施工工藝驅動的大型施工機械安全分析

楊紹普 邢海軍 郭文武 王金祥 蔡維棟

1.石家莊鐵道大學，石家莊，050043

2.秦皇島天業通聯重工股份有限公司，秦皇島，066004

3.中鐵十三局集團有限公司，天津，300308

0 引言

大型施工機械是保障國家重大工程建設的關鍵裝備，與常用的機械設備相比，大型施工機械具有低速、重載、大扭矩、大推力、大尺度、結構復雜等特點。大型施工機械一旦出現安全問題往往會導致災難性后果，因此，大型施工機械的安全性是保障工程順利進行的關鍵。國家各部門高度重視大型施工機械、起重機械等特種設備的安全性，頒布了一系列的安全法規［1－3］。大型施工機械的安全性與設計、制造、檢測、施工工藝、監測等各個環節密切相關，其中安全設計是保證安全施工的首要環節，在設計階段，必須對施工對象、施工工藝、施工載荷、機械傳動機構、機械結構、作業環境乃至施工人員的操作水平進行全面的分析，明確其中與安全相關的關鍵問題，采用科學的安全分析方法指導安全設計。文獻［4－8］對架橋機、起重機的安全性展開了研究，但其研究重點都是針對具體施工機械的某一部件的安全問題展開的。已經頒布的安全標準、規范對相關機械的安全設計有著明確的規定，但其適用范圍往往局限于某一類機械，但大型施工機械種類繁多，有的機械無相應的具體規范可依，設計者只能參照相近的規范進行安全設計，這要求設計者具有豐富的設計和施工經驗，即使如此，安全問題也時有發生。因此，提出滿足工程需求的、操作性強的安全設計方法，建立科學的、系統的安全分析體系，對指導大型施工機械的安全設計具有非常重要的意義。近年來我國的高鐵、隧道建設突飛猛進，相應的大型施工機械（如架橋機、盾構機等）市場需求強勁，其安全設計引起了研制單位及施工單位的關注。石家莊鐵道大學從2003年起與秦皇島天業通聯重工股份有限公司、北京華隧通股份有限公司、河北新大地機電設備有限公司等多家企業聯合開發了900t架橋機、隧道盾構機、高鐵無渣軌道混凝土澆注機等大型施工機械，在這些設備的研發過程中，對大型施工機械的安全分析、安全設計、安全評估及安全檢測與監測進行了比較系統的研究，并將研究成果應用到了相關的大型施工機械，提高了大型機械的施工安全性。

本文提出了施工工藝驅動的大型施工機械三維安全分析體系，并采用該體系對高鐵用900t架橋機的安全性進行了分析。

1 施工工藝驅動的三維安全分析體系

1.1 安全分析方法

為了提高大型施工機械的安全性，在總體方案的擬訂階段需要全面系統地分析大型施工機械施工中的危險因素、危險后果，并要綜合利用人機工程學、機械設備安全工程學以及設備安全相關標準提出的一般理論［9］，結合大型施工機械施工工藝，提出危險解決方案。與以機械為中心，以機、電、液系統構成作為子系統劃分的依據不同，安全分析時，將大型施工機械按其主要功能分成作業部、走行部、傳動部、支撐部等機械子系統。大型施工機械施工的各工序及工序的切換方式相對固定，安全分析時，根據作業的動作順序，將工序及工序的切換一一排列，對各個子系統每個工序的安全要素進行分析，就得到了圖1所示的施工工藝驅動的三維安全分析體系。

圖1 三維安全分析體系

三維安全分析體系的三個坐標軸分別表示施工工藝流程（工序及工序切換）、機械功能子系統和安全解決方案。該體系以施工工藝為主線，以完成工序（或作業）的機械功能類別為依據，分層次展開，系統地分析各子系統與工藝狀態及工藝切換對應的機械運行狀態、危險因素、危險后果。對影響安全的危險環節給出解決方案并歸類，即根據安全問題的性質、解決問題的技術成熟度、技術經濟性等，將直接可由機械設計（包括冗余設計）解決的環節歸類于機械設計，將安全技術成熟且易于實現的環節歸類于由主控制器完成的閉環控制，將直接影響人機環境系統運行過程安全但又難以實施閉環控制的環節歸類于實施安全監測，將非突發性的因狀態演變最終導致失效影響安全的環節（需有特定檢測方法和數據處理方法支持）歸類于采用定期檢測、長期跟蹤監測策略。上述分析法突出的優點是可層次分明地展現作業功能部件、作業對象、人、環境間相互作用的安全性。

