斷電以保護(hù)設(shè)備安全。

⑤采用DC18～36V與AC100～240V雙電源設(shè)置，可單獨(dú)使用任意電源，也可同時(shí)使用雙電源以防任一電源斷電。

圖4 下位機(jī)主板實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of the lower computer main board

換型后的主板具有多種保護(hù)功能，顯著增強(qiáng)了力矩儀工作的穩(wěn)定性，具有更高的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)增加了報(bào)警及各項(xiàng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示功能，便于維修人員對(duì)故障的查找判斷。

3.4.2 駕駛室顯示儀表

換型后顯示儀表為彩色觸摸屏，顯示清晰、功能齊全，并具有多種界面及亮度調(diào)節(jié)，優(yōu)化了人機(jī)交互界面，更加有利于駕駛員對(duì)當(dāng)前吊機(jī)工況的判斷。顯示儀參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings

4 試重運(yùn)行驗(yàn)收

根據(jù)GB 12602—2009《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》和CCS的驗(yàn)收要求，改造完成后對(duì)平臺(tái)吊車進(jìn)行試重檢測(cè)，其滿足國家規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，試驗(yàn)負(fù)荷表如表2所示。

5 力矩儀改造換型優(yōu)勢(shì)

①儀表顯示功能：由黑白顯示更換為彩色觸摸屏顯示，由單一顯示增強(qiáng)為各類數(shù)據(jù)與各類信息一屏顯示。

②儀表調(diào)試：原儀表調(diào)試復(fù)雜且需要多點(diǎn)標(biāo)定，喚醒后調(diào)試簡單，單點(diǎn)標(biāo)定即可，直觀且一目了然。

③斷電保護(hù)功能：原力矩儀無意外斷電數(shù)據(jù)保護(hù)與自恢復(fù)和備份功能，換型后內(nèi)部本身有備份功能，主機(jī)板設(shè)有自恢復(fù)電路WATCH DOG，當(dāng)程序進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)。

表2 負(fù)荷試驗(yàn)表Tab.2 Load test table

④損壞保護(hù)：原傳感器未做損壞保護(hù)，換型后各傳感器均采用損壞保護(hù)，不管是傳感器本身還是信號(hào)線故障，儀表會(huì)直接報(bào)警控制。

⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：原力矩儀無吊重、超載數(shù)據(jù)儲(chǔ)存黑匣子記錄功能，換型力矩儀帶操作黑匣子記錄功能，對(duì)危險(xiǎn)操作可返回查看。

⑥電源輸入：原力矩儀電源單通道輸入、無防雷擊保護(hù)，換型后具有雙通道寬電源輸入(DC18～36V與AC100～240V)功能，防雷擊與短路保護(hù)。

力矩儀是保障吊車安全運(yùn)行的重要設(shè)備，因此對(duì)其運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性要求嚴(yán)格。通過本次力矩儀改造，平臺(tái)維修團(tuán)隊(duì)自主選型，在短期時(shí)間內(nèi)高效完成電纜鋪設(shè)、儀表安裝調(diào)試等工作，消除了原力矩儀存在的一系列問題，排除了安全隱患，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，與相關(guān)技術(shù)人員溝通設(shè)計(jì)了如采用雙風(fēng)速儀等更加全面的保護(hù)措施，為確保吊車的安全運(yùn)行提供了更確切的保障，保證了平臺(tái)健康安全環(huán)保設(shè)施的完善。