塔机安全监控与评估系统开发及应用

蔡福海李树清李梦然何映仁杨绍伟

(1.大连理工大学 大连 116023)

(2.赤峰市特种设备检验所 赤峰 024000)

(3.大连理工大学(徐州)工程机械研究中心 徐州 221004)

塔机安全监控与评估系统开发及应用

蔡福海1李树清2李梦然2何映仁2杨绍伟3

(1.大连理工大学 大连 116023)

(2.赤峰市特种设备检验所 赤峰 024000)

(3.大连理工大学(徐州)工程机械研究中心 徐州 221004)

目前中国由于建设项目繁多，在役塔机数量急剧上升，若不加强监管和提升控制手段，安全事故隐患会随着塔机数量的增加剧增。本文对塔机安全事故发生的主要原因进行了分析，介绍了塔机安全监控和评估系统的技术现状，对一种新研发的塔机安全监控与评估系统做了简要阐述。同时通过对试点工程的应用，指出了本塔机安全监控和评估系统的优势，为塔机的安全作业监控提供了一个新的技术方法和手段。

塔机 安全监控 评估系统 技术现状

近年来，由于建设项目繁多，在役塔机数量急剧上升，尽管建筑安全监督部门不断加大监管力度，但塔机的超载使用、无证操作和野蛮施工等违章行为频现，倒塔伤人的安全事故也经常发生，造成了人民生命财产的重大损失。如何降低塔机事故频率，防范于未然，成为监管部门和施工企业面前的一道难题。一方面，施工单位必须按照规定安装安全监控设备，规范自身作业方式，淘汰老、旧、残塔机，这是降低安全事故隐患的最直接手段；另一方面，需要监管部门、塔机生产厂家、施工企业能够共享塔机工作安全信息平台，能够对在役的塔机进行实时监控、分布管理、分层控制、寿命评估，从而做到提前预防事故的发生，事后提供充分的证据材料。对在役塔机的安全监控和寿命评估系统进行了开发及应用，为有效监控塔机施工安全提供了一种新的方法和手段。

1 原因分析

塔机事故的成因很多，如图1所示，主要原因包括

如下几个方面[1]：

1）违章操作。此项原因引起的事故比例最高，约占总数的50%。集中体现在：（1）超载作业，操作者在不明吊载物重量的前提下，进行吊载或已知超重仍进行吊载；（2）在超出设计条件下的环境中作业，尤其是在6级以上大风天气情况。

2）安全装置不齐全。此项原因引起的事故约占18%。主要包括安全装置损坏、安全装置被故意拆除或破坏、安全装置出厂时先天不全等现象。

3）人员无证操作。有的工地常雇用一些无特种作业证的人员来操作塔机，出现习惯性违章作业，此类事故约占10%。

4）机械状况差。应按国家标准定期对塔机进行保养、维修。然而目前多数企业设备管理体系不健全、设备管理人员缺乏、定期维保被忽略等现象层出不穷。导致塔机安全性能下降，一些安全隐患长期存在，最终引发事故，此项原因事故比例约占11%。

5）塔机安装、拆卸作业时的安全操作能力不足。在安装、拆卸工况下，对关键岗位的操作人员技术要求高、责任心强、合作沟通能力强，稍有不慎，极易发生重大事故。据统计，塔机安装和拆卸时发生的事故占一次死亡3人以上事故比例的70%以上。

图1 塔机安全事故原因比例

从图1可以看出，来自人为疏忽或故意是事故发生最大的原因，由于塔机自身状况差而导致事故的比例才占11%。图2是通过对国内外1200例塔机事故分析后得到的塔机安全事故类别，可知结构安全是塔机安全工作的前提，由于电气系统或机构损坏导致事故发生的只占很少部分。因此对在役塔机的结构进行安全评估，具有重大的实用价值和社会意义。

图2 塔机安全事故类别

2 现状

2.1 安全监控系统

1）简易型安全装置精度差。目前，大多数塔机出厂时安装了相应的高度限制器、幅度限制器和力限制器等装置，但由于传感器精度差，显示载荷同实际载荷差距大，导致塔机工作容易超载作业。而且一旦发生事故，无法记录载荷和清晰责任。

2）塔机黑匣子不能预防事故的发生。从2005年开始，国内开始应用塔机黑匣子记录仪，由于其只能记录简单的塔机动作，监管部门、施工主管人员无法对塔机进行有效监控，因此黑匣子不能有效预防事故的发生[2-3]。

3）监管部门缺乏合适监控手段与工具。由于塔机数量大、分布广、移动性强，监管部门缺乏合适的监控手段与工具，无法有效对塔机的工作过程进行实时监控，对其工地的监管还存在较大的漏洞。

2.2 安全评估系统

1) 人工检测手段落后。针对塔机结构腐蚀、磨损、裂纹程度等物理量的评估，目前还主要靠人为测量，主观性较大，效率较低，对技术人员的要求较高，因此检测结果往往存在较大误差，对塔机的基础数据掌握不准确。

