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塔机安全问题分析及超龄塔机的安全评估与检测分析上篇

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2017-05-04 16:32:00

随着我国城市化建设进程的加快,塔式起重机(以下简称“塔机”)的社会保有量持续攀升。与此同时,一些塔机安全事故甚至重大伤亡事故也不断发生,其中,未经过安全评估的接近或超过设计年限的塔机仍然继续服役,无疑成为造成各类事故的直接隐患【n。“安全非儿戏,安全在于防范”,塔机使用中的安全问题其实更依赖于塔机操作者和管理者平时的自觉维护和自检。然而在实际操作中,与塔机安全相关的因素非常多,对于很多评估问题业内也尚未取得共识,各相关单位的评估方法和所用检测仪器也不尽相同。本文仅就影响塔机安全的产品设计和安全监控技术环节进行分析,并就超龄塔机的安全评估与检测工作的相关内容进行讨论。


1、塔机设计中的安全问题

针对塔机设计环节中的安全性问题,除了《机械设计手册》中通用的机械安全设计原则外,国家和相关部门还制定了一系列完善的标准与规范,相关标准有GB 3811《起重机设计规范》、GB5144(塔式起重机安全规程》、GB/T 5031(塔式起重机》等。


然而在一些细节上,也经常会出现标准不能完全覆盖到的方面,这时如果设计人员随意定夺,不从实际情况和相关经验出发,就很容易给产品带来安全性缺陷四。从已经发生的重特大事故来看,以下比较突出的安全问题应引起设计人员的高度

重视。


1.1设计寿命问题

到目前为止,大多数的产品使用说明书对塔机的设计寿命都未加以明确。虽然目前国家没有确定塔机的强制报废年限,但JG胛189--2009《建筑起重机械安全评估技术规程》对各类塔机需进行安全评估的年限都作了详细规定,所以塔机的使用说明书中也应明确规定本机的设计寿命并对安全评估年限做出提醒,以供使用者参考。如果使用者不了解这些,就会出现塔机到期不查或者使用了二、三十年甚至更长时间还在继续使用的情况,这会大大增加塔机安全事故发生的可能性。


1.2安全保护装置问题

2006年颁布的GB 5144--2006《塔式起重机安全规程》对安全保护装置的功能要求作了详细规定,并强制要求作业中的塔机上必须安装安全监控保护装置。即便如此,塔机的安全事故发生率还是居高不下,其主要原因有:

1)保护措施功能不够齐全。仅有力矩限位和荷载限制功能,对于工作在高层及超高层建筑的塔机来讲是远远不够的。诸如塔机的回转角度、幅度、起升瞬间加速度和风速等外部环境因素和运行状态参数对塔机安全性能的影响是非常大的,这些参数的异常足以引起塔机事故的发生[31。但是很多塔机不具备对这些不正常运行数据的管理和监控功能,导致很多场合下工作人员操作不当或强行在恶劣的环境下操作塔机,从而引发事故;

2)监控系统仅限于塔机群小范围的监控,对大范围或是不同区域的塔机进行实时监测、管理、综合判断则无能为力。因此,设计人员在进行新产品开发时,要对这些问题给予高度重视,应考虑在塔机中加入更加智能化的监控系统,使其具有记录不正常数据、远程监控塔机群、对塔机进行实时定位等功能,这些功能对于提高塔机的安全性和可靠性意义重大。


1.3设计成本与产品质■的平衡问题

成本和质量在现实中总是存在不可避免的反比关系。很多设计者在开发产品时,出于对企业经济效益的考虑,会降低对钢材的性能要求,造成产品质量存在隐患。另外,还有一些企业对生产过程的监督管理不完善,导致部分构件焊接质量差,致使整机质量大打折扣。安全评估部门在对新制造的塔机进行检测过程中就发现,不少型号的塔机设计刚度和强度都只是刚好满足国家标准,产品可靠性不高。因此,设计人员在产品的开发过程中不应该过多地考虑成本,而应切实保证产品质量,使其满足要求。同样,作为用户,无论是单位还是个人,在挑选塔机时也不应过多地以价格为首要考虑因素,否则,很可能购买的是存在严重安全隐患的产品。


1.4塔机结构和部件的选型问题

塔机的整机结构也应严格按照相关原则设计,任何随意更改都可能带来安全隐患阳。例如,有些厂家为了满足客户要求,无视设计准则要求,随意改变塔机的臂长,改变支撑的形式,实际上这些改动都会加剧塔身的摇摆,降低塔机的稳

