塔機安全監控與評估系統開發及應用

蔡福海李樹清李夢然何映仁楊紹偉

(1.大連理工大學 大連 116023)

(2.赤峰市特種設備檢驗所 赤峰 024000)

(3.大連理工大學(徐州)工程機械研究中心 徐州 221004)

塔機安全監控與評估系統開發及應用

蔡福海1李樹清2李夢然2何映仁2楊紹偉3

(1.大連理工大學 大連 116023)

(2.赤峰市特種設備檢驗所 赤峰 024000)

(3.大連理工大學(徐州)工程機械研究中心 徐州 221004)

目前中國由于建設項目繁多，在役塔機數量急劇上升，若不加強監管和提升控制手段，安全事故隱患會隨著塔機數量的增加劇增。本文對塔機安全事故發生的主要原因進行了分析，介紹了塔機安全監控和評估系統的技術現狀，對一種新研發的塔機安全監控與評估系統做了簡要闡述。同時通過對試點工程的應用，指出了本塔機安全監控和評估系統的優勢，為塔機的安全作業監控提供了一個新的技術方法和手段。

塔機 安全監控 評估系統 技術現狀

近年來，由于建設項目繁多，在役塔機數量急劇上升，盡管建筑安全監督部門不斷加大監管力度，但塔機的超載使用、無證操作和野蠻施工等違章行為頻現，倒塔傷人的安全事故也經常發生，造成了人民生命財產的重大損失。如何降低塔機事故頻率，防范于未然，成為監管部門和施工企業面前的一道難題。一方面，施工單位必須按照規定安裝安全監控設備，規范自身作業方式，淘汰老、舊、殘塔機，這是降低安全事故隱患的最直接手段；另一方面，需要監管部門、塔機生產廠家、施工企業能夠共享塔機工作安全信息平臺，能夠對在役的塔機進行實時監控、分布管理、分層控制、壽命評估，從而做到提前預防事故的發生，事后提供充分的證據材料。對在役塔機的安全監控和壽命評估系統進行了開發及應用，為有效監控塔機施工安全提供了一種新的方法和手段。

1 原因分析

塔機事故的成因很多，如圖1所示，主要原因包括

如下幾個方面[1]：

1）違章操作。此項原因引起的事故比例最高，約占總數的50%。集中體現在：（1）超載作業，操作者在不明吊載物重量的前提下，進行吊載或已知超重仍進行吊載；（2）在超出設計條件下的環境中作業，尤其是在6級以上大風天氣情況。

2）安全裝置不齊全。此項原因引起的事故約占18%。主要包括安全裝置損壞、安全裝置被故意拆除或破壞、安全裝置出廠時先天不全等現象。

3）人員無證操作。有的工地常雇用一些無特種作業證的人員來操作塔機，出現習慣性違章作業，此類事故約占10%。

4）機械狀況差。應按國家標準定期對塔機進行保養、維修。然而目前多數企業設備管理體系不健全、設備管理人員缺乏、定期維保被忽略等現象層出不窮。導致塔機安全性能下降，一些安全隱患長期存在，最終引發事故，此項原因事故比例約占11%。

5）塔機安裝、拆卸作業時的安全操作能力不足。在安裝、拆卸工況下，對關鍵崗位的操作人員技術要求高、責任心強、合作溝通能力強，稍有不慎，極易發生重大事故。據統計，塔機安裝和拆卸時發生的事故占一次死亡3人以上事故比例的70%以上。

圖1 塔機安全事故原因比例

從圖1可以看出，來自人為疏忽或故意是事故發生最大的原因，由于塔機自身狀況差而導致事故的比例才占11%。圖2是通過對國內外1200例塔機事故分析后得到的塔機安全事故類別，可知結構安全是塔機安全工作的前提，由于電氣系統或機構損壞導致事故發生的只占很少部分。因此對在役塔機的結構進行安全評估，具有重大的實用價值和社會意義。

圖2 塔機安全事故類別

2 現狀

2.1 安全監控系統

1）簡易型安全裝置精度差。目前，大多數塔機出廠時安裝了相應的高度限制器、幅度限制器和力限制器等裝置，但由于傳感器精度差，顯示載荷同實際載荷差距大，導致塔機工作容易超載作業。而且一旦發生事故，無法記錄載荷和清晰責任。

2）塔機黑匣子不能預防事故的發生。從2005年開始，國內開始應用塔機黑匣子記錄儀，由于其只能記錄簡單的塔機動作，監管部門、施工主管人員無法對塔機進行有效監控，因此黑匣子不能有效預防事故的發生[2-3]。

3）監管部門缺乏合適監控手段與工具。由于塔機數量大、分布廣、移動性強，監管部門缺乏合適的監控手段與工具，無法有效對塔機的工作過程進行實時監控，對其工地的監管還存在較大的漏洞。

2.2 安全評估系統

1) 人工檢測手段落后。針對塔機結構腐蝕、磨損、裂紋程度等物理量的評估，目前還主要靠人為測量，主觀性較大，效率較低，對技術人員的要求較高，因此檢測結果往往存在較大誤差，對塔機的基礎數據掌握不準確。

2) 壽命計算精度不高。針對塔機壽命的評估，主要采用名義應力法，需要塔機的載荷記錄作為基礎數據，結合塔機缺陷檢測數據才能進行有效計算。由于目前塔機的載荷記錄設施不完善，無法精確采集塔機的載荷記錄信息，因此，利用名義應力法進行安全評估和剩余壽命的計算精度低，只能用于估算。

