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针对超大型门座起重机安全监控系统的技术及装置进行探讨

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2016-05-13 14:03:00

能源紧缺使世界各国把开采目标移到广阔的海洋,作为基础设备的海上钻井平台的需求不断增长,不仅如此,随着海上作业范围的加大,开采深度的加深,海上钻井平台的面积越来越大,钻塔高度也越来越高。因此,参与海上钻井平台建造的臂架起重机也必须满足大起重量、大变幅幅度、大起升高度的吊装要求,适应这些要求的超大型门座起重机应运而生。对于这个没有前例可参照的门座起重机(以下简称门座起重机)新的领域,不能照搬中小型门座起重机的设计和制造经验,其使用安全性与生产适用性凸显关键。


图1所示的HM200105D型门座起重机即属此类起重机,该机额定起重量200 t(常规门座起重机50t以下),最大起吊幅度105 m(常规门座起重机60 m以下),轨上起升高度110 m(常规门座起重机60 m以下),轨距12 m,最小幅度时臂架顶端高170 m(常规门座起重机80 m以下)。使用地点在长江人海口处,使用现场气象环境恶劣,常年有大风,起重机的使用安全性引起有关各方高度关注。下面就该机的安全装置进行阐述,仅对一般门座起重机上没有使用过或很少使用的技术及装置进行探讨,对常规的门座起重机安全监控系统不作叙述。

HM200105D型门座起重机


1 门座起重机安全监控系统安全装置

1.1风速仪的安装位置

因这台门座起重机整机高度高,轨距小,风对起重机的倾覆稳定性的影响大。

起重机设计手册中风压计算式为q=0.613v2,门座起重机安全监控系统工作状态的计算风速按瞬时风速考虑,非工作状态的计算风速为2 min时距的平均风速。由表1—3—9中可查得工作状态计算风压250 N/m2,风压高度变化系数Kh=(h/lO)n3,表1—3—10中常规的起重机高度仅有80 m以下范围,非工作状态时将起重机按20 m一段划分等风压段。

欧洲起重机械设计规范中风的动压由下式给出:q=0.613v2。表T.2.2.4.1.2.1.给出在露天工作的一般起重机工作状态风压250 N/m2,表T.2.2.4.1.2.2.给出高度超过100 m的起重机非工作状态设计风压1300N/m2的结果,没有风压高度变化系数的叙述。

   起重机设计规范采用P=0.625v:,计算风速为空旷地区离地10 m高度处的阵风风速,即3 s时距的平均风速,在表15中可查得PⅡ=250 N/m2,在此规范的释义中也讲该风压值是沿用上一版本规范的值。计算非工作状态风载荷时,可沿高度划分成10 m高的等风压段,以各段中点高度的系数瓦乘以计算风压;也可以取结构顶部的计算风压作为起重机全高的定值风压。

门座起重机安全监控系统设计时正处于新旧规范更迭期间,设计中工作风压采用新版设计规范P=0.625v:的计算公式(虽然公式与q=0.613v2不同,但二者结果取值相同)。由于起重机高度超过起重机设计规范对常规的非工作风压叙述的范围,并且由于轨距较小(轨距应在18~22 m较为合适),保证非工作状态下的起重机稳定性是一个难题,经过研究决定采用K。=(h/lO)n 3的计算办法,且在人字架顶(距离地面约100 m)及臂架顶各安装一套风速仪,以对工作状态下的风速进行监测,也对实际操作提供参考依据,实际证明完全可行。


1.2保险机构的设置

该机变幅形式采用钢丝绳变幅,为了弥补这种变幅形式的固有缺陷,增设了一套保险机构安装在转盘的尾部,其原理相当于一套备用的却又跟随运行的变幅机构。在变幅过程中,一旦变幅钢丝绳意外断裂,除防断绳安全卡板将变幅钢丝绳卡住外,保险机构同时动作,将臂架拉住。这要求在变幅机构正常工作时保险机构是一个跟随性的机构,在正常变幅过程中保险机构仅略微收紧保险钢丝绳,不参与起放臂架的作功。仅在变幅钢丝绳断裂时拉住臂架,并将臂架头部平稳地放到码头面,以便维修。所以,保险机构采用不同功率的2台电机驱动,起跟随作用时仅需克服保险钢丝绳自重引起的阻力,小功率电机工作;起支持臂架作用时如同变幅机构(因变幅机构有钢丝绳卡板,保险机构仅需提供变幅机构支持力的一半),大功率电机工作。布置形式见图2。

