摘 要: 提出造船門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的解決辦法，指出確保造船門式起重機(jī)安全可靠運(yùn)行所必須要監(jiān)控的參數(shù)。充分利用造船門式起重機(jī)本身已具有的傳感裝置及儀器儀表，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)采集的各類信息進(jìn)行集成處理及存儲(chǔ)、傳輸，從而確保造船門式起重機(jī)的運(yùn)行狀況得到有效監(jiān)控，安全狀況得到有效管理。

伴隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的繁榮，港口裝卸設(shè)備正向著自動(dòng)化、高速化、大型化以及重型化方向發(fā)展，以有效提高港口裝卸作業(yè)的效率。

為了保障安全生產(chǎn)，降低安全事故發(fā)生率，對(duì)大型起重機(jī)械的安全監(jiān)控管理勢(shì)在必行。

國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家質(zhì)檢總局也于 2011 年開(kāi)始要求逐步實(shí)現(xiàn)在大型起重機(jī)械上加裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，特別要求針對(duì)造船門式起重機(jī)先行試點(diǎn)，并明確了到2014 年對(duì)造船門式起重機(jī)實(shí)行強(qiáng)制加裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能要求

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)造船門式起重機(jī)運(yùn)行狀況的有效監(jiān)控及安全狀況的有效管理，安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能必須達(dá)到以下要求:

( 1) 應(yīng)能監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到起重機(jī)使用狀況，可能導(dǎo)致安全事故的起重機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，包括起重量、起升高度、各小車運(yùn)行行程、大車運(yùn)行偏斜、風(fēng)速、同一或不同軌道運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全距離、操作指令、工作時(shí)間及累計(jì)工作時(shí)間、工作循環(huán)及累計(jì)工作循環(huán)。

( 2) 應(yīng)能監(jiān)控易導(dǎo)致安全事故的工作機(jī)構(gòu)及裝置的工作狀態(tài)，包括起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器狀態(tài)、抗風(fēng)防滑裝置狀態(tài)、聯(lián)鎖保護(hù)( 包括門限位及各機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)行聯(lián)鎖) 狀態(tài)、供電電纜卷筒狀態(tài)。

( 3) 應(yīng)具有對(duì)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄及歷史追溯的功能。

( 4) 應(yīng)具有對(duì)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障信息即時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ堋?

( 5) 應(yīng)具有對(duì)起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警及止停的功能。

2 系統(tǒng)模型

造船門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1。

圖 1 造船門式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

在該系統(tǒng)模型的各信息采集單元中，起重量、起升高度、各小車運(yùn)行行程、大車運(yùn)行偏差、風(fēng)速、運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全距離這幾個(gè)單元采集的是模擬量，均可以借助造船門式起重機(jī)現(xiàn)有的儀器儀表上的傳感器來(lái)采集。如起重量可以通過(guò)起重量限制器中的壓力傳感器來(lái)獲取，起升高度可以通過(guò)卷筒上的角位移傳感器來(lái)獲取，各小車運(yùn)行行程、大車運(yùn)行偏斜、運(yùn)行機(jī)構(gòu)安全距離都可以通過(guò)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)上的位移傳感器來(lái)獲取，風(fēng)速可以通過(guò)風(fēng)速報(bào)警器來(lái)獲取。

獲取的這些模擬信號(hào)通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換以后輸入信息處理單元。

操作指令、工作時(shí)間、工作循環(huán)這 3 個(gè)采集單元是直接采集數(shù)字信號(hào)，其中操作指令可以從起重機(jī)操縱系統(tǒng)中讀取，工作時(shí)間和工作循環(huán)可以利用系統(tǒng)本身進(jìn)行計(jì)數(shù)獲取。

起升制動(dòng)器狀態(tài)、抗風(fēng)防滑裝置狀態(tài)、聯(lián)鎖保護(hù)裝置狀態(tài)、供電電纜卷筒狀態(tài)這幾個(gè)采集單元需要采集的只是一些表征狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量，可以通過(guò)裝置本身設(shè)置的觸碰開(kāi)關(guān)或者加裝觸碰開(kāi)關(guān)得到。

這樣，在不改變起重機(jī)本身操控系統(tǒng)及基本不增加外設(shè)的情況下，就能獲取需要的所有信息，把這些信息輸入信息處理單元，就能得到一組反映起重機(jī)運(yùn)行安全狀況的數(shù)據(jù)。

