應用新型保護裝置提高吊管機作業安全性

王建輝 劉永紅 萬江濤 徐 艷 劉正瑋 周志杰

河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 062552

吊管機主要用于管道施工中的布管、對口和下溝等作業，是石油天然氣管道施工中的重要施工裝備。目前，常用的吊管機保護裝置為有線力矩限制器系統，在使用過程中，尤其是設備轉場過程中，其取力部件傳感器及線路很容易被碰壞，既造成了經濟損失，又無法使設備得到有效保護。 隨著山區施工越來越多，施工環境也越來越復雜，施工場地的搬運也越來越頻繁，這樣力矩限制系統的對吊管機保護精度， 以及防止自身損壞的要求越來越高。

吊管機新型無線信號傳輸方式的力矩限制器，融電子技術、微電腦技術、起重機械技術為一體，節省了重量傳感器、角度傳感器、高度限位器等信號線和電源線的成本，減少了各傳感器在現場安裝的工作量及難度， 使工程使用中和吊管機轉場時電纜損壞幾率降至為零，有效保證吊管機的安全作業。采用無線方式傳輸能減少力矩系統的許多接口， 同時也減少現場維護人員的工作量及設備轉場后恢復力矩系統的難度和誤接線路導致的力矩系統毀壞頻率，適應了管道建設現場的使用特點及環境要求，確保吊管機使用的安全性，降低毀壞頻率，降低了維修費用。 同時，通過對保護裝置-無線信號傳輸力矩限制器系統的調試、試驗、檢測及現場使用，也進一步驗證了本保護裝置的可行性和可靠性。

1 現有吊管機力矩限制系統的現狀分析

圖1 吊管機基本機構

吊管機（如圖1所示）主要用于管道施工中的布管、對口和下溝等作業，是國內、外長輸管道工程建設中的重要裝備。 其在工作時，需根據現場實際情況而改變工況進行吊裝作業，如改變起吊角度（幅度），在不同幅度下所能起吊的最大額定起重量是相應不同的， 因此需要一套檢測保護裝置對吊管機工作參數進行實時監測并準確控制，做出吊管機正常工作、滿載、超載、變幅超上限、變幅超下限等工作狀態相應提示、報警及控制，以保證吊管機的安全作業。目前，常用的吊管機力矩限制器無論是其測力力傳感、高度傳感器、還是角度傳感器均為有線傳輸信號，這樣在使用過程中，尤其是設備轉場吊臂拆下運輸時，其取力部件傳感器及線路很容易被碰壞，既造成了很大損失，又無法使設備得到有效保護。

圖2 無線力矩限制系統控制原理

2 吊管機作業存在的安全隱患

吊管機作為起重類的特種設備，在施工作業中，由于傳感器或傳輸線路的損壞，存在多種安全隱患，最突出的就是保護裝置損壞而使吊管機處于非保護狀態。吊管機在施工時，隨著工作幅度的不斷變化，所能吊的定重量也在不斷變化，如果沒有科學的控制方法，很容易造成傾翻事故，造成人員傷亡。

吊管機的超載狀態主要有三種：

（1） 吊重超載：在幅度一定的情況下，起吊重量過大，導致力矩過大，而造成的超載現象，這種超載容易發生吊管機傾翻事故。

（2） 變幅超載：在吊重量一定的情況下，作業幅度過大，導致力矩過大，而造成的超載現象，這種超載容易發生吊管機傾翻事故。

（3） 吊臂過卷：吊臂收起時，超過變幅最大角度，這種過卷容易造成吊臂損壞。

（4） 高度過卷：起升滑輪起升高度過高，這種過卷容易造成鋼絲繩拉斷及機構件的損壞。

3 實現吊管機主要控制的無線力矩限制器控制

根據吊管機自身特點， 結合力矩限制器的功能特性確定各部件的安裝部位： 力矩限制器主機（包含顯示器及信號接收模塊）安放在駕駛室員左側易觀察和操作的位置；角度傳感器與信號發射模塊集成為一個模塊安裝在吊臂上部內側， 不易碰到的部位；高度限位器安裝在起升定滑輪組上、銷軸測力傳感器代替變幅定滑輪軸，藏于變幅機構中；高度限位與角度限位信號線通過采用快速接頭接至11A-11接線盒， 信號采用無線方式傳動到主機， 銷軸測力傳感器在吊管機的非拆除部分通過電纜以航空插頭方式連接，力矩限制系統結合液壓系統中的控制閥，實現自動控制，當起升高度，吊裝重量與變幅幅度超過設定值時，限制器發出信號，停止吊管機向危險方向動作，從而起到安全防護作用。

