可以移位的塔機(jī)基礎(chǔ)安全監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)研發(fā)*

湯坤林 鄧 閣 何 鐵 沈成棟 丁 雄

1. 上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200050；2. 上海航鼎電子科技發(fā)展有限公司 上海 200437

1 塔機(jī)基礎(chǔ)安全問(wèn)題

塔機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定是影響塔機(jī)整體穩(wěn)定性的重要因素，盡管從設(shè)計(jì)源頭采取了管理措施，但是，對(duì)已發(fā)生的塔機(jī)事故案例統(tǒng)計(jì)分析卻發(fā)現(xiàn)，塔機(jī)事故中50%是因?yàn)榈鼗蓜?dòng)導(dǎo)致的。因此在塔機(jī)使用過(guò)程中，為了保證使用的安全，需要及時(shí)注意基礎(chǔ)的不均勻沉降，定期作檢測(cè)。

常規(guī)的檢測(cè)方法是通過(guò)經(jīng)緯儀測(cè)量塔機(jī)塔身的垂直度來(lái)間接判斷塔機(jī)基礎(chǔ)的不均勻沉降。但這種方法存在下列一些缺點(diǎn)：

（a）通過(guò)使用外部經(jīng)緯儀，人工測(cè)量，不能做到實(shí)時(shí)檢測(cè)；

（b）使用傳統(tǒng)測(cè)量方法響應(yīng)慢，精度低，成本高，難以滿足基礎(chǔ)沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 塔機(jī)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法[1,2]

鑒于現(xiàn)有市場(chǎng)上缺乏對(duì)塔機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與管理的設(shè)備，對(duì)塔機(jī)基礎(chǔ)定期采用手動(dòng)方式進(jìn)行，上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司與上海航鼎電子科技發(fā)展有限公司聯(lián)合提出了一套塔機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1。

塔機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（包括水平水平度傳感器、LDVS磁位移傳感器和監(jiān)測(cè)終端主機(jī)）和監(jiān)測(cè)中心軟件構(gòu)成，適用于所有塔式起重機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定度監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)基礎(chǔ)24 h連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)，管理人員在辦公室，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)就能全面掌握塔機(jī)基礎(chǔ)狀態(tài)，從而大大降低塔機(jī)事故發(fā)生率。

圖1 塔機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

塔機(jī)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)主要使用2 種傳感器：一種是基于MEMS技術(shù)的電子水平尺，測(cè)量塔機(jī)基礎(chǔ)每個(gè)角位置的傾斜度，另一種是差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT），測(cè)量每個(gè)測(cè)量點(diǎn)到相對(duì)固定位置的位移變化。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備能實(shí)時(shí)記錄各測(cè)量數(shù)據(jù)，供監(jiān)測(cè)或者事故分析使用；處理好的測(cè)量數(shù)據(jù)，能通過(guò)無(wú)線公共通信網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。當(dāng)塔機(jī)基礎(chǔ)的傾斜量或沉降量超過(guò)設(shè)定閾限，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端主機(jī)發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，提示工程人員采取相應(yīng)的防范措施，同時(shí)提醒遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心管理人員處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理人員可以通過(guò)塔機(jī)基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)與傾斜數(shù)據(jù)的分析，得到其沉降趨勢(shì)，提示工程人員采取相應(yīng)的防范措施。總之，以互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段，完成塔機(jī)基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而預(yù)防由塔機(jī)基礎(chǔ)不穩(wěn)定引起的塔機(jī)安全事故發(fā)生。

3 主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)與功能[3-6]

根據(jù)《塔式起重機(jī)混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 187—2009的要求，基礎(chǔ)澆筑完成后塔機(jī)安裝前應(yīng)在基礎(chǔ)四角設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，并在塔機(jī)安裝前進(jìn)行原始觀測(cè)，塔機(jī)安裝后觀測(cè)一次，塔機(jī)加節(jié)后至少觀測(cè)1 次，在使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)程觀測(cè)，并做好記錄。基礎(chǔ)的最大最小沉降差引起的基礎(chǔ)傾斜不應(yīng)大于1/1 000，總沉降控制在50 mm以內(nèi)。當(dāng)塔基位于基坑邊或需對(duì)位移進(jìn)行控制等情況時(shí)，還應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)位移進(jìn)行觀測(cè)。

