能源緊缺使世界各國(guó)把開(kāi)采目標(biāo)移到廣闊的海洋，作為基礎(chǔ)設(shè)備的海上鉆井平臺(tái)的需求不斷增長(zhǎng)，不僅如此，隨著海上作業(yè)范圍的加大，開(kāi)采深度的加深，海上鉆井平臺(tái)的面積越來(lái)越大，鉆塔高度也越來(lái)越高。因此，參與海上鉆井平臺(tái)建造的臂架門(mén)座式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)也必須滿足大起重量、大變幅幅度、大起升高度的吊裝要求，適應(yīng)這些要求的超大型門(mén)座起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)于這個(gè)沒(méi)有前例可參照的門(mén)座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機(jī))新的領(lǐng)域，不能照搬中小型門(mén)座起重機(jī)的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，其使用安全性與生產(chǎn)適用性凸顯關(guān)鍵。

圖1所示的HM200105D型門(mén)座起重機(jī)即屬此類(lèi)起重機(jī)，該機(jī)額定起重量200 t(常規(guī)門(mén)機(jī)50t以下)，最大起吊幅度105 m(常規(guī)門(mén)機(jī)60 m以下)，軌上起升高度110 m(常規(guī)門(mén)機(jī)60 m以下)，軌距12 m，最小幅度時(shí)臂架頂端高170 m(常規(guī)門(mén)機(jī)80m以下)。使用地點(diǎn)在長(zhǎng)江人海口處，使用現(xiàn)場(chǎng)氣象環(huán)境惡劣，常年有大風(fēng)，起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的使用安全性引起有關(guān)各方高度關(guān)注。下面就該機(jī)的安全裝置進(jìn)行闡述，僅對(duì)一般門(mén)座起重機(jī)上沒(méi)有使用過(guò)或很少使用的技術(shù)及裝置進(jìn)行探討，對(duì)常規(guī)的安全裝置不作敘述。

1 安全裝置

1.1風(fēng)速儀的安裝位置

因這臺(tái)門(mén)機(jī)整機(jī)高度高，軌距小，風(fēng)對(duì)起重機(jī)的傾覆穩(wěn)定性的影響大。

起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中風(fēng)壓計(jì)算式為q=0．613v2，起重機(jī)工作狀態(tài)的計(jì)算風(fēng)速按瞬時(shí)風(fēng)速考慮，非工作狀態(tài)的計(jì)算風(fēng)速為2 min時(shí)距的平均風(fēng)速。由表1—3—9中可查得工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓250 N／m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kh=(h／lO)n3，表1—3—10中常規(guī)的起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)高度僅有80 m以下范圍，非工作狀態(tài)時(shí)將起重機(jī)按20 m一段劃分等風(fēng)壓段。

歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范中風(fēng)的動(dòng)壓由下式給出：q=0．613v2。表T．2．2．4．1．2．1．給出在露天工作的一般起重機(jī)工作狀態(tài)風(fēng)壓250 N／m2，表T．2．2．4．1．2．2．給出高度超過(guò)100 m的起重機(jī)非工作狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)壓1300N／m2的結(jié)果，沒(méi)有風(fēng)壓高度變化系數(shù)的敘述。

   起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范采用P=0．625v：，計(jì)算風(fēng)速為空曠地區(qū)離地10 m高度處的陣風(fēng)風(fēng)速，即3 s時(shí)距的平均風(fēng)速，在表15中可查得PⅡ=250 N／m2，在此規(guī)范的釋義中也講該風(fēng)壓值是沿用上一版本規(guī)范的值。計(jì)算非工作狀態(tài)風(fēng)載荷時(shí)，可沿高度劃分成10 m高的等風(fēng)壓段，以各段中點(diǎn)高度的系數(shù)瓦乘以計(jì)算風(fēng)壓；也可以取結(jié)構(gòu)頂部的計(jì)算風(fēng)壓作為起重機(jī)全高的定值風(fēng)壓。

該機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)正處于新舊規(guī)范更迭期間，設(shè)計(jì)中工作風(fēng)壓采用新版設(shè)計(jì)規(guī)范P=0．625v：的計(jì)算公式(雖然公式與q=0．613v2不同，但二者結(jié)果取值相同)。由于起重機(jī)高度超過(guò)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)常規(guī)的非工作風(fēng)壓敘述的范圍，并且由于軌距較小(軌距應(yīng)在18～22 m較為合適)，保證非工作狀態(tài)下的起重機(jī)穩(wěn)定性是一個(gè)難題，經(jīng)過(guò)研究決定采用K。=(h／lO)n 3的計(jì)算辦法，且在人字架頂(距離地面約100 m)及臂架頂各安裝一套風(fēng)速儀，以對(duì)工作狀態(tài)下的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也對(duì)實(shí)際操作提供參考依據(jù)，實(shí)際證明完全可行。

1.2保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)置

該機(jī)變幅形式采用鋼絲繩變幅，為了彌補(bǔ)這種變幅形式的固有缺陷，增設(shè)了一套保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安裝在轉(zhuǎn)盤(pán)的尾部，其原理相當(dāng)于一套備用的卻又跟隨運(yùn)行的變幅機(jī)構(gòu)。在變幅過(guò)程中，一旦變幅鋼絲繩意外斷裂，除防斷繩安全卡板將變幅鋼絲繩卡住外，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作，將臂架拉住。這要求在變幅機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是一個(gè)跟隨性的機(jī)構(gòu)，在正常變幅過(guò)程中保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)僅略微收緊保險(xiǎn)鋼絲繩，不參與起放臂架的作功。僅在變幅鋼絲繩斷裂時(shí)拉住臂架，并將臂架頭部平穩(wěn)地放到碼頭面，以便維修。所以，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用不同功率的2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，起跟隨作用時(shí)僅需克服保險(xiǎn)鋼絲繩自重引起的阻力，小功率電機(jī)工作；起支持臂架作用時(shí)如同變幅機(jī)構(gòu)(因變幅機(jī)構(gòu)有鋼絲繩卡板，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)僅需提供變幅機(jī)構(gòu)支持力的一半)，大功率電機(jī)工作。布置形式見(jiàn)圖2。

