礦用特種設(shè)備本質(zhì)安全改進(jìn)設(shè)計(jì)

陳曉勇

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026015）

0 引言

近年來，特種設(shè)備安全生產(chǎn)事故頻發(fā)，2020年4 月國家市場監(jiān)管總局公布了《關(guān)于2019年全國特種設(shè)備安全狀況的通告》（2020年第7 號(hào)），顯示：鍋爐事故11 起，壓力容器事故4起，氣瓶事故4 起，壓力管道事故1 起，電梯事故33 起，起重機(jī)械事故26 起，場（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛事故45 起，大型游樂設(shè)施事故6 起。不難得知，事故發(fā)生次數(shù)占比在前3 位的分別是流動(dòng)式場（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛以及電梯設(shè)備和起重類機(jī)械設(shè)備，上述3 類設(shè)備均屬于機(jī)電類特種設(shè)備的范疇，這3 部分設(shè)備發(fā)生的事故數(shù)量占到了所有事故的80%左右。

為貫徹落實(shí)關(guān)于堅(jiān)決遏制特種設(shè)備重特大事故，推動(dòng)企業(yè)主體責(zé)任落實(shí)，持續(xù)深化隱患排查治理的總體要求，針對(duì)所承修的（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛以及橋式起重機(jī)前期隱患排查治理工作，神華北電勝利能源有限公司先后兩次進(jìn)行了“再動(dòng)員、再部署、再檢查”的專項(xiàng)行動(dòng)，檢查發(fā)現(xiàn)一期卡車保養(yǎng)車間的4 臺(tái)橋式起重機(jī)在原廠設(shè)計(jì)時(shí)存在一定缺陷，如未安裝水平運(yùn)行防碰撞雙重保護(hù)裝置、無下行限位機(jī)構(gòu)等。

為有效解決橋式起重機(jī)安全隱患，杜絕安全生產(chǎn)事故，通過研究橋式起重機(jī)工作原理，對(duì)吊鉤、鋼絲繩、制動(dòng)器、減速器以及軌道燈關(guān)鍵部件典型故障進(jìn)行分析并總結(jié)行之有效的解決措施，反復(fù)研究論證橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷改造方案，完成了其電氣保護(hù)系統(tǒng)本質(zhì)安全化改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)行安全防撞雙保護(hù)、垂直下降自動(dòng)限位等功能，提升橋式起重機(jī)的安全使用性能，從根本上保障人員和設(shè)備安全。

1 橋式起重機(jī)的工作原理

橋式起重機(jī)主要由橋架、設(shè)置有提升機(jī)構(gòu)的吊運(yùn)裝置、大車水平行走機(jī)構(gòu)、操控室、小車導(dǎo)電機(jī)構(gòu)（也稱為輔助滑線）、起重機(jī)供電總電源（即主滑線）等部分構(gòu)成。橋架在軌道方向順著軌道槽進(jìn)行縱向運(yùn)行，而起重小車順著安裝在橋架中的軌道在橫向方向運(yùn)行，因此，橋式起重機(jī)的工作范圍就形成了一個(gè)矩形區(qū)域，維修人員在開展設(shè)備吊運(yùn)任務(wù)的過程中就很清楚地運(yùn)用所形成的矩形區(qū)域的下部范圍開展物料與各類零部件的縱向、橫向吊運(yùn)工作，這樣吊運(yùn)過程不再受其他區(qū)域設(shè)備設(shè)施的影響。橋式起重機(jī)最主要的工作部件之一就是最常用的起升機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由卷筒、制動(dòng)器以及電機(jī)和減速器、滑輪組等部件組成。在實(shí)際工作時(shí)，電機(jī)通過減速器后帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲繩通過卷筒槽順時(shí)針纏繞向上行走或逆時(shí)針?biāo)砷_后向下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)重物的提升或下降。小車架是橋式起重機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵部件，其主要作用是支撐并托起起升機(jī)構(gòu)以及小車上的其他運(yùn)行機(jī)構(gòu)等。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化起升限位保護(hù)