定性。此外,在某些部件的选型问题上,也应引起设计人员足够的关注,确保采用合理可靠的结构型式,例如:

1)很多型号的塔机采用的是三位一体(即力矩、重量、幅度三限位于一体)的限位装置,这种限位装置采用自行车用的刹车钢丝绳来测量结构的负载变形,这种结构虽构思新颖,但经验证发现其很容易因损坏而失效;

2)不少塔机的起重量限制器只控制最大起重量,不能控制各挡速度下的载荷,这样极易导致电机因超载而烧坏;

3)某些塔机常采用的依靠自锁制动的蜗轮蜗杆装置,也被证明在实际使用中并不可靠。其主要原因是:刚出厂时,蜗轮蜗杆没有磨损,能起自锁作用,但使用一段时间后由于磨损严重,同时塔臂在空载或吊载时都有一定的斜度,这就使得小车变幅机构在断电后仍然因惯性向较低方向滑行而造成事故;

4)多数塔机选用的钢丝绳过渡滑轮直径太小,导致钢丝绳因弯曲半径过小而易损坏,这也是造成钢丝绳寿命缩短的主要原因之一;

5)滑轮选用材质不耐磨导致滑轮更换频繁。


1.5 吊钩组的重量问题

相关标准并未对吊钩组重量给出明确的设计要求,但吊钩组的重量直接影响到水平臂式塔机起升钢丝绳挠度和空钩下降性能。重量过大会减小起重量,降低塔机的起重性能;相反,重量过轻虽然会增大起重量,提高塔机的起重性能,但会使得钢丝绳因挠度过大而易于与其他物体干涉造成事故,同时也使得塔机空钩下降性能较差。因此在吊钩的设计中。应当综合考虑各种因素,调整吊钩组的重量使其达到最佳状态。


1.6设置载重小车防侧翻装置的问题

对于采用水平臂架小车变幅的塔机,其载重小车安装有起重用滑轮组j行走用车轮、维修用平台、牵绳张紧装置等。相关标准已对相应部件作了规范,同时也对载重小车防断绳提出了要求;另外,考虑到载重小车滚轮轴的不安全性,应

在载重小车架上设计防断轴坠落装置。但是在工程实际中经常存在载重小车坠落造成的重特大伤亡事故,且大部分是由于载重小车的侧翻酿成,即当维修用平台载重后,载重小车的另一侧翘起,进而滚轮从起重臂下弦杆上表面滑落,载

重小车整体向一侧倾翻。究其原因是塔机设计时没有对载重小车的防侧翻性能进行验算和确定其侧翻临界载荷。因此设计人员对此应给予足够重视,在设计时必须限制维修用平台的超载,并在醒目位置标定其最大载重量。


1.7设置爬梯护圈和手扶栏杆的问题

2006年之前颁布的GB 5144(塔式起重机安全规程》对于塔机的爬梯护圈和栏杆等安全防护装置的设置并未给予明确规定,可能是考虑到这些装置的设置会给结构设计带来一定的难度。其结果是导致很多塔机的爬梯护圈和手扶栏杆不

全,甚至完全没有。这显然会给施工留下了安全隐患,因为一旦发生人员坠落,塔机结构本身起不到防护作用,必然会酿成伤亡事故。在新版标准中,对这部分的内容进行了修订,这里有必要提醒设计人员,应严格按照新标准的要求进行塔

机设计。


1.8使用地域对塔机安全的影响

虽然国家标准对塔机的使用风力有明确规定,但由于国家对建筑市场的开放,塔机使用的地域越来越广。例如,本来是根据内地市场设计制造的塔机,结果到沿海地区去施工,就会因设计时对塔机考虑的风载不同,而导致在使用中存在隐患。所以,在使用说明书中明确塔机的使用地域也是非常必要的。


2、塔机安全监控系统的发展趋势

从宏观上看,塔机安全监控系统属于塔机自动化系统的一部分,它和运行控制系统、自诊断监控系统等系统的功能有很多是相互交叉、相辅相成的。先进有效的塔机安监系统对提高可靠性,提升作业效率,及时发现塔机关键部件的故

障,保障安全生产都是极其重要的。GB5 144一2006(塔式起重机安全规程》明确规定塔机必须配备监测与安全保护装置[51。我国的塔机安全保护装置研制大约始于20世纪50年代后期,主要经历了机械式、电子模拟式、数字式及微机控制式等形式,由于起步晚,技术水平较低。早期主要集中在起重量超载限制器、力矩限制器、幅度和高度限位器等这些安全装置上。近期也出现了如北京恒美工控、济南富友慧明、宜昌鑫扬等厂商研发的各种塔机安全监控管理系统。这些系统综合了微电子、信息传感、通信及计算机软件数据处理等技术,将各种安全装置功能进行有效集成,统一综合监测管理闻。反观国外先进的塔机生产厂商,其产品的安监系统都普遍融合了传感器技术、嵌入式技术、

