施工工艺驱动的大型施工机械安全分析

杨绍普 邢海军 郭文武 王金祥 蔡维栋

1.石家庄铁道大学，石家庄，050043

2.秦皇岛天业通联重工股份有限公司，秦皇岛，066004

3.中铁十三局集团有限公司，天津，300308

0 引言

大型施工机械是保障国家重大工程建设的关键装备，与常用的机械设备相比，大型施工机械具有低速、重载、大扭矩、大推力、大尺度、结构复杂等特点。大型施工机械一旦出现安全问题往往会导致灾难性后果，因此，大型施工机械的安全性是保障工程顺利进行的关键。国家各部门高度重视大型施工机械、起重机械等特种设备的安全性，颁布了一系列的安全法规［1－3］。大型施工机械的安全性与设计、制造、检测、施工工艺、监测等各个环节密切相关，其中安全设计是保证安全施工的首要环节，在设计阶段，必须对施工对象、施工工艺、施工载荷、机械传动机构、机械结构、作业环境乃至施工人员的操作水平进行全面的分析，明确其中与安全相关的关键问题，采用科学的安全分析方法指导安全设计。文献［4－8］对架桥机、起重机的安全性展开了研究，但其研究重点都是针对具体施工机械的某一部件的安全问题展开的。已经颁布的安全标准、规范对相关机械的安全设计有着明确的规定，但其适用范围往往局限于某一类机械，但大型施工机械种类繁多，有的机械无相应的具体规范可依，设计者只能参照相近的规范进行安全设计，这要求设计者具有丰富的设计和施工经验，即使如此，安全问题也时有发生。因此，提出满足工程需求的、操作性强的安全设计方法，建立科学的、系统的安全分析体系，对指导大型施工机械的安全设计具有非常重要的意义。近年来我国的高铁、隧道建设突飞猛进，相应的大型施工机械（如架桥机、盾构机等）市场需求强劲，其安全设计引起了研制单位及施工单位的关注。石家庄铁道大学从2003年起与秦皇岛天业通联重工股份有限公司、北京华隧通股份有限公司、河北新大地机电设备有限公司等多家企业联合开发了900t架桥机、隧道盾构机、高铁无渣轨道混凝土浇注机等大型施工机械，在这些设备的研发过程中，对大型施工机械的安全分析、安全设计、安全评估及安全检测与监测进行了比较系统的研究，并将研究成果应用到了相关的大型施工机械，提高了大型机械的施工安全性。

本文提出了施工工艺驱动的大型施工机械三维安全分析体系，并采用该体系对高铁用900t架桥机的安全性进行了分析。

1 施工工艺驱动的三维安全分析体系

1.1 安全分析方法

为了提高大型施工机械的安全性，在总体方案的拟订阶段需要全面系统地分析大型施工机械施工中的危险因素、危险后果，并要综合利用人机工程学、机械设备安全工程学以及设备安全相关标准提出的一般理论［9］，结合大型施工机械施工工艺，提出危险解决方案。与以机械为中心，以机、电、液系统构成作为子系统划分的依据不同，安全分析时，将大型施工机械按其主要功能分成作业部、走行部、传动部、支撑部等机械子系统。大型施工机械施工的各工序及工序的切换方式相对固定，安全分析时，根据作业的动作顺序，将工序及工序的切换一一排列，对各个子系统每个工序的安全要素进行分析，就得到了图1所示的施工工艺驱动的三维安全分析体系。

图1 三维安全分析体系

三维安全分析体系的三个坐标轴分别表示施工工艺流程（工序及工序切换）、机械功能子系统和安全解决方案。该体系以施工工艺为主线，以完成工序（或作业）的机械功能类别为依据，分层次展开，系统地分析各子系统与工艺状态及工艺切换对应的机械运行状态、危险因素、危险后果。对影响安全的危险环节给出解决方案并归类，即根据安全问题的性质、解决问题的技术成熟度、技术经济性等，将直接可由机械设计（包括冗余设计）解决的环节归类于机械设计，将安全技术成熟且易于实现的环节归类于由主控制器完成的闭环控制，将直接影响人机环境系统运行过程安全但又难以实施闭环控制的环节归类于实施安全监测，将非突发性的因状态演变最终导致失效影响安全的环节（需有特定检测方法和数据处理方法支持）归类于采用定期检测、长期跟踪监测策略。上述分析法突出的优点是可层次分明地展现作业功能部件、作业对象、人、环境间相互作用的安全性。