1.2 安全分析方法的具體實施

采用三維安全分析體系實施安全分析時，按照圖2所示流程進行程式化分析，其中“施工工藝流程”列將施工工藝分解成多個相對獨立的工序（或作業），“狀態”列表示該工序的作業動作或完成的功能，“危險分析”列表示對應工序存在的危險因素及危險后果，“解決方案”列表示避免危險因素的措施。

圖2 安全分析流程

2 TLJ900型架橋機安全分析

橋梁在我國高鐵線路中占有很大比例，其結構形式以全跨預制、逐跨架設的簡支箱梁為主，其中32m跨度箱梁重達900t。為了提高架梁作業效率，保障施工安全可靠，秦皇島天業通聯重工股份有限公司與石家莊鐵道大學共同研制了TLJ900型高速鐵路架橋機，該架橋機可以根據現場需要架設20m、24m、32m三種梁型。架橋機作業時要完成架梁、過孔、變跨等動作，本節采用所提出的安全分析方法對該設備的架梁作業過程進行安全分析。

2.1 TLJ900型架橋機的結構與功能

TLJ900型高速鐵路架橋機主要包括金屬結構、起升機構、走行機構、動力系統、液壓系統及電氣控制系統等部分。其中金屬結構主要包括主梁、前支腿、后支腿、懸臂梁及下導梁；起升機構包括卷揚機、起升吊具、鋼絲繩及滑輪組（安裝于前后吊梁行車及起升吊具）；走行機構包括前吊梁行車、后吊梁行車、鏈傳動機構；動力系統主要包括柴油機、發電機組及其附屬部件；液壓系統包括輔助支腿伸縮油缸、后支腿臺車伸縮油缸及油泵、油箱等液壓附件；電氣控制系統包括操作控制系統及走行機構、起升機構的供電系統。TLJ900型架橋機的主要結構如圖3所示。

圖3 TLJ900型架橋機主要結構

2.2 TLJ900型架橋機的架梁作業流程

TLJ900型架橋機架梁作業流程如圖4所示，作業順序依次為：運梁車喂梁，前吊梁行車吊梁→前吊梁行車吊梁前行→后吊梁行車吊梁，與前吊梁行車吊梁至落梁位置→前后吊梁行車共同落梁。

圖4 TLJ900型架橋機架梁作業流程

2.3 TLJ900型架橋機架梁作業安全分析

為了減小制造、運輸及安裝成本，研制架橋機時應在保證作業安全可靠的情況下，對架橋機的結構、機構、電氣及液壓系統進行優化。為了實現這一目標，必須事先根據架橋機的施工工藝對架橋機的安全影響因素及保障措施做出詳盡分析，提出架橋機安全設計的關鍵要素。TLJ900型架橋機架梁作業時的安全分析如圖5所示，根據圖5的安全分析，電氣系統、液壓系統、機構及金屬結構的安全性是保證架橋機安全施工的關鍵。其中電氣系統可通過常規連鎖開關、過載保護開關等確保其不會由于設備產生故障而超載運行；液壓系統可通過溢流閥、液壓鎖等裝置避免安全事故的發生?，F將架橋機的作業部、傳動部、走形部、支撐部的關鍵安全問題進行總結。

（1）作業部的安全分析。架橋機的起升機構為作業部，架橋機作業時起升機構存在的主要不安全因素以及設計階段采取的應對措施如下：

①起升機構制動不可靠。為了避免該情況發生，應在鋼絲繩卷筒及驅動電機的輸出軸設置二級制動裝置，另外在卷筒處設置失速保護裝置，一旦出現下降速度過快，立即啟動制動裝置。

②鋼絲繩磨損嚴重導致承載能力下降，最終引起鋼絲繩斷裂。為了避免該情況發生，架橋機作業時，應對鋼絲繩的磨損情況進行定期檢測。

③吊具的吊桿發生斷裂。為了避免該情況發生，作業時，應對吊桿進行定期探傷。

④吊具、吊桿受力不均導致結構強度破壞。為了避免此情況發生，應對起升機構的滑輪組及吊具都采用四點起吊三點平衡技術，保證吊具、吊桿受力明確，避免由于超靜定問題的存在而導致鋼絲繩及吊桿受力不均。

