起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈國棟

（太原重工股份有限公司起重機(jī)分公司，山西太原 030024）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，起重機(jī)械是尤為重要的特種設(shè)備之一，主要應(yīng)用于起重、裝卸、安裝物料的過程中。在實(shí)際應(yīng)用中，由于起重機(jī)械具備起重大、起升高的特點(diǎn)，在很大程度上加大了起重機(jī)械在應(yīng)用中出現(xiàn)安全事故的概率。一旦在實(shí)際生產(chǎn)、使用中出現(xiàn)不當(dāng)行為或操作，就極有可能造成嚴(yán)重的起重機(jī)械安全事故，引起設(shè)備受損，甚至導(dǎo)致人員生命安全受到影響。

1 起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在設(shè)計(jì)起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，必須要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，主要的組成包括信息采集、處理、顯示單元以及控制輸出單元等，在實(shí)際應(yīng)用中需要具備監(jiān)控與遠(yuǎn)程傳輸功能[1]。

1.2 設(shè)計(jì)方案

在安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要嚴(yán)格遵循國內(nèi)的安全標(biāo)準(zhǔn)，合理借鑒國外先進(jìn)的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案展開。主要分為3 個(gè)模塊：

（1）前置采集模塊。主要由傳感器、微控制器和通信模塊組成，在起重機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用中起到采集信號的作用，并可以在很大程度上增強(qiáng)信號的抗干擾性，還能夠強(qiáng)化遠(yuǎn)距離傳輸能力。通過這一功能可以有效避免信號在傳輸中出現(xiàn)失真情況，加強(qiáng)了安全系統(tǒng)測量的精準(zhǔn)性。

（2）機(jī)載控制器模塊。由顯示、存儲(chǔ)以及無線通信模塊等組成，主要作用是接收采集模塊發(fā)出的信號，并對接收的信號進(jìn)行處理與分析，實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控。利用無線模塊并借助顯示屏對結(jié)果的顯示，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

（3）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析模塊。作用主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即結(jié)合機(jī)械的自身參數(shù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)評估，通過分析其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，確定機(jī)械的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)，在最終的實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)械平衡性功能的準(zhǔn)確分析。

2 起重機(jī)械穩(wěn)定性分析

2.1 靜態(tài)穩(wěn)定

起重機(jī)械的靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，指在使用起重機(jī)械的過程中，機(jī)械所受到的重量與載荷都來自于自身的作用力，而將其他外力產(chǎn)生的作用暫時(shí)忽略的狀態(tài)。根據(jù)起重機(jī)械靜態(tài)穩(wěn)定情況下的各種參數(shù)分析，可以得到一個(gè)度量靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定參數(shù)：

式中 G——機(jī)械自重

C——起重機(jī)械重心與旋轉(zhuǎn)中心的距離

L——兩支腿間距離

G吊——吊具的重量

Q——起升載荷的重量

R——工作幅度

2.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

靜態(tài)穩(wěn)定只考慮到起重機(jī)械自身力的作用而沒有考慮其他相關(guān)的附加傾覆力矩，得到了靜態(tài)穩(wěn)定下的穩(wěn)定系數(shù)，而在實(shí)際應(yīng)用中，起重機(jī)械必然會(huì)受到一系列的附加力矩影響，結(jié)合常見的影響因素如下：

2.2.1 風(fēng)力附加力矩

式中 P風(fēng)——風(fēng)載荷

C——迎風(fēng)物體體型系數(shù)

Kh——高度修正系數(shù)

Q0——標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值

S0——迎風(fēng)面積

實(shí)際工作中風(fēng)向處于變化狀態(tài)，會(huì)使得重機(jī)械的工作在風(fēng)不穩(wěn)定的作用下，因而導(dǎo)致傾覆力矩出現(xiàn)。起重機(jī)械因風(fēng)載荷而產(chǎn)生的傾覆力矩為：

