海上起重機過載保護系統(tǒng)分析

劉恩德

（豪氏威馬（中國）有限公司，漳州 363122）

海上起重機在作業(yè)過程中，過載往往由提升過重的負載或負載突然意外移動引發(fā)，如吊鉤纏繞在補給船或其他移動物體上、負載被吸入海床等，很可能導致起重機結(jié)構(gòu)受到損壞。海上起重機的過載保護系統(tǒng)，對起重機的安全保障起著至關(guān)重要的作用，通常包括常規(guī)過載保護系統(tǒng)和特殊性能過載保護系統(tǒng)，特殊性能過載保護系統(tǒng)又分為手動過載保護系統(tǒng)、自動過載保護系統(tǒng)、側(cè)臂保護系統(tǒng)以及緊急負載釋放系統(tǒng)。

1 常規(guī)過載保護系統(tǒng)

海上起重機需要配備常規(guī)的過載保護系統(tǒng)，國內(nèi)外各大船級社的規(guī)范均有要求。起重機在作業(yè)過程中，載荷傳感器需要實時監(jiān)測起重機的負載情況。當出現(xiàn)超載時，過載保護系統(tǒng)生成警告或警報通知起重機操作員，操作員可以及時將起重機調(diào)整到更為安全的作業(yè)姿態(tài)或位置[1]。

起重機過載保護系統(tǒng)產(chǎn)生警告和警報的觸發(fā)值，國內(nèi)外知名船級社和行業(yè)組織的規(guī)范都有明確規(guī)定。但是，各規(guī)范要求的觸發(fā)值有所差異，具體以歐洲海洋吊機標準EN 13852-1、EN 13852-2 以及挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）、英國勞氏船級社（Lloyd’s Register，LR）、法國船級社（Bureau Veritas，BV）、中國船級社（China Classification Society，CCS）發(fā)布的規(guī)范標準為例進行說明，如表1 所示。其中，SWL代表安全工作荷載（Safe Working Load）。另外，美國船級社的規(guī)范沒有具體指出過載保護系統(tǒng)的過載警告值或警報值。在設(shè)計時，設(shè)計人員可以參照其他船級社的規(guī)范要求，與美國船級社的審核人員達成一致。

表1 起重機過載保護系統(tǒng)產(chǎn)生警告觸發(fā)值

起重機在作業(yè)過程中一旦發(fā)生過載行為，會有相應(yīng)的聲光報警系統(tǒng)進行響應(yīng)，以提醒起重機操作人員和船上工作人員。當起重機恢復正常后，這些聲光報警便會被消除。起重機發(fā)出警報時，意味著起重機的實際工作載荷接近額定安全載荷，此時驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)降速。當過載值達到某一極限（通常為110%SWL）時，過載保護系統(tǒng)應(yīng)使起吊作業(yè)運動立即自動停止[2]。對于具有多個負載曲線的起重機來說，當選擇不同的負載曲線時，過載保護系統(tǒng)也應(yīng)能夠以不同的方式做出相應(yīng)的警告或警報反應(yīng)。

對于在港口、遮蔽水域等相對靜態(tài)的海域作業(yè)的起重機，所有可能產(chǎn)生起重機過載的作業(yè)都應(yīng)禁止。一旦出現(xiàn)過載預(yù)警，過載保護系統(tǒng)應(yīng)允許工作人員將起重機調(diào)整到更安全的姿態(tài)或位置，嚴禁起重機發(fā)生進一步的超載動作。同時，所有能夠減少過載的運動都應(yīng)保持可用狀態(tài)。這意味著過載保護系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證大臂只能抬起不能下放，并允許回轉(zhuǎn)系統(tǒng)繼續(xù)工作，這樣可以將起重機轉(zhuǎn)到更安全的位置。例如，將滿負荷的吊鉤轉(zhuǎn)到海面上，以避免對船只及船上人員產(chǎn)生潛在威脅。

2 特殊功能過載保護系統(tǒng)

對于在動態(tài)海面上作業(yè)的起重機，過載可能是由海洋環(huán)境引起的，在這種情況下停止起重機的運動不但無法限制過載，而且可能產(chǎn)生比過載更為嚴重的后果，這時就需要利用具有特殊功能的過載保護系統(tǒng)。特殊功能過載保護系統(tǒng)包括手動過載保護系統(tǒng)、自動過載保護系統(tǒng)、側(cè)臂保護系統(tǒng)以及緊急負載釋放系統(tǒng)，雖然這些系統(tǒng)的目的都是保護起重機免受過載，但是它們的操作條件和設(shè)計要求大不相同。