根據(jù)規(guī)范的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的塔機(jī)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能：

（a）能實(shí)現(xiàn)塔機(jī)基礎(chǔ)沉降與傾斜度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，支持至少8 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的傾斜度測(cè)量和4 個(gè)角的沉降；

（b）具有基礎(chǔ)位移監(jiān)測(cè)的接口，能實(shí)現(xiàn)塔機(jī)基礎(chǔ)水平位移的監(jiān)控；

（c）監(jiān)測(cè)設(shè)備帶有衛(wèi)星定位功能，能夠準(zhǔn)確記錄時(shí)間和上傳監(jiān)控中心各測(cè)量點(diǎn)位置，便于監(jiān)控中心直觀地觀測(cè)塔機(jī)基礎(chǔ)狀態(tài)；

（d）監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)安全性好，測(cè)量數(shù)據(jù)不僅保留在監(jiān)控裝置主機(jī)中，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保留在系統(tǒng)服務(wù)器中；

（e）水平度傳感器測(cè)量信號(hào)和LVDT測(cè)量信號(hào)送入測(cè)量裝置，結(jié)合嵌入式軟件，實(shí)時(shí)檢測(cè)各測(cè)量值，并通過(guò)無(wú)線公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送至檢測(cè)中心；

（f）內(nèi)置備用電池，在裝置外部供電損壞時(shí)，能及時(shí)向監(jiān)控中心報(bào)警，請(qǐng)管理人員處理；

（g）現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程系統(tǒng)報(bào)警相結(jié)合。

4 外部傳感器選型

根據(jù)國(guó)家規(guī)范，塔機(jī)基礎(chǔ)安全穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)測(cè)試精度要求高，考慮產(chǎn)品的性價(jià)比，對(duì)沉降測(cè)量，我們考慮0.1 mm精度，對(duì)傾斜度，我們采用1/2 000精度。

考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，還需要注意傳感器防塵、防水和防碰撞要求；我們監(jiān)測(cè)設(shè)備選用了基于MEMS的水平度傳感器和LVDT差分位移傳感器。

4.1 MEMS水平度傳感器

MEMS即微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems），MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

采用上海航鼎公司設(shè)計(jì)的AZ101 MEMS水平度傳感器來(lái)測(cè)量塔機(jī)的基礎(chǔ)傾斜，主要技術(shù)指標(biāo)為測(cè)量范圍±15°（其他量程可選），供電電壓5 V（測(cè)試電壓24 V），測(cè)量精度0.02°，分 辨 率0.001°，滿量程最大誤差（常溫）＜0.05°，非線性度≤±0.5%，長(zhǎng)期穩(wěn)定性（1年）＜0.05°，防護(hù)等級(jí)IP65。

4.2 LVDT差分位移傳感器指標(biāo)

LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動(dòng)變壓器的英文縮寫，屬于直線位移傳感器。工作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)是鐵芯可動(dòng)變壓器。它由1 個(gè)初級(jí)線圈、2個(gè)次級(jí)線圈，鐵芯，線圈骨架，外殼等部件組成。初級(jí)線圈、次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，2 個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為零；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，設(shè)計(jì)時(shí)將2 個(gè)線圈反串相接、2 個(gè)次級(jí)線圈的電壓極性相反，LVDT輸出的電壓是2 個(gè)次級(jí)線圈的電壓之差，這個(gè)輸出的電壓值與鐵芯的位移量成線性關(guān)系。LVDT 具有下列優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：無(wú)摩擦測(cè)量、無(wú)限的機(jī)械壽命、無(wú)限的分辨率、零位可重復(fù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是少數(shù)幾個(gè)可以在多種惡劣環(huán)境中工作的傳感器之一。

堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)提供高可靠性，而其性能十分適合行程小于±100 mm的多數(shù)應(yīng)用，測(cè)量精度能達(dá)到1/1 000，其特性非常適合在塔機(jī)基礎(chǔ)沉降測(cè)量使用。

選用深圳信為公司SBD20型外徑20 mm，不銹鋼304外殼，回彈式位移傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：位移量程為0～50 mm，有多種規(guī)格量程可選；輸出信號(hào)為0～5 V DC（ 9～28 V DC 供電電壓） ；線性誤差有±0.25%、±0.5%可選；重復(fù)誤差＜0.01%；使用溫度為－25 °C～+85 °C。

5 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

5.1 塔機(jī)基礎(chǔ)安全監(jiān)控終端的安裝

塔機(jī)基礎(chǔ)監(jiān)控終端，選擇安裝在交流電供應(yīng)和防雨的電控箱內(nèi)，可以在塔機(jī)基礎(chǔ)上或者塔機(jī)塔架上方便的位置安裝。

為了保證測(cè)量有效性，取傾斜變化和沉降位置變化最大點(diǎn)，通常在基礎(chǔ)的各個(gè)角。圖2提供了在塔機(jī)基礎(chǔ)上布置傳感器的安裝位置示意。

圖2 電子水平尺與位移傳感器安裝位置示意

5.2 水平度傳感器安裝

（a）為了保證測(cè)量有效性，建議至少在每個(gè)角安裝一個(gè)水平度傳感器。

（b）為了現(xiàn)場(chǎng)安裝施工方便，我們將水平度傳感器安裝在槽鋼內(nèi)側(cè)，制作成500 mm電子水平尺；為便于安裝、防水，每個(gè)電子水平尺都帶有安裝孔，可以方便地安裝于基礎(chǔ)測(cè)量點(diǎn)，并進(jìn)行水平度的校正。

（c）最多安裝8 個(gè)電子水平尺，每個(gè)電子水平尺盡量靠近基礎(chǔ)4 個(gè)角安裝；對(duì)于安裝4 個(gè)水平度傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按電子水平尺1～4位置安裝。

5.3 差動(dòng)位移傳感器安裝

為了保證測(cè)量有效性，建議至少在每一個(gè)角安裝差動(dòng)位移傳感器。

（a）采用差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT）測(cè)量相對(duì)固定位置到塔機(jī)基礎(chǔ)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移變化；差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT）安裝于塔機(jī)基礎(chǔ)4 個(gè)角，如果安裝了4 個(gè)及以上的水平度傳感器，可以僅僅選擇1 個(gè)角安裝差動(dòng)變壓器式位移傳感器；

（b）為了測(cè)量塔機(jī)基礎(chǔ)下沉，選擇離開塔機(jī)1.5 m外選擇一個(gè)相對(duì)固定的位置，安裝一個(gè)固定測(cè)量支架，支架一端固定在地里，支架另一端（測(cè)量點(diǎn)）與差動(dòng)變壓器式位移傳感器測(cè)量端接觸，測(cè)量點(diǎn)與LVDT測(cè)量端相對(duì)位移變化，就是基礎(chǔ)的沉降；

（c）如果需要安裝水平位移傳感器，和已安裝的沉降傳感器安裝在相鄰的位置。

6 結(jié)語(yǔ)

塔機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)量是塔機(jī)安全生產(chǎn)最根本的基礎(chǔ)，之前沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法與手段，本文的塔機(jī)基礎(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法提供了一個(gè)新的手段和方法，希望能起到拋磚引玉的作用，為同行和國(guó)內(nèi)塔機(jī)基礎(chǔ)安全監(jiān)控工作的開展提供參考，杜絕安全隱患，預(yù)防和減少塔機(jī)使用過(guò)程中安全事故的發(fā)生。