式中 P1——風(fēng)載荷下起重機(jī)械機(jī)身上的力

h1——風(fēng)載荷下起重機(jī)械機(jī)身上的力臂

P2——風(fēng)載荷下吊臂上的力

h2——風(fēng)載荷下吊臂上的力臂

2.2.2 慣性附加力矩

式中 G吊——吊具的重量

Q——起升載荷的重量

v1——平穩(wěn)起吊時(shí)的速度

v2——起吊初速度

t1——起吊時(shí)長

起重機(jī)械的起吊載荷加速時(shí)會(huì)有一個(gè)突變，從而在重物上產(chǎn)生慣性力，受到慣性力的影響也會(huì)增大傾覆力矩，影響穩(wěn)定性。慣性附加力矩為：

式中 R——工作幅度

L——兩支腿之間的距離

2.2.3 變幅的影響

式中 v3——變幅初速度，一般為0

v4——平穩(wěn)變幅時(shí)的速度

t2——變幅啟、制動(dòng)時(shí)長

具有變幅機(jī)構(gòu)的起重機(jī)械在向下變幅或向上變幅制動(dòng)時(shí)，就會(huì)在起重機(jī)械吊臂端產(chǎn)生與之垂直的力，從而使傾覆力矩增大。變幅附加力矩為：

式中 h2——風(fēng)載荷下吊臂上的力臂

2.2.4 向心力的影響

式中 n——起重機(jī)械回轉(zhuǎn)速度

式中 h0——吊臂端部到起吊重物的距離

當(dāng)以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心為軸使機(jī)械的變幅機(jī)構(gòu)以R 為半徑展開圓周運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在吊臂的端產(chǎn)生向心力，從而間接增大傾覆力矩。向心力產(chǎn)生的傾覆力矩為：

式中 h2——風(fēng)載荷下吊臂上的力臂

2.3 綜合分析

判斷起重機(jī)械運(yùn)行過程中具有的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，從而以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)對起重機(jī)械的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，得到以下公式：

其中，k 為附加載荷下起重機(jī)械的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)，其他為不同附加力矩的相關(guān)參數(shù)。

從理論上分析，只需要使動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)，即：穩(wěn)定力矩/傾覆力矩≥1，就可以確保起重機(jī)械處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并將起重機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行中所處的環(huán)境和實(shí)際操作的復(fù)雜性考慮其中，結(jié)合會(huì)導(dǎo)致附加力矩產(chǎn)生波動(dòng)的因素，嚴(yán)格按照國家安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行分析[2]。

3 起重機(jī)械安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)硬件的過程中，一般需考慮信號采集模塊與機(jī)載控制器模塊的設(shè)計(jì)：①因?yàn)槠鹬貦C(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)測點(diǎn)到控制室遠(yuǎn)且跨度大，容易導(dǎo)致長距離的傳輸中出現(xiàn)信號失真或缺失的情況，需要在靠近監(jiān)測點(diǎn)的位置裝設(shè)前置采集模塊[3]；②安裝在起重機(jī)械的控制室內(nèi)的機(jī)載控制器模塊，負(fù)責(zé)接收前置采集模塊傳遞的信號，分析采集到的數(shù)據(jù)，通過一系列的計(jì)算得到最終數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊確保遠(yuǎn)程監(jiān)控的有效展開。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

從起重機(jī)械的安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體流程來看，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序與穩(wěn)定性分析兩部分。在實(shí)際應(yīng)用中，主要由主程序接收系統(tǒng)運(yùn)行中檢測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而后的數(shù)據(jù)發(fā)送則需要借助無線模塊進(jìn)行，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要準(zhǔn)確地傳遞到穩(wěn)定性分析程序中，從而展開科學(xué)計(jì)算（圖1）。通過采用這一分析方案，可以在確保精確度的同時(shí)有效計(jì)算起重機(jī)械的穩(wěn)定性，將準(zhǔn)確數(shù)據(jù)應(yīng)用于安全監(jiān)控系統(tǒng)中，確保起重機(jī)械應(yīng)用的安全性。

4 總結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用起重機(jī)械的過程中，為進(jìn)一步確保使用的安全性，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦O(shè)計(jì)安全監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。經(jīng)過以上對設(shè)計(jì)方案的分析與整理，進(jìn)一步明確在起重機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用中，既要考慮起重機(jī)自身的負(fù)載作用力，也需要結(jié)合動(dòng)態(tài)附加傾覆力矩，綜合分析相關(guān)影響因素，并將其考慮到安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，最終確保安全監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，滿足起重機(jī)械安全監(jiān)控要求。

圖1 主程序流程