經(jīng)過對(duì)橋式起重機(jī)的有針對(duì)性動(dòng)態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)1 期卡保間起升限位保護(hù)只有上行極限位置保護(hù)，而沒有下行極限位置限制功能，這種設(shè)計(jì)方法不僅對(duì)下行位置無保護(hù)作用，而且僅為單回路保護(hù)，未實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)目的。

為提升起升機(jī)構(gòu)上升極限保護(hù)的可靠性和對(duì)下行極限位置保護(hù)的功能，技術(shù)人員研討后在電控系統(tǒng)中增設(shè)滿足使用要求的螺旋式限制器。為實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)目的，原有的重錘式限制器和增設(shè)的螺旋式限制器分別被設(shè)置在不同的控制回路（圖1）：將與重錘式限制器相匹配的限位傳感器的接點(diǎn)接入配電系統(tǒng)的總電源接觸器電氣控制系統(tǒng)的回路，當(dāng)?shù)蹉^吊著重物上升運(yùn)行并超過設(shè)備的最高位置時(shí)，重錘順勢被托起后工作，此時(shí)限位開關(guān)的觸點(diǎn)呈現(xiàn)打開狀態(tài)并將總電源切斷，橋式起重機(jī)停止運(yùn)行。

圖1 重錘限制器接入電氣系統(tǒng)原理

需要注意的是，在設(shè)置重錘式限制器時(shí)應(yīng)將其設(shè)置在新設(shè)計(jì)加入的螺旋式限位器的后端部，這樣在出現(xiàn)故障后滯后觸發(fā)重錘限位器動(dòng)作的異常情況下，先由設(shè)置的第一道保護(hù)線也就是螺旋式限位器進(jìn)行限位保護(hù)，當(dāng)螺旋式限位器出現(xiàn)故障失靈的情況，第二重保護(hù)裝置即重錘式限位器才開始工作斷開橋式起重機(jī)的全車控制總電源進(jìn)行實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)的功能。為了保障安全，該系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)不應(yīng)具有自行復(fù)位的功能，在維修人員處理完畢并確認(rèn)故障徹底消除后須進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

螺旋式限制器安裝在鋼絲卷筒的同軸位置，安裝之前對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整，使上升的極限位置至少低于重錘極限位置500 mm。具體工作原理：在上升到上升限位位置時(shí)，限位開關(guān)的其中一組觸點(diǎn)動(dòng)作后切斷上升電控回路的電源；當(dāng)裝置下降到距離地面1.2 m的位置時(shí)，限位開關(guān)的另外一組觸點(diǎn)動(dòng)作后觸發(fā)下降回路電源斷開。因此，螺旋式限制器較好地實(shí)現(xiàn)了升降位置的整體控制功能，而第二道防線重錘式限制器起到最后一級(jí)的安全限位防護(hù)功能。

2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)水平行走安全性能

設(shè)備維修中心一期卡保間的4 臺(tái)橋式起重機(jī)的行走限位裝置主要由大車限位裝置以及小車限位裝置構(gòu)成，上述起重機(jī)在現(xiàn)場實(shí)際使用過程中，維修人員發(fā)現(xiàn)大車的行走限位裝置操控方法雖然很簡單，但是同時(shí)也反應(yīng)出來檢測距離較短、安全可靠性以及控制精度等方面存在缺陷。對(duì)原因進(jìn)行進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)缺陷主要有以下兩類。