3.1 力矩限制器的構成及原理

力矩限制器一般由主機（包含顯示器及信號接收模塊）、角度傳感器、高度限位器、信號發射模塊和銷軸傳感器等幾部分組成，如圖2所示。作為起重設備的安全控制系統，其工作原理是：系統按照額定力矩值與實際力矩值對比的原則進行控制。 當達到吊載能力的90%時，系統會發出警告信號；當達到吊載能力的100%時，發出高頻聲光報警，若延時一定時間(可人工設定)后，仍未消除報警，則自動斷開上升電路，禁止提升動作，同時發出連續長鳴報警聲和報警指示燈高頻閃爍； 當達到吊載能力的105%時，立即斷開上升電路，禁止提升動作，同時發出長鳴報警聲和報警指示燈高頻閃爍。

3.2 無線力矩限制控制系統作用

3.2.1 WTL-A（100）力矩限制器主機（顯示屏）

WTL-A（100）儀表，是力矩限制系統的核心部件，它收集傳感器采集到的數據，經過處理與設定好的基本數據對比，判斷是否超載，如果超載，發出指令到液壓系統，從而起到控制作用。該儀表系統調試采用多層菜單提示，具備誤操作錯誤提示功能。系統具備多層密碼保護，防止無關人員操作，具備數據備份功能能對標定的數據備份保存后期調用。 該主機安裝在駕駛室左手側（與吊臂同側），以便于司機察看，也不影響操作吊管機。

圖3 測力傳感器安裝部位圖

3.2.2 軸銷傳感器（測力傳感器）

軸銷傳感器是能通過轉換，測得所吊重物的重量。 該傳感器的信號線采用可拆卸的防水快速接頭制作， 同時傳感器的航插頭內嵌入軸銷傳感器端面內，可以有效的保護接頭的損壞，它安裝于卷揚機上部的變幅定滑輪機構中（如圖3、圖4所示），在不改變變幅定滑輪結構的基礎上，改進銷軸測力傳感器，使其外形尺寸和力學性能，實現測力功能并保證滑輪組的正常工作，由于測力傳感器安裝在卷揚機上的變幅定滑輪上， 運輸過程中不需要拆除，從而解決了由于測力傳感器安裝在吊臂頭部，在使用和吊管機轉場吊臂拆下運輸時， 銷軸傳感器易被碰撞而損壞的問題，提高了對力矩限制系統自身的保護能力。

3.2.3 角度、高度傳感器

圖4 測力傳感器安裝結構示意圖

JD-180角度傳感器用于測量吊管機臂桿的角度通過換算與測得的重量形成力矩，該角度傳感器集成于WT-WX02無線模塊從機中，信號采用無線方式發送至主機。

高度傳感器即高度限位開關，安裝在定滑輪組上（如圖5），重錘套與起升鋼絲繩固定端，兩者之間采用鋼絲繩連接。

圖5 高度限位裝置安裝示意圖

3.2.4 無線接收模組

WT-WX02無線收、 發模組是基于短距離ISM 頻段無線數據傳輸通訊。 無線通訊系統主體分為兩部分：主機和從機，主機作為系統的中心，具有發起通訊的權利，一個系統只能有一個主機。 而從機作為主機的控制對象，被動接受主機的通訊命令，只能在收到命令時才能通訊。一個系統內可以有多個從機。 從機不工作時處于休眠狀態，因此功耗非常低。 當主機上電后，將發送喚醒命令逐個喚醒從機，從機被喚醒后進入工作狀態，接受主機的各種命令。當一定時間內未收到主機的命令時，從機將重新進入休眠狀態。主機喚醒從機后，會按照一定的速率發送采集數據的命令， 從機收到命令后會立即將上次通訊時采集到的數據上傳給主機。主機將數據處理后上傳給力矩限制器使用。當通訊被干擾導致中斷時， 主機和從機都會將工作頻率轉移到備用頻率上繼續通訊， 同時主機會選擇另外一個與被干擾的頻率相差較遠的頻率作為新的通訊頻率下發給從機。這樣，整個系統可以隨時避開干擾源，保證了信號傳輸的準確性。

4 結束語

該新型力矩限制器， 改變了傳統測力傳感器的取力方式和安裝位置，且實現了信號無線傳輸，省去重量傳感器、角度傳感器、高度限位器等元件的信號線和電源線，減少各傳感器在現場安裝的工作量及難度， 解決設備使用和轉場時的測力傳感器及電纜容易損壞問題，有效保證了吊管機設備的正常使用。經西氣東輸二線南寧-百色支線工程及天津-華北石化管道工程等現場應用，驗證了采用無線方式傳輸減少力矩系統的許多接口，同時也減少現場維護人員的工作量， 降低了設備轉場后恢復力矩系統的難度和誤接線路導致的力矩系統毀壞機率， 避免了因吊管機在誤操作時未被保護而發生事故， 進一步提升吊管機作業安全性，確保施工中人機安全。

1 吳邦春.一種新型汽車起重機力矩限制器的研制[J].微計算機信息，200（521）：112-113

2 王文斌.液壓傳動與控制.北京：機械工業出版社、2007(2).

3 王福綿主編.起重機械技術檢驗.北京：學苑出版社，2000.

4 GB 12602-2009起重機超載保護裝置.