1.3纖光柵應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了確保鋼結(jié)構(gòu)部分在使用過(guò)程中的安全，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力集中處進(jìn)行檢測(cè)(應(yīng)力集中處的位置及預(yù)應(yīng)力值由有限元分析結(jié)果得到)。該門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命較長(zhǎng)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，因環(huán)境侵蝕、材料老化和載荷的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，特別是結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)法監(jiān)測(cè)，很可能導(dǎo)致突發(fā)事故，甚至正常工作時(shí)也可能出現(xiàn)突發(fā)事故，所以采用可靠的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。

過(guò)去對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的方法主要采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，但是傳感器壽命短，穩(wěn)定性差，抗電磁干擾能力差。光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)的電式傳感器相比，具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，并且能在惡劣環(huán)境中工作。所以，采用了光纖光柵傳感器對(duì)門(mén)機(jī)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。光纖光柵是測(cè)試應(yīng)變常用的光學(xué)元件，現(xiàn)已大量應(yīng)用在隧橋和建筑等結(jié)構(gòu)上。光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：耐久性好，適于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；既可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)測(cè)量，也可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量；檢出量是波長(zhǎng)信息，因此不受接頭損失、光強(qiáng)沿程損失等因素的影響；對(duì)環(huán)境干擾不敏感，抗電磁干擾；波長(zhǎng)編碼，可以方便實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量；單根光纖單端檢測(cè)，可盡量減少光纖的根數(shù)和信號(hào)解調(diào)器的個(gè)數(shù)；信號(hào)、數(shù)據(jù)可多路傳輸，便于與計(jì)算機(jī)連接，單位長(zhǎng)度上信號(hào)衰減小；靈敏度高，精度高；光纖光柵尺寸小，測(cè)量值空間分辨率高；輸出線性范圍寬，適用于起重機(jī)械工作環(huán)境。

圖3為光纖光柵傳感器的安裝分布位置示意圖，整機(jī)44個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中應(yīng)力測(cè)點(diǎn)22個(gè)，溫度補(bǔ)償點(diǎn)22個(gè)。

1.4攝像監(jiān)控系統(tǒng)

該機(jī)高度高、作業(yè)幅度大，對(duì)作業(yè)區(qū)域及起重機(jī)自身監(jiān)控帶來(lái)了較大難度，因此，整機(jī)設(shè)立了9個(gè)攝像裝置，分別布置在臂架頭部、人字架頂、機(jī)房、轉(zhuǎn)盤(pán)及行走機(jī)構(gòu)，中央處理器布置在司機(jī)室后的休息室，顯示器安裝在聯(lián)動(dòng)臺(tái)右前方。其中臂架頭部及人字架頂為可調(diào)焦帶云臺(tái)的攝像裝置，分辨率高(實(shí)地操作人字架頂攝像裝置，可識(shí)別約1．5 km外高約1．2 m的標(biāo)題字)，可清晰觀察被監(jiān)控設(shè)備。圖像信號(hào)采集設(shè)備均使用防震型攝像裝置，克服普通攝像機(jī)經(jīng)受不住長(zhǎng)時(shí)間顛簸，使用壽命低，工作時(shí)的圖像抖動(dòng)不清的通病。另外，與以往安裝的攝像裝置不同，本機(jī)信號(hào)采集全部采用有線傳輸，對(duì)于行走機(jī)構(gòu)上的攝像裝置的數(shù)據(jù)傳輸難題，主要采用數(shù)字編、解碼及回轉(zhuǎn)接頭的辦法使信號(hào)既能通過(guò)360。回轉(zhuǎn)的中心集電器，又能保證通過(guò)小流碼即可達(dá)到流暢的高質(zhì)量圖像質(zhì)量。

1.5其他安全裝置及措施

除以上安全裝置外，為了確保鋼絲繩卷繞機(jī)構(gòu)的安全，主、副起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)采用雙盤(pán)式制動(dòng)器并各增設(shè)2組低速軸安全制動(dòng)器，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)因使用級(jí)別較低，采用了單盤(pán)式制動(dòng)器及低速軸安全制動(dòng)器。為防止工作間隙中起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)擺，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備產(chǎn)生的安全隱患，下轉(zhuǎn)柱設(shè)置了旋轉(zhuǎn)錨定裝置。行走機(jī)構(gòu)上還設(shè)置了勾軌器、夾軌器、防風(fēng)拉錨、行走錨定、緩沖器等常規(guī)安全裝置，見(jiàn)圖4。201 1年8月，臺(tái)風(fēng)“梅花”從我國(guó)東部沿海經(jīng)過(guò)，該起重機(jī)使用地區(qū)風(fēng)力達(dá)1l一13級(jí)，由于事先按照預(yù)報(bào)做好防臺(tái)準(zhǔn)備，各安全裝置工作正常，經(jīng)受住了臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。

特殊的工作場(chǎng)合、特殊的作業(yè)對(duì)象，對(duì)超大型門(mén)機(jī)的設(shè)計(jì)和建造提出了新的課題，起保駕護(hù)航作用的安全裝置的設(shè)置也必須適應(yīng)需求而作不斷的創(chuàng)新。