應(yīng)用新型保護(hù)裝置提高吊管機(jī)作業(yè)安全性

王建輝 劉永紅 萬江濤 徐 艷 劉正瑋 周志杰

河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 062552

吊管機(jī)主要用于管道施工中的布管、對(duì)口和下溝等作業(yè)，是石油天然氣管道施工中的重要施工裝備。目前，常用的吊管機(jī)保護(hù)裝置為有線力矩限制器系統(tǒng)，在使用過程中，尤其是設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中，其取力部件傳感器及線路很容易被碰壞，既造成了經(jīng)濟(jì)損失，又無法使設(shè)備得到有效保護(hù)。 隨著山區(qū)施工越來越多，施工環(huán)境也越來越復(fù)雜，施工場(chǎng)地的搬運(yùn)也越來越頻繁，這樣力矩限制系統(tǒng)的對(duì)吊管機(jī)保護(hù)精度， 以及防止自身損壞的要求越來越高。

吊管機(jī)新型無線信號(hào)傳輸方式的力矩限制器，融電子技術(shù)、微電腦技術(shù)、起重機(jī)械技術(shù)為一體，節(jié)省了重量傳感器、角度傳感器、高度限位器等信號(hào)線和電源線的成本，減少了各傳感器在現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量及難度， 使工程使用中和吊管機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)電纜損壞幾率降至為零，有效保證吊管機(jī)的安全作業(yè)。采用無線方式傳輸能減少力矩系統(tǒng)的許多接口， 同時(shí)也減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的工作量及設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)后恢復(fù)力矩系統(tǒng)的難度和誤接線路導(dǎo)致的力矩系統(tǒng)毀壞頻率，適應(yīng)了管道建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的使用特點(diǎn)及環(huán)境要求，確保吊管機(jī)使用的安全性，降低毀壞頻率，降低了維修費(fèi)用。 同時(shí)，通過對(duì)保護(hù)裝置-無線信號(hào)傳輸力矩限制器系統(tǒng)的調(diào)試、試驗(yàn)、檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)使用，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本保護(hù)裝置的可行性和可靠性。

1 現(xiàn)有吊管機(jī)力矩限制系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

圖1 吊管機(jī)基本機(jī)構(gòu)

吊管機(jī)（如圖1所示）主要用于管道施工中的布管、對(duì)口和下溝等作業(yè)，是國(guó)內(nèi)、外長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)中的重要裝備。 其在工作時(shí)，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而改變工況進(jìn)行吊裝作業(yè)，如改變起吊角度（幅度），在不同幅度下所能起吊的最大額定起重量是相應(yīng)不同的， 因此需要一套檢測(cè)保護(hù)裝置對(duì)吊管機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并準(zhǔn)確控制，做出吊管機(jī)正常工作、滿載、超載、變幅超上限、變幅超下限等工作狀態(tài)相應(yīng)提示、報(bào)警及控制，以保證吊管機(jī)的安全作業(yè)。目前，常用的吊管機(jī)力矩限制器無論是其測(cè)力力傳感、高度傳感器、還是角度傳感器均為有線傳輸信號(hào)，這樣在使用過程中，尤其是設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)吊臂拆下運(yùn)輸時(shí)，其取力部件傳感器及線路很容易被碰壞，既造成了很大損失，又無法使設(shè)備得到有效保護(hù)。

圖2 無線力矩限制系統(tǒng)控制原理

2 吊管機(jī)作業(yè)存在的安全隱患

吊管機(jī)作為起重類的特種設(shè)備，在施工作業(yè)中，由于傳感器或傳輸線路的損壞，存在多種安全隱患，最突出的就是保護(hù)裝置損壞而使吊管機(jī)處于非保護(hù)狀態(tài)。吊管機(jī)在施工時(shí)，隨著工作幅度的不斷變化，所能吊的定重量也在不斷變化，如果沒有科學(xué)的控制方法，很容易造成傾翻事故，造成人員傷亡。

吊管機(jī)的超載狀態(tài)主要有三種：

（1） 吊重超載：在幅度一定的情況下，起吊重量過大，導(dǎo)致力矩過大，而造成的超載現(xiàn)象，這種超載容易發(fā)生吊管機(jī)傾翻事故。

（2） 變幅超載：在吊重量一定的情況下，作業(yè)幅度過大，導(dǎo)致力矩過大，而造成的超載現(xiàn)象，這種超載容易發(fā)生吊管機(jī)傾翻事故。