1.2 安全分析方法的具体实施

采用三维安全分析体系实施安全分析时，按照图2所示流程进行程式化分析，其中“施工工艺流程”列将施工工艺分解成多个相对独立的工序（或作业），“状态”列表示该工序的作业动作或完成的功能，“危险分析”列表示对应工序存在的危险因素及危险后果，“解决方案”列表示避免危险因素的措施。

图2 安全分析流程

2 TLJ900型架桥机安全分析

桥梁在我国高铁线路中占有很大比例，其结构形式以全跨预制、逐跨架设的简支箱梁为主，其中32m跨度箱梁重达900t。为了提高架梁作业效率，保障施工安全可靠，秦皇岛天业通联重工股份有限公司与石家庄铁道大学共同研制了TLJ900型高速铁路架桥机，该架桥机可以根据现场需要架设20m、24m、32m三种梁型。架桥机作业时要完成架梁、过孔、变跨等动作，本节采用所提出的安全分析方法对该设备的架梁作业过程进行安全分析。

2.1 TLJ900型架桥机的结构与功能

TLJ900型高速铁路架桥机主要包括金属结构、起升机构、走行机构、动力系统、液压系统及电气控制系统等部分。其中金属结构主要包括主梁、前支腿、后支腿、悬臂梁及下导梁；起升机构包括卷扬机、起升吊具、钢丝绳及滑轮组（安装于前后吊梁行车及起升吊具）；走行机构包括前吊梁行车、后吊梁行车、链传动机构；动力系统主要包括柴油机、发电机组及其附属部件；液压系统包括辅助支腿伸缩油缸、后支腿台车伸缩油缸及油泵、油箱等液压附件；电气控制系统包括操作控制系统及走行机构、起升机构的供电系统。TLJ900型架桥机的主要结构如图3所示。

图3 TLJ900型架桥机主要结构

2.2 TLJ900型架桥机的架梁作业流程

TLJ900型架桥机架梁作业流程如图4所示，作业顺序依次为：运梁车喂梁，前吊梁行车吊梁→前吊梁行车吊梁前行→后吊梁行车吊梁，与前吊梁行车吊梁至落梁位置→前后吊梁行车共同落梁。

图4 TLJ900型架桥机架梁作业流程

2.3 TLJ900型架桥机架梁作业安全分析

为了减小制造、运输及安装成本，研制架桥机时应在保证作业安全可靠的情况下，对架桥机的结构、机构、电气及液压系统进行优化。为了实现这一目标，必须事先根据架桥机的施工工艺对架桥机的安全影响因素及保障措施做出详尽分析，提出架桥机安全设计的关键要素。TLJ900型架桥机架梁作业时的安全分析如图5所示，根据图5的安全分析，电气系统、液压系统、机构及金属结构的安全性是保证架桥机安全施工的关键。其中电气系统可通过常规连锁开关、过载保护开关等确保其不会由于设备产生故障而超载运行；液压系统可通过溢流阀、液压锁等装置避免安全事故的发生。现将架桥机的作业部、传动部、走形部、支撑部的关键安全问题进行总结。

（1）作业部的安全分析。架桥机的起升机构为作业部，架桥机作业时起升机构存在的主要不安全因素以及设计阶段采取的应对措施如下：

①起升机构制动不可靠。为了避免该情况发生，应在钢丝绳卷筒及驱动电机的输出轴设置二级制动装置，另外在卷筒处设置失速保护装置，一旦出现下降速度过快，立即启动制动装置。