2.1 手動過載保護系統(tǒng)

手動過載保護系統(tǒng)是由起重機操作員手動激活的系統(tǒng)。起重機釋放繩索，通過降低承載力，即將繩索拉力限制在較低值，并允許吊鉤從起重機上向任意方向拉開，以此保證起重機免受可能的過載和過傾覆力矩[3]。手動過載保護系統(tǒng)應(yīng)確保在所有正常運行條件下都能夠被激活，如吊機正常停止和緊急停止期間、起重機主電源在海上舷外起吊期間發(fā)生故障或關(guān)閉等。

手動激活過程較短暫，操作員要能夠快速做出反應(yīng)。因此，激活開關(guān)或手柄的位置應(yīng)便于操作員使用，并且應(yīng)標有黃色，防止意外使用。在任何時候，起重機操作員都可以復位系統(tǒng)，且不會損壞起重機。

繩索所受的力應(yīng)保持在最大額定載荷的10%～20%，并且允許繩索完全脫離卷筒，而不會對起重機造成重大損壞。系統(tǒng)應(yīng)能夠連續(xù)激活或重置至少3 次，并且在5 min 內(nèi)連續(xù)激活。系統(tǒng)啟動后，除人員轉(zhuǎn)移功能外，吊鉤的最低位限位開關(guān)、絞盤卷筒的末端停止和緊急停止功能將失效，過載解除后可恢復。

手動過載保護系統(tǒng)功能的所有信號都應(yīng)通過硬接線實現(xiàn)，不允許無線控制。手動過載保護系統(tǒng)應(yīng)在駕駛室、控制站內(nèi)配備控制指示器，并標記清晰可辨的標志。手動過載保護系統(tǒng)的聲音信號應(yīng)與其他過載保護系統(tǒng)的聲音警告和警報區(qū)分開，如常規(guī)過載保護系統(tǒng)、自動過載保護系統(tǒng)等。

起重機設(shè)計人員在組件級別中詳細評估控制系統(tǒng)，包括液壓、電氣、電子、氣動發(fā)動機驅(qū)動組件以及其他相關(guān)組件，記錄系統(tǒng)在單個組件、單個故障和電纜損壞方面的行為。評估的目的是在發(fā)生單次故障時，證明手動過載保護系統(tǒng)和其他安全功能的可靠性[4]。

2.2 自動過載保護系統(tǒng)

當起重機的負載超過一定閾值時，在沒有起重機操作員觸發(fā)的情況下，自動過載保護系統(tǒng)會被激活，允許吊鉤在指定的縱向偏角和橫向偏角內(nèi)被拉離起重機，以保證起重機和船只免受嚴重過載和過傾覆力矩。當過載和超力矩情況不存在時，系統(tǒng)將自動停用。

在設(shè)計時，應(yīng)充分理解自動過載保護系統(tǒng)是在突發(fā)過載情況下自動做出的反應(yīng)，因此需要重點考量系統(tǒng)響應(yīng)時間和保持力。系統(tǒng)響應(yīng)時間為過載發(fā)生到最大值時的累積時間，系統(tǒng)的保持力為懸掛與起重機額定載荷相對應(yīng)的負載。如果吊鉤負載超過額定載荷，因?qū)嶋H吊鉤載荷增加而導致的最小吊鉤釋放速度應(yīng)不小于（Vd2+Vc2）/2。其中，Vd為支撐負載的甲板在垂直方向的速度，Vc為由于起重機基座運動導致起重機吊臂端頭產(chǎn)生的垂直方向速度。根據(jù)EN 13582-1 計算得出的自動過載保護系統(tǒng)要求的速度，如圖1 所示。

圖1 自動過載保護系統(tǒng)要求的速度

設(shè)計時需要保證驅(qū)動系統(tǒng)能夠使卷筒上的繩索產(chǎn)生足夠的響應(yīng)速度，單層卷筒通常只需檢查滾筒外層的響應(yīng)速度，多層絞車則還需檢查內(nèi)層的響應(yīng)速度。為了保證響應(yīng)速度，在設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)時，驅(qū)動部件如馬達、減速器的轉(zhuǎn)動慣性應(yīng)足夠小。一般來說，液壓馬達相比電動馬達具有更小的轉(zhuǎn)動慣性，更適合作為自動過載保護系統(tǒng)的驅(qū)動部件。