2) 寿命计算精度不高。针对塔机寿命的评估，主要采用名义应力法，需要塔机的载荷记录作为基础数据，结合塔机缺陷检测数据才能进行有效计算。由于目前塔机的载荷记录设施不完善，无法精确采集塔机的载荷记录信息，因此，利用名义应力法进行安全评估和剩余寿命的计算精度低，只能用于估算。

3) 传感融合与理论计算相结合的评估方法成为现实。由于物联网的发展，新一代的塔机安全装置可以具备载荷记录功能，这些为寿命计算提供了数据基础。结合对塔机金属结构的缺陷检测，如腐蚀、磨损、焊缝裂纹长度等物理量，建立合适的寿命计算模型，可以为比较精确计算当前塔机的安全工作状态和剩余寿命。

3 设计与开发

3.1 开发思路

1）基于传感器实测数据，通过控制器记录塔机实时工作信息，并实时监控塔机安全状态，防止超载等现象的发生。

2）采用GPS/GPRS无线通讯技术，将现场端信号通过卫星发送到远程服务器端。基于强大的存储和计算功能，实现塔机载荷记录、工作循环次数统计。

3）基于名义应力法和热点应力法，结合塔机评估技术规程[4]，对塔机关键金属结构和零部件进行寿命评估，本系统的开发思路如图3所示。

图3 开发思路框图

3.2 设计目标

1）保证传感器测量数据的高精度。本设计采用编码器用于塔机小车幅度、吊钩高度、回转角度的测量，避免了传统塔机“黄盒子”的固有误差；采用了S形力传感器，重点保证了力矩计算精度；主控制器采用了建筑机械专用控制器Kinco K506-30EA为主控单元，提高稳定性和抗干扰能力，并采用组态软件开发人机交互界面；服务器端基于Web服务器Microsoft. NET Framework软件开发，只要用户能够上网，即可以方便登陆与使用。

2）监控系统接入塔机安全控制。为了有效预防塔机出现违规操作，当塔机出现负荷率超过规定值，监控系统自动切断危险动作，防止塔机朝危险方向继续作业，并将操作过程记录在案。

3）在服务器端，集成了实时监控、故障诊断、载荷记录、工作循环统计、寿命计算模型等功能，形成了比较完整的塔机寿命评估系统，并根据输入参数自动生成安全评估报告，可以服务于不同的客户对象，如监管部门、塔机业主、施工单位等。

4 应用案例

在内蒙古及江苏常州地区，已经建立了批量应用示范工程。图4-图6是常州某工地QTZ63塔机安全监控系统传感器及主机安装图，图7是监控终端主界面。经过一年多的示范应用，安装监控系统后的100多套塔机没有出现任何事故，有效提升了当地的安全监控管理手段。

图4 塔机监控终端安装

图5 小车幅度传感器安装位置

图6 力传感器安装位置

图7 塔机监控终端主界面

服务器端利用塔机各个性能参数的监测和计算，基于热点应力法对塔机典型焊接结构计算疲劳寿命，结合《建筑起重机械安全评估技术规程》[4]，对塔机的安全作业状况有一个明确的评估，输出塔机目前的安全工作状态和需要进行整改的下一步工作内容，自动生成安全评估报告，减小了人为计算的误差，提高了塔机安全评估的精确度，为塔机维保提供了数据支持。图8是服务器端主监控界面，图9是基于热点应力法对塔机焊接结构进行寿命评估的主界面。

图8 服务器端主监控界面

图9 塔机寿命评估界面

5 结束语

通过塔机安全监控与评估系统的应用，监管部门和其他塔机利益相关方能够通过上网和手机短信迅速掌握施工现场各台塔机的使用情况，建立以政府监管部门、施工单位等为主体的统一的管理平台，最大程度地实现了区域化的安全管理和信息沟通。通过有效的寿命评估方法，为科学监管提供了一种先进的手段，减少了安全监管的工作量，提高了监管效率，在遏制重大事故、大幅度减少一般事故、保障人民生命财产的安全方面发挥了重要作用。

1 王铁柱,侯义东.机正常工作年限评估方法的探索[J].建筑机械化,2009,29(12):35~37.

2 包世洪.机的使用寿命和评估.建设机械技术与管理[J], 2008(05):130~134.

3 陆志远,殷晨波,刘志刚.超期使用的塔机检测和评估方法[J].建筑机械化,2010(06):70~73.

4 JGJ/T 189-2009建筑起重机械安全评估技术规程[S].

5 孙社教.塔式起重机检验风险与对策[J].中国特种设备安全,2011,27（3）27~28

下期要目

★论特种设备安全技术规范的基本安全要求

★埋地聚乙烯燃气管道基于失效模式的全面检验关键技术及工程应用

★浅谈社会检验机构的公正性和服务性问题

★珠光体耐热钢膜式水冷壁制造工艺化

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，工程师，总经理，主要从事特种设备安全及管理工作。

2014－01－24）