应用新型保护装置提高吊管机作业安全性

王建辉 刘永红 万江涛 徐 艳 刘正玮 周志杰

河北华北石油工程建设有限公司 河北任丘 062552

吊管机主要用于管道施工中的布管、对口和下沟等作业，是石油天然气管道施工中的重要施工装备。目前，常用的吊管机保护装置为有线力矩限制器系统，在使用过程中，尤其是设备转场过程中，其取力部件传感器及线路很容易被碰坏，既造成了经济损失，又无法使设备得到有效保护。 随着山区施工越来越多，施工环境也越来越复杂，施工场地的搬运也越来越频繁，这样力矩限制系统的对吊管机保护精度， 以及防止自身损坏的要求越来越高。

吊管机新型无线信号传输方式的力矩限制器，融电子技术、微电脑技术、起重机械技术为一体，节省了重量传感器、角度传感器、高度限位器等信号线和电源线的成本，减少了各传感器在现场安装的工作量及难度， 使工程使用中和吊管机转场时电缆损坏几率降至为零，有效保证吊管机的安全作业。采用无线方式传输能减少力矩系统的许多接口， 同时也减少现场维护人员的工作量及设备转场后恢复力矩系统的难度和误接线路导致的力矩系统毁坏频率，适应了管道建设现场的使用特点及环境要求，确保吊管机使用的安全性，降低毁坏频率，降低了维修费用。 同时，通过对保护装置-无线信号传输力矩限制器系统的调试、试验、检测及现场使用，也进一步验证了本保护装置的可行性和可靠性。

1 现有吊管机力矩限制系统的现状分析

图1 吊管机基本机构

吊管机（如图1所示）主要用于管道施工中的布管、对口和下沟等作业，是国内、外长输管道工程建设中的重要装备。 其在工作时，需根据现场实际情况而改变工况进行吊装作业，如改变起吊角度（幅度），在不同幅度下所能起吊的最大额定起重量是相应不同的， 因此需要一套检测保护装置对吊管机工作参数进行实时监测并准确控制，做出吊管机正常工作、满载、超载、变幅超上限、变幅超下限等工作状态相应提示、报警及控制，以保证吊管机的安全作业。目前，常用的吊管机力矩限制器无论是其测力力传感、高度传感器、还是角度传感器均为有线传输信号，这样在使用过程中，尤其是设备转场吊臂拆下运输时，其取力部件传感器及线路很容易被碰坏，既造成了很大损失，又无法使设备得到有效保护。

图2 无线力矩限制系统控制原理

2 吊管机作业存在的安全隐患

吊管机作为起重类的特种设备，在施工作业中，由于传感器或传输线路的损坏，存在多种安全隐患，最突出的就是保护装置损坏而使吊管机处于非保护状态。吊管机在施工时，随着工作幅度的不断变化，所能吊的定重量也在不断变化，如果没有科学的控制方法，很容易造成倾翻事故，造成人员伤亡。

吊管机的超载状态主要有三种：

（1） 吊重超载：在幅度一定的情况下，起吊重量过大，导致力矩过大，而造成的超载现象，这种超载容易发生吊管机倾翻事故。

（2） 变幅超载：在吊重量一定的情况下，作业幅度过大，导致力矩过大，而造成的超载现象，这种超载容易发生吊管机倾翻事故。

（3） 吊臂过卷：吊臂收起时，超过变幅最大角度，这种过卷容易造成吊臂损坏。

（4） 高度过卷：起升滑轮起升高度过高，这种过卷容易造成钢丝绳拉断及机构件的损坏。

3 实现吊管机主要控制的无线力矩限制器控制

根据吊管机自身特点， 结合力矩限制器的功能特性确定各部件的安装部位： 力矩限制器主机（包含显示器及信号接收模块）安放在驾驶室员左侧易观察和操作的位置；角度传感器与信号发射模块集成为一个模块安装在吊臂上部内侧， 不易碰到的部位；高度限位器安装在起升定滑轮组上、销轴测力传感器代替变幅定滑轮轴，藏于变幅机构中；高度限位与角度限位信号线通过采用快速接头接至11A-11接线盒， 信号采用无线方式传动到主机， 销轴测力传感器在吊管机的非拆除部分通过电缆以航空插头方式连接，力矩限制系统结合液压系统中的控制阀，实现自动控制，当起升高度，吊装重量与变幅幅度超过设定值时，限制器发出信号，停止吊管机向危险方向动作，从而起到安全防护作用。

