高空作業(yè)車傾斜安全控制系統(tǒng)改造研究與應(yīng)用*

劉早紅,孫華,胡廣智,謝祥紅,孫捍東,劉在良

(1.浙江友聯(lián)修造船有限公司,浙江 舟山 316281;2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海洋裝備工程學(xué)院,浙江 舟山 316021)

0 引 言

高空作業(yè)車因其便捷靈活、成本低廉的特點(diǎn),在各行業(yè)中作為高處作業(yè)的主要施工設(shè)備之一得以廣泛應(yīng)用,尤其在船舶修造行業(yè)中更是大量使用[1]。然而,在船舶修造行業(yè)中,由于使用環(huán)境有著與其他行業(yè)截然不同的不同的特點(diǎn),比如使用環(huán)境復(fù)雜、條件苛刻、強(qiáng)度要求高等,這使得高空作業(yè)車極易發(fā)生安全事故,特別是高空作業(yè)車傾覆事故,且高空作業(yè)車一旦傾覆,大多是惡性安全事故。例如,近期某船廠貨艙內(nèi)高空作業(yè)車因作業(yè)人員操作不當(dāng)發(fā)生傾翻,導(dǎo)致發(fā)生重大人員傷害事故。因此,如何減少或杜絕高空作業(yè)車傾覆事故的發(fā)生,已成為解決高空作業(yè)車安全操作的重中之重[2]。

筆者從高空作業(yè)車電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造入手,通過(guò)額外增加傾斜報(bào)警及主動(dòng)干預(yù)裝置來(lái)完成。在高空作業(yè)車工作過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)操作時(shí),該裝置可有效地同時(shí)限制高空作業(yè)車工作臂繼續(xù)抬臂、伸長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)和行車等動(dòng)作,為解決傾覆難題提供了一套可行的方案。設(shè)計(jì)改造中,首先研究原系統(tǒng)的控制機(jī)理,分析控制邏輯,找出系統(tǒng)內(nèi)在缺陷;再結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)對(duì)原車電氣控制系統(tǒng)做出針對(duì)性改進(jìn)升級(jí);改進(jìn)后的高空作業(yè)車在實(shí)際使用中的傾斜隱患已得到有效地控制。

1 高空作業(yè)車的主要參數(shù)配置

根據(jù)筆者公司高空作業(yè)車的實(shí)際使用情況,對(duì)某幾種車型進(jìn)行研究,制定改造升級(jí)方案。以某一種車型為例進(jìn)行闡述,外形尺寸及作業(yè)范圍如圖1～2所示。某車型主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 某高空作業(yè)車主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 高空作業(yè)車外形尺寸圖

圖2 高空作業(yè)車作業(yè)范圍圖

2 原因分析

從上述高空作業(yè)車的技術(shù)參數(shù)可以看出:① 其工作臂高度可達(dá)26 m之高,可360°旋轉(zhuǎn),工作高度也隨工作環(huán)境和施工位置的變化而變化,這說(shuō)明高空作業(yè)車在工作時(shí)重心是在不斷變換的,而重心不穩(wěn)則是傾覆的最重要因素之一;② 代表車身穩(wěn)性的車體支撐的投影面積僅僅7 m2左右(車寬2 400 mm×3 100 mm),相對(duì)高達(dá)26 m的作業(yè)高度及不斷變換的重心,如此小的投影面積,不可能給高空作業(yè)車以充分的穩(wěn)定性;③ 高空作業(yè)車的抗風(fēng)能力≤10 m/s(只相當(dāng)于5級(jí)風(fēng)力)、作業(yè)行走車速≤0.5 km/h、最大允許作業(yè)坡度≤5°,這說(shuō)明高空作業(yè)車的自身固有穩(wěn)性較低。高空作業(yè)車自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有穩(wěn)性差、易傾覆的固有性質(zhì)[3]。此外,高空作業(yè)車在施工過(guò)程中,工作斗內(nèi)裝載的貨物和施工人員的多少,或者操作者操作不當(dāng)也是導(dǎo)致高空作業(yè)車重心變化而傾覆的原因之一[4]。

高空作業(yè)車車體坡度的變化,必然造成車體重心的變化,從而引起車體傾斜力矩的變化。當(dāng)傾斜力矩超過(guò)高空作業(yè)車的承受能力時(shí),高空作業(yè)車即會(huì)出現(xiàn)傾倒,造成事故[5]。所有高空車在施工作業(yè)時(shí),必須能及時(shí)檢測(cè)到高空作業(yè)車車體的傾斜角度?；诖?從電氣控制系統(tǒng)著手,改造控制系統(tǒng),監(jiān)測(cè)運(yùn)行過(guò)程中車體的傾斜角度,限制危險(xiǎn)操作,這是此次改造升級(jí)的出發(fā)點(diǎn)。