②钢丝绳磨损严重导致承载能力下降，最终引起钢丝绳断裂。为了避免该情况发生，架桥机作业时，应对钢丝绳的磨损情况进行定期检测。

③吊具的吊杆发生断裂。为了避免该情况发生，作业时，应对吊杆进行定期探伤。

④吊具、吊杆受力不均导致结构强度破坏。为了避免此情况发生，应对起升机构的滑轮组及吊具都采用四点起吊三点平衡技术，保证吊具、吊杆受力明确，避免由于超静定问题的存在而导致钢丝绳及吊杆受力不均。

（2）走形部的安全分析。架桥机的走形部主要包括前后吊梁行车、后支腿台车、辅助支腿，走形部存在的主要不安全因素以及设计阶段采取的应对措施如下：

①运梁车喂梁时，运梁车无法在预定位置停车而与架桥机后腿相撞，引起架桥机倾覆。为了避免该情况发生，应在电气系统安装红外线防碰撞开关。

②在落梁位置处900t箱梁与架桥机前支腿碰撞，引起架桥机倾覆。为了避免该情况发生，电气系统应安装限位开关。

③空载时，前后吊梁小车发生碰撞。为了避免该情况发生，电气系统应安装红外线防碰撞开关。

④架桥机过孔时，主机行走距离过长而冲出下导梁，导致架桥机倾覆。为了避免该情况发生，应在下导梁安装无线位置开关。

（3）支撑部的安全分析。架桥机的支撑部即架桥机的金属结构，架桥机的金属结构用来承受结构自重、设备自重、移动的900t箱梁质量。下导梁的金属结构用来承受结构自重及过孔时移动的主机质量，金属结构是否满足作业要求是保证架桥机安全施工最为关键的问题。对架桥机金属结构进行安全设计时，首先要分析架桥机各个工序所受的各种载荷，分析架桥机所受载荷时，要根据起重机设计规范GB3811－2008的载荷分类，结合TLJ900实际施工情况确定，而后对架桥机的强度、刚度、稳定性进行计算。

图5 TLJ900型架桥机架梁作业安全分析

①强度计算。要分别计算前吊梁行车吊梁时主梁后悬臂梁的强度、前吊梁行车行至主梁跨中时主梁的强度、后吊梁行车起升时后支腿的强度、前后吊梁行车吊梁至落梁位置时前支腿的强度、过孔时架桥机辅助支腿行至下导梁跨中位置时下导梁跨中的强度。为了明确架桥机、下导梁的支腿受力，前支腿要在吊重前调平，避免出现受力不对称引起结构单侧承载过大现象，因此前支腿要安装调节装置。

②稳定性计算。要计算前吊梁行车吊梁时架桥机的纵向稳定性、架桥机工作与非工作状态的横向抗风稳定性，除此之外，架桥机金属结构的局部稳定性要满足要求。

③刚度计算。架桥机吊梁时，架桥机的挠度要满足规范要求。

（4）传动部的安全分析。架桥机的传动部包括起升机构、走形机构的减速机、滑轮组等部件，传动部的安全设计要在全面分析部件所受的各种载荷的基础上，进行标准部件的选型。

3 结束语

为了提高大型施工机械的安全性，提出了大型施工机械的三维安全分析体系，该体系可以有效地指导大型施工机械的安全设计，以900t架桥机架梁作业为例，详细分析了三维安全分析体系在安全设计中的具体实施方法。

［1］中华人民共和国国家质量监督检验总局，中国国家标准化管理委员会.GB6067.1－2010起重机械安全规程［S］.北京：中国标准出版社，2010.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验总局，中国国家标准化管理委员会.GB26469－2011架桥机安全规程［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［3］中华人民共和国国家质量监督检验总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T28264－2012起重机械安全监控管理系统［S］.北京：中国标准出版社，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］全国机械安全标准化技术委员会，中国标准出版社.机械安全标准汇编［M］.北京：中国标准出版社，2007.