数据采集技术、数据处理技术、无线传感网络与远程通信技术等高新技术,通过前端监控装置和平台无缝融合,能将塔机运行工况安全数据和报警信息通过3G无线等网络技术实时发送到远程可视化监控平台,实现开放式的实时、动态塔机

作业监控,其技术的先进性和可靠性普遍胜国内企业一筹。


同时,国外高水平的安全监控和自动化系统通常都致力于应用新型技术和科技成果。如德国的LIEBHERR起重机,采用激光装置测量起吊物的重心位置,依靠超声波传感器引导取物装置抓取货物;法国POTAIN公司在其MD系列的塔机中,安装了智能化的微机辅助保养和微机辅助驾驶系统,这种智能系统能记录塔机系统相关参数并存储各种故障、易损件磨耗程度和使用寿命等信息。英国一些厂家生产的塔机还配备了无线遥控功能,安装了智能近场感应系统,可有效避免

起重机之间的相互碰撞网。因此,研究开发新型高效的塔机安全监控系统对塔机安全工作有着相当积极的意义。这种系统应和微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术相结合,其功能不仅要对塔机工作时的载荷、力矩起到限制作用,更应能随时监测包括起升高度、风速、起升角度、工作幅度甚至钢丝绳状况、油温、振动情况等关于塔机状态的准确信息。同时还要使塔机有较强的自动控制功能及自诊断能力和智能化程度,以降低操作和维护劳动强度并保证塔机的安全。总体来说,从借鉴国际先进技术和有效预防塔机安全事故的角度出发,我国的塔机监控系统应从以下几个方面着重突破:


1)突出系统的集成化、信息化、智能化。伴随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术的发展,塔机安全监控系统应具有更高的信息采集和数据处理能力,并具有能根据被监测对象的各种即时参数进行更智能的有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案的功能,从而大幅度提高塔机安全监控的效率和质量;

2)突出“监”和“测”控制记录的一体化、整合化。特别对于大型塔机系统,由于其设备昂贵、结构复杂,对于监测控制系统要求更高,一体化的塔机监测控制系统更是其发展方向。所谓的一体化塔机监测控制系统是指其集成了运行控制系统、安全监控系统和自诊断监控系统的功能,能够统一控制塔机设备和监视塔机运行状态,并能实时记录和存储塔机的工作状况,随时对违规操作进行科学检测,为设备有效管理提供真实可靠的数据。该系统能有效预防事故的发生,杜绝

安全生产隐患,同时也可为质监管理部门提供详实的数据查询,实现塔机生产的量化管理;

3)积极加入新技术新成果,开发新型软硬件系统。要更好地实现系统的监测监控,必须在软硬件技术上同时着手,将最新的技术和成果加入进来。例如传统的塔机监控系统采用有线通信方式,传感器与控制台、控制中心采用有线连接,施工困难,花费大,而且往往无法满足复杂环境下实时性、可靠性的通信要求。近些年在监控领域兴起的无线传感器网络监控方式则具有自由网络组织、动态拓扑、多路由等优点,可以克服特殊地理和气候环境的障碍,且易于扩展,具有传统有线监控系统无法比拟的灵活性网,所以将无线网络技术应用到塔机监控系统中,具有良好的应用前景;

4)突出监控系统的“黑匣子”功能。具备类似于飞机的黑匣子功能的监控系统,可以使用户在使用和维护塔机过程中,利用记录的数据快速准确地判明塔机的故障、性能及其变化趋势,以便制定合理的维修周期和维修方案。而且监管部门还可以根据记录的数据,对已经发生的事故塔机进行科学可靠的事故评定。甚至在设计新型塔机时,技术人员可以充分利用样机、原理机上所记录的大量数据来指导塔机设计,使塔机有更好的安全性能和经济性能。


值得一提的是,通过技术改造增设起重机安全监控系统也是针对超龄塔机安全生产的有效措施。一些单位成功地为老旧塔机增设了安全监控系统,实现了智能监测、采集数据、数据分析及预警的目的。这种安监系统采用成品安装方式,施工方

便,成本低廉,且可以重复利用【堋。如果可以进一步提高整体可靠性和稳定性,对于国内众多的超龄塔机将具有非常现实的意义。