3) 傳感融合與理論計算相結合的評估方法成為現實。由于物聯網的發展，新一代的塔機安全裝置可以具備載荷記錄功能，這些為壽命計算提供了數據基礎。結合對塔機金屬結構的缺陷檢測，如腐蝕、磨損、焊縫裂紋長度等物理量，建立合適的壽命計算模型，可以為比較精確計算當前塔機的安全工作狀態和剩余壽命。

3 設計與開發

3.1 開發思路

1）基于傳感器實測數據，通過控制器記錄塔機實時工作信息，并實時監控塔機安全狀態，防止超載等現象的發生。

2）采用GPS/GPRS無線通訊技術，將現場端信號通過衛星發送到遠程服務器端。基于強大的存儲和計算功能，實現塔機載荷記錄、工作循環次數統計。

3）基于名義應力法和熱點應力法，結合塔機評估技術規程[4]，對塔機關鍵金屬結構和零部件進行壽命評估，本系統的開發思路如圖3所示。

圖3 開發思路框圖

3.2 設計目標

1）保證傳感器測量數據的高精度。本設計采用編碼器用于塔機小車幅度、吊鉤高度、回轉角度的測量，避免了傳統塔機“黃盒子”的固有誤差；采用了S形力傳感器，重點保證了力矩計算精度；主控制器采用了建筑機械專用控制器Kinco K506-30EA為主控單元，提高穩定性和抗干擾能力，并采用組態軟件開發人機交互界面；服務器端基于Web服務器Microsoft. NET Framework軟件開發，只要用戶能夠上網，即可以方便登陸與使用。

2）監控系統接入塔機安全控制。為了有效預防塔機出現違規操作，當塔機出現負荷率超過規定值，監控系統自動切斷危險動作，防止塔機朝危險方向繼續作業，并將操作過程記錄在案。

3）在服務器端，集成了實時監控、故障診斷、載荷記錄、工作循環統計、壽命計算模型等功能，形成了比較完整的塔機壽命評估系統，并根據輸入參數自動生成安全評估報告，可以服務于不同的客戶對象，如監管部門、塔機業主、施工單位等。

4 應用案例

在內蒙古及江蘇常州地區，已經建立了批量應用示范工程。圖4-圖6是常州某工地QTZ63塔機安全監控系統傳感器及主機安裝圖，圖7是監控終端主界面。經過一年多的示范應用，安裝監控系統后的100多套塔機沒有出現任何事故，有效提升了當地的安全監控管理手段。

圖4 塔機監控終端安裝

圖5 小車幅度傳感器安裝位置

圖6 力傳感器安裝位置

圖7 塔機監控終端主界面

服務器端利用塔機各個性能參數的監測和計算，基于熱點應力法對塔機典型焊接結構計算疲勞壽命，結合《建筑起重機械安全評估技術規程》[4]，對塔機的安全作業狀況有一個明確的評估，輸出塔機目前的安全工作狀態和需要進行整改的下一步工作內容，自動生成安全評估報告，減小了人為計算的誤差，提高了塔機安全評估的精確度，為塔機維保提供了數據支持。圖8是服務器端主監控界面，圖9是基于熱點應力法對塔機焊接結構進行壽命評估的主界面。

圖8 服務器端主監控界面

圖9 塔機壽命評估界面

5 結束語

通過塔機安全監控與評估系統的應用，監管部門和其他塔機利益相關方能夠通過上網和手機短信迅速掌握施工現場各臺塔機的使用情況，建立以政府監管部門、施工單位等為主體的統一的管理平臺，最大程度地實現了區域化的安全管理和信息溝通。通過有效的壽命評估方法，為科學監管提供了一種先進的手段，減少了安全監管的工作量，提高了監管效率，在遏制重大事故、大幅度減少一般事故、保障人民生命財產的安全方面發揮了重要作用。

1 王鐵柱,侯義東.機正常工作年限評估方法的探索[J].建筑機械化,2009,29(12):35~37.

2 包世洪.機的使用壽命和評估.建設機械技術與管理[J], 2008(05):130~134.

3 陸志遠,殷晨波,劉志剛.超期使用的塔機檢測和評估方法[J].建筑機械化,2010(06):70~73.

4 JGJ/T 189-2009建筑起重機械安全評估技術規程[S].

5 孫社教.塔式起重機檢驗風險與對策[J].中國特種設備安全,2011,27（3）27~28

下期要目

★論特種設備安全技術規范的基本安全要求

★埋地聚乙烯燃氣管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術及工程應用

★淺談社會檢驗機構的公正性和服務性問題

★珠光體耐熱鋼膜式水冷壁制造工藝化

Development and Application of Safety Monitoring and Evaluation System of Tower Cranes

Cai Fuhai1Li Shuqing2Li Mengran2He Yingren2Yang Shaowei3

(1. Dalian University of Technology Dalian 116023)
(2. Chifeng Special Equipment Quality Safe Inspection Center Chifeng 024000)
(3. Construction Machinery Research Center (Xuzhou) of Dalian University of Technology Xuzhou 221004)

There are many construction projects currently in China, the number of tower cranes in service increase sharply. If the government doesn’t to strengthen the regulation and improvement of means of control, safety accidents as the tower will increase. The tower crane accidents occurred on the main reasons was analyzed, and the tower crane safety monitoring and evaluation system of the technology status, development of a new tower crane safety monitoring and evaluation system are briefly described. Through a summary of the experimental project, the development trend of points of current tower crane safety monitoring and evaluation system is pointed out. And for the safe operation of tower crane, a new technical method is offered.

Tower Cranes Safety monitoring Evaluation System Technology Status

A

1673－257X(2014)06－16－04

蔡福海 (1982～) 男，工程師，總經理，主要從事特種設備安全及管理工作。

2014－01－24）