（3） 吊臂過卷：吊臂收起時(shí)，超過變幅最大角度，這種過卷容易造成吊臂損壞。

（4） 高度過卷：起升滑輪起升高度過高，這種過卷容易造成鋼絲繩拉斷及機(jī)構(gòu)件的損壞。

3 實(shí)現(xiàn)吊管機(jī)主要控制的無線力矩限制器控制

根據(jù)吊管機(jī)自身特點(diǎn)， 結(jié)合力矩限制器的功能特性確定各部件的安裝部位： 力矩限制器主機(jī)（包含顯示器及信號(hào)接收模塊）安放在駕駛室員左側(cè)易觀察和操作的位置；角度傳感器與信號(hào)發(fā)射模塊集成為一個(gè)模塊安裝在吊臂上部?jī)?nèi)側(cè)， 不易碰到的部位；高度限位器安裝在起升定滑輪組上、銷軸測(cè)力傳感器代替變幅定滑輪軸，藏于變幅機(jī)構(gòu)中；高度限位與角度限位信號(hào)線通過采用快速接頭接至11A-11接線盒， 信號(hào)采用無線方式傳動(dòng)到主機(jī)， 銷軸測(cè)力傳感器在吊管機(jī)的非拆除部分通過電纜以航空插頭方式連接，力矩限制系統(tǒng)結(jié)合液壓系統(tǒng)中的控制閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)起升高度，吊裝重量與變幅幅度超過設(shè)定值時(shí)，限制器發(fā)出信號(hào)，停止吊管機(jī)向危險(xiǎn)方向動(dòng)作，從而起到安全防護(hù)作用。

3.1 力矩限制器的構(gòu)成及原理

力矩限制器一般由主機(jī)（包含顯示器及信號(hào)接收模塊）、角度傳感器、高度限位器、信號(hào)發(fā)射模塊和銷軸傳感器等幾部分組成，如圖2所示。作為起重設(shè)備的安全控制系統(tǒng)，其工作原理是：系統(tǒng)按照額定力矩值與實(shí)際力矩值對(duì)比的原則進(jìn)行控制。 當(dāng)達(dá)到吊載能力的90%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告信號(hào)；當(dāng)達(dá)到吊載能力的100%時(shí)，發(fā)出高頻聲光報(bào)警，若延時(shí)一定時(shí)間(可人工設(shè)定)后，仍未消除報(bào)警，則自動(dòng)斷開上升電路，禁止提升動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出連續(xù)長(zhǎng)鳴報(bào)警聲和報(bào)警指示燈高頻閃爍； 當(dāng)達(dá)到吊載能力的105%時(shí)，立即斷開上升電路，禁止提升動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出長(zhǎng)鳴報(bào)警聲和報(bào)警指示燈高頻閃爍。

3.2 無線力矩限制控制系統(tǒng)作用

3.2.1 WTL-A（100）力矩限制器主機(jī)（顯示屏）

WTL-A（100）儀表，是力矩限制系統(tǒng)的核心部件，它收集傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理與設(shè)定好的基本數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷是否超載，如果超載，發(fā)出指令到液壓系統(tǒng)，從而起到控制作用。該儀表系統(tǒng)調(diào)試采用多層菜單提示，具備誤操作錯(cuò)誤提示功能。系統(tǒng)具備多層密碼保護(hù)，防止無關(guān)人員操作，具備數(shù)據(jù)備份功能能對(duì)標(biāo)定的數(shù)據(jù)備份保存后期調(diào)用。 該主機(jī)安裝在駕駛室左手側(cè)（與吊臂同側(cè)），以便于司機(jī)察看，也不影響操作吊管機(jī)。