3 改造原理

高空作業(yè)車的作業(yè)動(dòng)作由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)由液壓泵、油箱、液壓油缸、液壓馬達(dá)、液壓控制閥及管路、接頭、過(guò)濾器等部件組成[6]。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn),液壓泵產(chǎn)生的油壓通過(guò)電氣系統(tǒng)控制的電液比例閥傳遞到各液壓執(zhí)行單元(液壓缸和液壓馬達(dá)),以實(shí)現(xiàn)起伏、回轉(zhuǎn)、行走等動(dòng)作。電氣控制系統(tǒng)采用PLVC控制系統(tǒng),裝備CAN總線通訊方式,利用PLVC接口,通過(guò)調(diào)整電液比例閥的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的操作控制及故障診斷。PLVC控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,動(dòng)作靈敏,具有很高的可靠性和精確度。因此此次改造升級(jí)對(duì)原車控制系統(tǒng)不作根本的改動(dòng),保留原有系統(tǒng),只在原車電氣系統(tǒng)基礎(chǔ)上額外增加一套傾斜控制報(bào)警系統(tǒng),并整合進(jìn)原系統(tǒng)中,與原有系統(tǒng)無(wú)縫銜接,實(shí)現(xiàn)對(duì)高空車整車的操作控制。新增的傾斜安全控制系統(tǒng)增設(shè)高精度水平傳感器,可以監(jiān)測(cè)到高空作業(yè)車在作業(yè)過(guò)程中整車的水平角度,并將水平角度信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給車輛控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)將采集到的車輛水平角與設(shè)定值比對(duì),當(dāng)車輛整體水平傾斜角度達(dá)到3°時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警,蜂鳴器鳴響,傾斜指示燈亮起;如果車輛整體水平傾斜角度繼續(xù)增大,達(dá)到5°時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)介入,主動(dòng)干預(yù)操作行為,限制危險(xiǎn)動(dòng)作;控制傾角力矩持續(xù)增大則會(huì)發(fā)生傾覆。

4 技術(shù)要求

(1) 控制流程

改裝升級(jí)的控制流程如圖3所示。

圖3 改裝升級(jí)控制流程圖

(2) 傾斜報(bào)警

當(dāng)傾斜報(bào)警器監(jiān)測(cè)到傾角達(dá)到3°時(shí),控制系統(tǒng)開始報(bào)警,蜂鳴器持續(xù)發(fā)出聲音警示。

(3) 傾斜停機(jī)

當(dāng)傾斜報(bào)警器監(jiān)測(cè)到車體水平傾斜角度達(dá)到5°時(shí),車輛危險(xiǎn)性動(dòng)作將受到限制,操作手柄失效,無(wú)法進(jìn)行伸臂、抬臂、回轉(zhuǎn)、行車等操作,而安全性動(dòng)作如縮臂、降臂則可以繼續(xù)保持。為保證液壓系統(tǒng)正常工作,作為動(dòng)力源的發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。危險(xiǎn)性動(dòng)作受限后的操作表現(xiàn)為:①車輛工作臂起伏上升動(dòng)作停止,下降動(dòng)作正常;②車輛工作臂伸臂動(dòng)作停止,縮臂動(dòng)作正常;③車輛轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)動(dòng)作停止;④ 車輛行走動(dòng)作停止,前進(jìn)、后退均沒(méi)有動(dòng)作。

(4) 動(dòng)作恢復(fù)

當(dāng)傾斜報(bào)警器監(jiān)測(cè)到車體水平傾斜角度達(dá)到5°時(shí),將工作臂下降到0°角以內(nèi),車輛恢復(fù)行走移動(dòng)功能,同時(shí)蜂鳴器仍然持續(xù)發(fā)出警示聲音,工作臂伸臂和上升危險(xiǎn)動(dòng)作仍然受限。

當(dāng)車行走地面坡度低于5°時(shí),大于3°時(shí),控制系統(tǒng)解除限制,恢復(fù)所有動(dòng)作,蜂鳴器仍然持續(xù)發(fā)出警示聲音。