3.1 力矩限制器的构成及原理

力矩限制器一般由主机（包含显示器及信号接收模块）、角度传感器、高度限位器、信号发射模块和销轴传感器等几部分组成，如图2所示。作为起重设备的安全控制系统，其工作原理是：系统按照额定力矩值与实际力矩值对比的原则进行控制。 当达到吊载能力的90%时，系统会发出警告信号；当达到吊载能力的100%时，发出高频声光报警，若延时一定时间(可人工设定)后，仍未消除报警，则自动断开上升电路，禁止提升动作，同时发出连续长鸣报警声和报警指示灯高频闪烁； 当达到吊载能力的105%时，立即断开上升电路，禁止提升动作，同时发出长鸣报警声和报警指示灯高频闪烁。

3.2 无线力矩限制控制系统作用

3.2.1 WTL-A（100）力矩限制器主机（显示屏）

WTL-A（100）仪表，是力矩限制系统的核心部件，它收集传感器采集到的数据，经过处理与设定好的基本数据对比，判断是否超载，如果超载，发出指令到液压系统，从而起到控制作用。该仪表系统调试采用多层菜单提示，具备误操作错误提示功能。系统具备多层密码保护，防止无关人员操作，具备数据备份功能能对标定的数据备份保存后期调用。 该主机安装在驾驶室左手侧（与吊臂同侧），以便于司机察看，也不影响操作吊管机。

图3 测力传感器安装部位图

3.2.2 轴销传感器（测力传感器）

轴销传感器是能通过转换，测得所吊重物的重量。 该传感器的信号线采用可拆卸的防水快速接头制作， 同时传感器的航插头内嵌入轴销传感器端面内，可以有效的保护接头的损坏，它安装于卷扬机上部的变幅定滑轮机构中（如图3、图4所示），在不改变变幅定滑轮结构的基础上，改进销轴测力传感器，使其外形尺寸和力学性能，实现测力功能并保证滑轮组的正常工作，由于测力传感器安装在卷扬机上的变幅定滑轮上， 运输过程中不需要拆除，从而解决了由于测力传感器安装在吊臂头部，在使用和吊管机转场吊臂拆下运输时， 销轴传感器易被碰撞而损坏的问题，提高了对力矩限制系统自身的保护能力。

3.2.3 角度、高度传感器

图4 测力传感器安装结构示意图

JD-180角度传感器用于测量吊管机臂杆的角度通过换算与测得的重量形成力矩，该角度传感器集成于WT-WX02无线模块从机中，信号采用无线方式发送至主机。

高度传感器即高度限位开关，安装在定滑轮组上（如图5），重锤套与起升钢丝绳固定端，两者之间采用钢丝绳连接。

图5 高度限位装置安装示意图

3.2.4 无线接收模组

WT-WX02无线收、 发模组是基于短距离ISM 频段无线数据传输通讯。 无线通讯系统主体分为两部分：主机和从机，主机作为系统的中心，具有发起通讯的权利，一个系统只能有一个主机。 而从机作为主机的控制对象，被动接受主机的通讯命令，只能在收到命令时才能通讯。一个系统内可以有多个从机。 从机不工作时处于休眠状态，因此功耗非常低。 当主机上电后，将发送唤醒命令逐个唤醒从机，从机被唤醒后进入工作状态，接受主机的各种命令。当一定时间内未收到主机的命令时，从机将重新进入休眠状态。主机唤醒从机后，会按照一定的速率发送采集数据的命令， 从机收到命令后会立即将上次通讯时采集到的数据上传给主机。主机将数据处理后上传给力矩限制器使用。当通讯被干扰导致中断时， 主机和从机都会将工作频率转移到备用频率上继续通讯， 同时主机会选择另外一个与被干扰的频率相差较远的频率作为新的通讯频率下发给从机。这样，整个系统可以随时避开干扰源，保证了信号传输的准确性。

4 结束语

该新型力矩限制器， 改变了传统测力传感器的取力方式和安装位置，且实现了信号无线传输，省去重量传感器、角度传感器、高度限位器等元件的信号线和电源线，减少各传感器在现场安装的工作量及难度， 解决设备使用和转场时的测力传感器及电缆容易损坏问题，有效保证了吊管机设备的正常使用。经西气东输二线南宁-百色支线工程及天津-华北石化管道工程等现场应用，验证了采用无线方式传输减少力矩系统的许多接口，同时也减少现场维护人员的工作量， 降低了设备转场后恢复力矩系统的难度和误接线路导致的力矩系统毁坏机率， 避免了因吊管机在误操作时未被保护而发生事故， 进一步提升吊管机作业安全性，确保施工中人机安全。

1 吴邦春.一种新型汽车起重机力矩限制器的研制[J].微计算机信息，200（521）：112-113

2 王文斌.液压传动与控制.北京：机械工业出版社、2007(2).

3 王福绵主编.起重机械技术检验.北京：学苑出版社，2000.

4 GB 12602-2009起重机超载保护装置.