圖3 測(cè)力傳感器安裝部位圖

3.2.2 軸銷傳感器（測(cè)力傳感器）

軸銷傳感器是能通過轉(zhuǎn)換，測(cè)得所吊重物的重量。 該傳感器的信號(hào)線采用可拆卸的防水快速接頭制作， 同時(shí)傳感器的航插頭內(nèi)嵌入軸銷傳感器端面內(nèi)，可以有效的保護(hù)接頭的損壞，它安裝于卷揚(yáng)機(jī)上部的變幅定滑輪機(jī)構(gòu)中（如圖3、圖4所示），在不改變變幅定滑輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)銷軸測(cè)力傳感器，使其外形尺寸和力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)測(cè)力功能并保證滑輪組的正常工作，由于測(cè)力傳感器安裝在卷揚(yáng)機(jī)上的變幅定滑輪上， 運(yùn)輸過程中不需要拆除，從而解決了由于測(cè)力傳感器安裝在吊臂頭部，在使用和吊管機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)吊臂拆下運(yùn)輸時(shí)， 銷軸傳感器易被碰撞而損壞的問題，提高了對(duì)力矩限制系統(tǒng)自身的保護(hù)能力。

3.2.3 角度、高度傳感器

圖4 測(cè)力傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖

JD-180角度傳感器用于測(cè)量吊管機(jī)臂桿的角度通過換算與測(cè)得的重量形成力矩，該角度傳感器集成于WT-WX02無線模塊從機(jī)中，信號(hào)采用無線方式發(fā)送至主機(jī)。

高度傳感器即高度限位開關(guān)，安裝在定滑輪組上（如圖5），重錘套與起升鋼絲繩固定端，兩者之間采用鋼絲繩連接。

圖5 高度限位裝置安裝示意圖

3.2.4 無線接收模組

WT-WX02無線收、 發(fā)模組是基于短距離ISM 頻段無線數(shù)據(jù)傳輸通訊。 無線通訊系統(tǒng)主體分為兩部分：主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)作為系統(tǒng)的中心，具有發(fā)起通訊的權(quán)利，一個(gè)系統(tǒng)只能有一個(gè)主機(jī)。 而從機(jī)作為主機(jī)的控制對(duì)象，被動(dòng)接受主機(jī)的通訊命令，只能在收到命令時(shí)才能通訊。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)可以有多個(gè)從機(jī)。 從機(jī)不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，因此功耗非常低。 當(dāng)主機(jī)上電后，將發(fā)送喚醒命令逐個(gè)喚醒從機(jī)，從機(jī)被喚醒后進(jìn)入工作狀態(tài)，接受主機(jī)的各種命令。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)未收到主機(jī)的命令時(shí)，從機(jī)將重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。主機(jī)喚醒從機(jī)后，會(huì)按照一定的速率發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令， 從機(jī)收到命令后會(huì)立即將上次通訊時(shí)采集到的數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)。主機(jī)將數(shù)據(jù)處理后上傳給力矩限制器使用。當(dāng)通訊被干擾導(dǎo)致中斷時(shí)， 主機(jī)和從機(jī)都會(huì)將工作頻率轉(zhuǎn)移到備用頻率上繼續(xù)通訊， 同時(shí)主機(jī)會(huì)選擇另外一個(gè)與被干擾的頻率相差較遠(yuǎn)的頻率作為新的通訊頻率下發(fā)給從機(jī)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)可以隨時(shí)避開干擾源，保證了信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

該新型力矩限制器， 改變了傳統(tǒng)測(cè)力傳感器的取力方式和安裝位置，且實(shí)現(xiàn)了信號(hào)無線傳輸，省去重量傳感器、角度傳感器、高度限位器等元件的信號(hào)線和電源線，減少各傳感器在現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量及難度， 解決設(shè)備使用和轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的測(cè)力傳感器及電纜容易損壞問題，有效保證了吊管機(jī)設(shè)備的正常使用。經(jīng)西氣東輸二線南寧-百色支線工程及天津-華北石化管道工程等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了采用無線方式傳輸減少力矩系統(tǒng)的許多接口，同時(shí)也減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的工作量， 降低了設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)后恢復(fù)力矩系統(tǒng)的難度和誤接線路導(dǎo)致的力矩系統(tǒng)毀壞機(jī)率， 避免了因吊管機(jī)在誤操作時(shí)未被保護(hù)而發(fā)生事故， 進(jìn)一步提升吊管機(jī)作業(yè)安全性，確保施工中人機(jī)安全。

1 吳邦春.一種新型汽車起重機(jī)力矩限制器的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，200（521）：112-113

2 王文斌.液壓傳動(dòng)與控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版社、2007(2).

3 王福綿主編.起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn).北京：學(xué)苑出版社，2000.

4 GB 12602-2009起重機(jī)超載保護(hù)裝置.