當(dāng)車行走地面坡度低于3°時(shí),蜂鳴器停止發(fā)出警示聲音,恢復(fù)所有動(dòng)作,可以正常作業(yè)。

(5) 改造部分的局部電路控制圖,如圖4所示。

圖4 改造部分的電路控制圖

(6) 加裝的主要電氣元件和作用

電氣元件:選擇24V 11腳繼電器和連接導(dǎo)線作為電氣元件。

作用:當(dāng)車體發(fā)生傾斜時(shí),K1繼電器接收PLVC的傾斜信號(hào),并停止高空作業(yè)車驅(qū)動(dòng)輪行走等危險(xiǎn)動(dòng)作,因此只能操作手柄把大臂完全縮回,大臂角度降至-13°～0°內(nèi),并發(fā)出高空作業(yè)車已在安全狀態(tài)的信號(hào)給K2繼電器,然后K2繼電器把信號(hào)反饋給K1繼電器,操作手柄讓K1繼電器執(zhí)行行走,直至高空車行走到坡度低于3°區(qū)域,警報(bào)取消,高空車才能恢復(fù)正常運(yùn)行。

5 改造后安全效果

根據(jù)高空作業(yè)車技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù),車輛作業(yè)時(shí)移動(dòng)的橫縱向坡度為≤5°,如作業(yè)移動(dòng)橫縱向坡度超過(guò)5°,車輛傾覆的可能性就會(huì)增大。

對(duì)電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造后的高空作業(yè)車進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐跟蹤發(fā)現(xiàn),其安全隱患排查效果比系統(tǒng)改造前有明顯的提升。將電氣控制系統(tǒng)改造前后的安全性能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所列。

表2 電氣控制系統(tǒng)改造前后安全性能對(duì)比表

電氣控制系統(tǒng)未改造前,車輛在作業(yè)過(guò)程中,當(dāng)車體橫縱向傾斜角度達(dá)到3°時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),提示操作者有危險(xiǎn)存在;但由于控制系統(tǒng)沒(méi)有主動(dòng)介入功能,沒(méi)有發(fā)出規(guī)避信號(hào),不能自動(dòng)限制危險(xiǎn)動(dòng)作,需要操作者及時(shí)做出規(guī)避反應(yīng)。如果操作者不及時(shí)做出規(guī)避動(dòng)作或者規(guī)避動(dòng)作失誤(如繼續(xù)行車),車體橫縱向傾斜角度有可能持續(xù)增大,當(dāng)橫縱向傾斜角度超過(guò)5°的設(shè)計(jì)參數(shù)值后,車輛可能出現(xiàn)傾覆,造成安全事故。

電氣控制系統(tǒng)改造后,車輛在作業(yè)過(guò)程中,當(dāng)車體橫縱向傾斜角度達(dá)到3°時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。由于控制系統(tǒng)具有主動(dòng)干預(yù)功能,因此可發(fā)出規(guī)避信號(hào)提示,可自動(dòng)判斷危險(xiǎn)動(dòng)作。如果車體橫縱向傾斜角度依然持續(xù)增大,當(dāng)達(dá)到5°時(shí),不需要操作者做出規(guī)避動(dòng)作,控制系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)干預(yù)并限制危險(xiǎn)動(dòng)作,自動(dòng)中斷危險(xiǎn)動(dòng)作(如中斷行車動(dòng)作),有效避免人為操作失誤造成的傾覆事故的發(fā)生,使車輛的安全保障更加智能,達(dá)到自動(dòng)排查或中止安全隱患的效果。

6 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)高空作業(yè)車傾斜安全電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí),在原來(lái)控制系統(tǒng)中加裝了報(bào)警及主動(dòng)干預(yù)裝置后,既保證了操作人員實(shí)時(shí)掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)和可能發(fā)生的危險(xiǎn),同時(shí)對(duì)操作人員的行為起到有效監(jiān)督與干預(yù)作用,如果操作人員未對(duì)報(bào)警信號(hào)做出反應(yīng)時(shí),主動(dòng)干預(yù)系統(tǒng)會(huì)及時(shí)做出反應(yīng),限制操作人員的危險(xiǎn)行為,避免事故發(fā)生。在實(shí)踐中,經(jīng)過(guò)改造后的高空作業(yè)車發(fā)生傾覆的可能性明顯較少,同時(shí)操作人員的不良習(xí)慣也得以約束糾正。高空作業(yè)車傾斜安全控制系統(tǒng)的改造,為解決高空作業(yè)車傾覆事故做出了積極探索,也取得了預(yù)期效果,驗(yàn)證了改造的可行性、有效性。