保险机构的形式


1.3纤光栅应力监测系统

为了确保钢结构部分在使用过程中的安全,需要对钢结构部分的应力集中处进行检测(应力集中处的位置及预应力值由有限元分析结果得到)。该门座起重机安全监控系统的设计使用寿命较长,在长期使用过程中,因环境侵蚀、材料老化和载荷的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减,特别是结构内部无法监测,很可能导致突发事故,甚至正常工作时也可能出现突发事故,所以采用可靠的应力监测系统十分必要。

过去对金属结构进行长期在线监测的方法主要采用电阻应变片作为传感元件,但是传感器寿命短,稳定性差,抗电磁干扰能力差。光纤光栅传感器与传统的电式传感器相比,具有使用寿命长、运行稳定、抗电磁干扰能力强等优势,并且能在恶劣环境中工作。所以,采用了光纤光栅传感器对门座起重机进行应力监测。光纤光栅是测试应变常用的光学元件,现已大量应用在隧桥和建筑等结构上。光纤光栅传感器的优点主要表现为:耐久性好,适于长期监测;既可以实现点测量,也可以实现准分布式测量;检出量是波长信息,因此不受接头损失、光强沿程损失等因素的影响;对环境干扰不敏感,抗电磁干扰;波长编码,可以方便实现绝对测量;单根光纤单端检测,可尽量减少光纤的根数和信号解调器的个数;信号、数据可多路传输,便于与计算机连接,单位长度上信号衰减小;灵敏度高,精度高;光纤光栅尺寸小,测量值空间分辨率高;输出线性范围宽,适用于起重机械工作环境。

图3为光纤光栅传感器的安装分布位置示意图,整机44个测点,其中应力测点22个,温度补偿点22个。

光纤光栅传感器的安装分布位置示意图


1.4摄像监控系统

该机高度高、作业幅度大,对作业区域及起重机自身监控带来了较大难度,因此,整机设立了9个摄像装置,分别布置在臂架头部、人字架顶、机房、转盘及行走机构,中央处理器布置在司机室后的休息室,显示器安装在联动台右前方。其中臂架头部及人字架顶为可调焦带云台的摄像装置,分辨率高(实地操作人字架顶摄像装置,可识别约1.5 km外高约1.2 m的标题字),可清晰观察被监控设备。图像信号采集设备均使用防震型摄像装置,克服普通摄像机经受不住长时间颠簸,使用寿命低,工作时的图像抖动不清的通病。另外,与以往安装的摄像装置不同,本机信号采集全部采用有线传输,对于行走机构上的摄像装置的数据传输难题,主要采用数字编、解码及回转接头的办法使信号既能通过360。回转的中心集电器,又能保证通过小流码即可达到流畅的高质量图像质量。


1.5其他安全装置及措施

除以上安全装置外,为了确保钢丝绳卷绕机构的安全,主、副起升机构、变幅机构采用双盘式制动器并各增设2组低速轴安全制动器,保险机构因使用级别较低,采用了单盘式制动器及低速轴安全制动器。为防止工作间隙中起重机产生的风摆,对生产现场其他设备产生的安全隐患,下转柱设置了旋转锚定装置。行走机构上还设置了勾轨器、夹轨器、防风拉锚、行走锚定、缓冲器等常规安全装置,见图4。201 1年8月,台风“梅花”从我国东部沿海经过,该起重机使用地区风力达1l一13级,由于事先按照预报做好防台准备,各安全装置工作正常,经受住了台风的考验。


行走机构

特殊的工作场合、特殊的作业对象,对超大型门座起重机安全监控系统的设计和建造提出了新的课题,起保驾护航作用的安全装置的设置也必须适应需求而作不断的创新。





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