（2）走形部的安全分析。架橋機的走形部主要包括前后吊梁行車、后支腿臺車、輔助支腿，走形部存在的主要不安全因素以及設計階段采取的應對措施如下：

①運梁車喂梁時，運梁車無法在預定位置停車而與架橋機后腿相撞，引起架橋機傾覆。為了避免該情況發生，應在電氣系統安裝紅外線防碰撞開關。

②在落梁位置處900t箱梁與架橋機前支腿碰撞，引起架橋機傾覆。為了避免該情況發生，電氣系統應安裝限位開關。

③空載時，前后吊梁小車發生碰撞。為了避免該情況發生，電氣系統應安裝紅外線防碰撞開關。

④架橋機過孔時，主機行走距離過長而沖出下導梁，導致架橋機傾覆。為了避免該情況發生，應在下導梁安裝無線位置開關。

（3）支撐部的安全分析。架橋機的支撐部即架橋機的金屬結構，架橋機的金屬結構用來承受結構自重、設備自重、移動的900t箱梁質量。下導梁的金屬結構用來承受結構自重及過孔時移動的主機質量，金屬結構是否滿足作業要求是保證架橋機安全施工最為關鍵的問題。對架橋機金屬結構進行安全設計時，首先要分析架橋機各個工序所受的各種載荷，分析架橋機所受載荷時，要根據起重機設計規范GB3811－2008的載荷分類，結合TLJ900實際施工情況確定，而后對架橋機的強度、剛度、穩定性進行計算。

圖5 TLJ900型架橋機架梁作業安全分析

①強度計算。要分別計算前吊梁行車吊梁時主梁后懸臂梁的強度、前吊梁行車行至主梁跨中時主梁的強度、后吊梁行車起升時后支腿的強度、前后吊梁行車吊梁至落梁位置時前支腿的強度、過孔時架橋機輔助支腿行至下導梁跨中位置時下導梁跨中的強度。為了明確架橋機、下導梁的支腿受力，前支腿要在吊重前調平，避免出現受力不對稱引起結構單側承載過大現象，因此前支腿要安裝調節裝置。

②穩定性計算。要計算前吊梁行車吊梁時架橋機的縱向穩定性、架橋機工作與非工作狀態的橫向抗風穩定性，除此之外，架橋機金屬結構的局部穩定性要滿足要求。

③剛度計算。架橋機吊梁時，架橋機的撓度要滿足規范要求。

（4）傳動部的安全分析。架橋機的傳動部包括起升機構、走形機構的減速機、滑輪組等部件，傳動部的安全設計要在全面分析部件所受的各種載荷的基礎上，進行標準部件的選型。

3 結束語

為了提高大型施工機械的安全性，提出了大型施工機械的三維安全分析體系，該體系可以有效地指導大型施工機械的安全設計，以900t架橋機架梁作業為例，詳細分析了三維安全分析體系在安全設計中的具體實施方法。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗總局，中國國家標準化管理委員會.GB6067.1－2010起重機械安全規程［S］.北京：中國標準出版社，2010.

［2］中華人民共和國國家質量監督檢驗總局，中國國家標準化管理委員會.GB26469－2011架橋機安全規程［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［3］中華人民共和國國家質量監督檢驗總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T28264－2012起重機械安全監控管理系統［S］.北京：中國標準出版社，2012.

［4］Li Xiangyang，Zhan Jing，Jiang Fuliang，et al.Cause Analysis of Bridge Erecting Machine Tipping Accident Based on Fault Tree and the Corresponding Countermeasures［J］.Procedia Engineering，2012，45：43－46.

［5］Aneziris O N，Papazoglou I A ，Mud M L，et al.Towards Risk Assessment for Crane Activities［J］.Safety Science，2008，46（6）：872－884.

［6］Ruud S，Age M.Risk－based Rules for Crane Safety Systems［J］.Reliability Engineering and System Safety，2009，93（9）：1369－1376.

［7］Cheng Zhang，Hammad A.Improving Lifting Motion Planning and Re－planning of Cranes with Consideration for Safety and Efficiency［J］.Advanced Engineering Informatics，2012，26（2）：396－410.

［8］Tama V W Y，Fung I W H.Tower Crane Safety in the Construction Industry：a Hong Kong Study［J］.Safety Science，2011，49（2）：208－215.

［9］全國機械安全標準化技術委員會，中國標準出版社.機械安全標準匯編［M］.北京：中國標準出版社，2007.