（1）原裝設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)安裝的安全撞尺很短，只有同一跨的兩臺(tái)橋式起重機(jī)在靠得很近時(shí)大車的水平行走限位才會(huì)發(fā)揮作用，導(dǎo)致檢測距離較短。但是如果將極限撞尺增設(shè)的過長又會(huì)造成大車在運(yùn)行過程中增加撞尺的抖動(dòng)性，無法十分精準(zhǔn)地碰觸到相對(duì)起重機(jī)極限開關(guān)的撞臂上。由于控制精度不高，很有可能造成硬性碰撞故障，甚至還會(huì)因起重機(jī)的過度沖擊造成設(shè)備發(fā)生機(jī)械事故。

（2）當(dāng)大車的極限位置限制器起發(fā)揮作用后，起重機(jī)的慣性較大，一旦操作人員采取緊急停車措施不及時(shí)，則很難在短滑行距離區(qū)間內(nèi)讓起重機(jī)安全穩(wěn)定停下，這樣還容易引發(fā)撞擊安全事故。

針對(duì)起重機(jī)大車行走極限存在的缺點(diǎn)，決定從設(shè)計(jì)方面來解決：在延用起重機(jī)大車行走撞尺來限位的前提下，增設(shè)了一套防撞自動(dòng)控制系統(tǒng)，來提高起重機(jī)運(yùn)行控制精度以及安全可靠性能（圖2）。該系統(tǒng)的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)是：在統(tǒng)一跨度范圍的一臺(tái)設(shè)備上安設(shè)紅外感應(yīng)監(jiān)測裝置，另外一臺(tái)上安裝檢測板，從而避免同跨的兩臺(tái)起重機(jī)之間發(fā)生相互碰撞。

圖2 紅外防撞裝置示意

該裝置能夠在25 m的距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)一臺(tái)起重機(jī)運(yùn)行至另一臺(tái)起重機(jī)的距離在設(shè)計(jì)的閾值范圍時(shí)，檢測裝置在第一時(shí)間接收到另一臺(tái)起重機(jī)的檢測板信號(hào)使觸點(diǎn)發(fā)生動(dòng)作，此時(shí)控制大車電氣系統(tǒng)發(fā)出清晰的燈光報(bào)警信號(hào)和報(bào)警聲以警示起重機(jī)操作人員，同時(shí)自動(dòng)將大車的電氣控制電路斷電、使起重機(jī)停止行走，從而避免撞擊事故，提升同跨起重機(jī)之間的安全系數(shù)。

3 取得的效果

自完成改造后，起重機(jī)再未因下降無限位以及因重錘限制器失靈造成的鋼絲繩“過卷”故障；徹底杜絕了相鄰起重機(jī)發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)，保障了設(shè)備和人員安全。參照事故隱患分級(jí)分類以及風(fēng)險(xiǎn)矩陣表，對(duì)其安全效益進(jìn)行估算，將可能發(fā)生的安全故障按照中等風(fēng)險(xiǎn)三級(jí)進(jìn)行安全評(píng)估。該項(xiàng)目每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益在30 萬元左右。

4 結(jié)束語

通過對(duì)起重機(jī)電氣保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行安全性能改造，切實(shí)收到良好的成效。

（1）提高了防撞可靠性能。可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況來調(diào)節(jié)防撞距離，從調(diào)試過程可知，監(jiān)測最好的效果是在20 m的范圍內(nèi)。

（2）切實(shí)提升了控制精度。該系統(tǒng)相互車之間的檢測功能完全不受大車方向是否偏移的影響，發(fā)出的紅外線可以對(duì)檢測板220 mm×110 mm的范圍實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測，提高了控制精度。

（3）徹底杜絕了起重機(jī)在使用時(shí)抖動(dòng)對(duì)防撞安全檢測精度的影響。

通過對(duì)礦用特種設(shè)備本質(zhì)安全改進(jìn)設(shè)計(jì)以后，橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙重保護(hù)功能，大大降低了設(shè)備故障率，提升了現(xiàn)場安全生產(chǎn)管理能力，從根本上保障了人員及設(shè)備設(shè)施的安全可靠性。同時(shí)，本次改造也為本企業(yè)及相關(guān)企事業(yè)單位提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。