自動過載保護系統(tǒng)的意外干預(yù)可能導致負載下降，并且自動過載保護系統(tǒng)故障極可能導致起重機損壞，因此起重機的控制系統(tǒng)需要持續(xù)檢查系統(tǒng)是否做好干預(yù)準備，檢查使用自動過載保護系統(tǒng)是否安全。

自動過載保護系統(tǒng)不允許起重機不受控制地降低、釋放低于額定載荷的負載以及在系統(tǒng)中發(fā)生單次故障時釋放負載。該系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置起重機的運動限制，如甲板上工作區(qū)域限制或高度限制，防止當負載位于平臺上方時系統(tǒng)被激活，從而對平臺或船只造成損壞[5]。

當自動過載保護系統(tǒng)啟動時，除人員轉(zhuǎn)移功能外，吊鉤的最低位限位開關(guān)、絞盤卷筒的末端停止功能以及緊急停止功能將自動失效，繩索應(yīng)可以完全脫離卷筒。這些功能將在過載解除后恢復。自動過載保護系統(tǒng)應(yīng)在駕駛室、控制站內(nèi)設(shè)置控制指示器，指示器位置應(yīng)固定且標注清晰。自動過載保護系統(tǒng)的聲音信號應(yīng)與其他過載保護系統(tǒng)的聲音警告和警報區(qū)分開來，如常規(guī)過載保護系統(tǒng)、手動過載保護系統(tǒng)等。

2.3 側(cè)臂保護系統(tǒng)

側(cè)臂保護系統(tǒng)屬于自動保護系統(tǒng)的一種，它是通過回轉(zhuǎn)或自動釋放繩索來防止吊臂超載或回轉(zhuǎn)機構(gòu)超載的保護系統(tǒng)[6]。可能導致吊臂或回轉(zhuǎn)機構(gòu)超載的原因有船體側(cè)傾、負載橫向擺動、大臂端頭偏離負載位置、船只負載漂移等。

設(shè)計中應(yīng)考慮，如果負載太大，回轉(zhuǎn)驅(qū)動和制動器需要讓路，制動器可能打滑，那么就要減少起重機端頭的側(cè)向力。在實際作業(yè)過程中，通常當起重機以較大的作業(yè)半徑運行時，此系統(tǒng)功能才起作用。在最小半徑下，回轉(zhuǎn)的負載不高，制動器應(yīng)具有足夠的熱容量。對于重型起重機，應(yīng)避免不受控制的回轉(zhuǎn)運動，避免船舶傾覆[7]。

2.4 緊急負載釋放系統(tǒng)

緊急負載釋放系統(tǒng)是當起重機負載超載時，由起重機操作員激活的系統(tǒng)。通過允許吊重繩索從起重機上拉開來降低起重機的承載，從而保護起重機免受過載和過傾覆力矩的影響。緊急負載釋放系統(tǒng)的激活開關(guān)或手柄位置應(yīng)便于起重機操作員使用，并標上黃色，防止意外使用。

緊急負載釋放系統(tǒng)在激活時，通過松開絞盤卷筒的制動器并降低絞盤張力，或在必要時將絞盤驅(qū)動器與卷筒完全分離，從而將起吊繩索從卷筒上脫離。此時，吊鉤的最低位限位開關(guān)、絞盤卷筒的末端停止功能將自動失效。

電路中的單個故障不能激活緊急負載釋放系統(tǒng)，但是應(yīng)向起重機操作員提供視覺上的指示。緊急負載釋放系統(tǒng)應(yīng)在駕駛室、控制站配備控制指示器，向起重機操作員發(fā)出連續(xù)的視覺信號，指示系統(tǒng)是否正常運行[8]。

3 結(jié)語

在海上起重機設(shè)計時，過載保護系統(tǒng)的選擇應(yīng)充分考慮起重機作業(yè)環(huán)境的動態(tài)情況。對于在動態(tài)海面作業(yè)的起重機，除常規(guī)過載保護系統(tǒng)外，還需要配備特殊功能的過載保護系統(tǒng)。隨著時間的推移，各船級社和行業(yè)組織的規(guī)范要求會不斷更新，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)最新要求進行相關(guān)設(shè)計。