利用這些數(shù)據(jù)通過(guò)信息顯示單元就可以把起重機(jī)的運(yùn)行狀況用圖表或者動(dòng)畫(huà)的方式直觀地反饋給操縱者。把這些數(shù)據(jù)與一些事先設(shè)置好的門檻值對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果通過(guò)控制輸出單元給操縱系統(tǒng)信號(hào)，警示或者強(qiáng)制停止一些可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的操作。

信息存儲(chǔ)單元?jiǎng)t可以把這些數(shù)據(jù)完整的保存，保證通過(guò)該單元所存儲(chǔ)的信息能對(duì)起重機(jī)之前的運(yùn)行狀況進(jìn)行追溯。該單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)隨時(shí)可以通過(guò)信號(hào)導(dǎo)出接口導(dǎo)出，而且在存儲(chǔ)單元容量接近限值時(shí)，能提醒管理人員進(jìn)行導(dǎo)出。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)造船廠的起重機(jī)實(shí)行集中監(jiān)控管理及方便監(jiān)管部門需要介入監(jiān)管時(shí)可以隨時(shí)介入，系統(tǒng)還設(shè)置了遠(yuǎn)程傳輸單元。通過(guò)該單元，可以把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)一個(gè)重點(diǎn)設(shè)備的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

3 重要應(yīng)力測(cè)量

為了確保造船門式起重機(jī)的運(yùn)行安全，有必要測(cè)量并且監(jiān)控造船門式起重機(jī)各個(gè)重要部位的關(guān)鍵應(yīng)力。當(dāng)作用在一個(gè)平面上的力與此平面成切向時(shí)，一個(gè)剪切應(yīng)力會(huì)生成出來(lái)。比如，某轉(zhuǎn)軸用于連接工作機(jī)械以及驅(qū)動(dòng)機(jī)械，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受某力矩作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)剪切方向的應(yīng)力見(jiàn)圖 2。根據(jù)理論力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，轉(zhuǎn)軸內(nèi)最大應(yīng)變應(yīng)當(dāng)與軸向的夾角成 45°，并且此應(yīng)力會(huì)令軸的外部由正方形逐漸形成平行四邊形。基于以上分析，轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片應(yīng)該分布在與轉(zhuǎn)軸軸線的夾角成 45°的方位。在這種方式下，電橋中對(duì)角線上的電壓大小只與轉(zhuǎn)軸上的作用力導(dǎo)致電阻 MD的變化有關(guān)，可完全排除溫度參數(shù)的影響。

圖 2 關(guān)鍵部位產(chǎn)生的剪切應(yīng)力測(cè)量

測(cè)量轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩時(shí)，粘貼在軸上的應(yīng)變片會(huì)跟隨轉(zhuǎn)軸一同運(yùn)動(dòng)，因此這些應(yīng)變片應(yīng)該連接在部件上靜態(tài)安裝的設(shè)備上面。理論上，完成此連接方式采用 4 個(gè)滑環(huán)即可。對(duì)于載頻電橋而言，若給電橋施加交流電壓，那么在此電橋?qū)蔷€方向同樣會(huì)產(chǎn)生交流電壓。這樣借助一種特殊的變壓器，采取耦合方式可以把供電的電壓進(jìn)行非接觸式輸入，同時(shí)亦可以非接觸式輸出測(cè)試的信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

       本文所介紹的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)造船門式起重機(jī)這類重點(diǎn)大型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理的一個(gè)基本模型。由于該模型充分利用了現(xiàn)階段造船門式起重機(jī)上普遍配備了的設(shè)備裝置，達(dá)到了預(yù)期的安全監(jiān)控目標(biāo)，使得該系統(tǒng)模型極具經(jīng)濟(jì)性和可操作性，易于在現(xiàn)役造船門式起重機(jī)上大面積推廣。但是，由于該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控來(lái)回避安全風(fēng)險(xiǎn)的，并未直接監(jiān)控起重機(jī)結(jié)構(gòu)本身的狀況，使得本系統(tǒng)缺乏對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素的前瞻性。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，后續(xù)的研究應(yīng)該考慮加入直接監(jiān)控起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)和焊縫狀態(tài)的單元，重點(diǎn)是要找到一個(gè)合適的能夠在起重機(jī)復(fù)雜的工作條件下穩(wěn)定、長(zhǎng)期采集鋼結(jié)構(gòu)狀態(tài)和焊縫狀態(tài)的傳感裝置。