高空作業車傾斜安全控制系統改造研究與應用*

劉早紅,孫華,胡廣智,謝祥紅,孫捍東,劉在良

(1.浙江友聯修造船有限公司,浙江 舟山 316281;2.浙江國際海運職業技術學院 海洋裝備工程學院,浙江 舟山 316021)

0 引 言

高空作業車因其便捷靈活、成本低廉的特點,在各行業中作為高處作業的主要施工設備之一得以廣泛應用,尤其在船舶修造行業中更是大量使用[1]。然而,在船舶修造行業中,由于使用環境有著與其他行業截然不同的不同的特點,比如使用環境復雜、條件苛刻、強度要求高等,這使得高空作業車極易發生安全事故,特別是高空作業車傾覆事故,且高空作業車一旦傾覆,大多是惡性安全事故。例如,近期某船廠貨艙內高空作業車因作業人員操作不當發生傾翻,導致發生重大人員傷害事故。因此,如何減少或杜絕高空作業車傾覆事故的發生,已成為解決高空作業車安全操作的重中之重[2]。

筆者從高空作業車電氣控制系統升級改造入手,通過額外增加傾斜報警及主動干預裝置來完成。在高空作業車工作過程中出現危險操作時,該裝置可有效地同時限制高空作業車工作臂繼續抬臂、伸長、旋轉和行車等動作,為解決傾覆難題提供了一套可行的方案。設計改造中,首先研究原系統的控制機理,分析控制邏輯,找出系統內在缺陷;再結合實際使用經驗對原車電氣控制系統做出針對性改進升級;改進后的高空作業車在實際使用中的傾斜隱患已得到有效地控制。

1 高空作業車的主要參數配置

根據筆者公司高空作業車的實際使用情況,對某幾種車型進行研究,制定改造升級方案。以某一種車型為例進行闡述,外形尺寸及作業范圍如圖1～2所示。某車型主要技術參數如表1所列。

表1 某高空作業車主要技術參數表

圖1 高空作業車外形尺寸圖

圖2 高空作業車作業范圍圖

2 原因分析

從上述高空作業車的技術參數可以看出:① 其工作臂高度可達26 m之高,可360°旋轉,工作高度也隨工作環境和施工位置的變化而變化,這說明高空作業車在工作時重心是在不斷變換的,而重心不穩則是傾覆的最重要因素之一;② 代表車身穩性的車體支撐的投影面積僅僅7 m2左右(車寬2 400 mm×3 100 mm),相對高達26 m的作業高度及不斷變換的重心,如此小的投影面積,不可能給高空作業車以充分的穩定性;③ 高空作業車的抗風能力≤10 m/s(只相當于5級風力)、作業行走車速≤0.5 km/h、最大允許作業坡度≤5°,這說明高空作業車的自身固有穩性較低。高空作業車自身結構特點決定了其具有穩性差、易傾覆的固有性質[3]。此外,高空作業車在施工過程中,工作斗內裝載的貨物和施工人員的多少,或者操作者操作不當也是導致高空作業車重心變化而傾覆的原因之一[4]。

高空作業車車體坡度的變化,必然造成車體重心的變化,從而引起車體傾斜力矩的變化。當傾斜力矩超過高空作業車的承受能力時,高空作業車即會出現傾倒,造成事故[5]。所有高空車在施工作業時,必須能及時檢測到高空作業車車體的傾斜角度?；诖?從電氣控制系統著手,改造控制系統,監測運行過程中車體的傾斜角度,限制危險操作,這是此次改造升級的出發點。

3 改造原理

高空作業車的作業動作由液壓系統來實現。液壓系統由液壓泵、油箱、液壓油缸、液壓馬達、液壓控制閥及管路、接頭、過濾器等部件組成[6]。柴油發動機為液壓系統提供動力,驅動液壓泵運轉,液壓泵產生的油壓通過電氣系統控制的電液比例閥傳遞到各液壓執行單元(液壓缸和液壓馬達),以實現起伏、回轉、行走等動作。電氣控制系統采用PLVC控制系統,裝備CAN總線通訊方式,利用PLVC接口,通過調整電液比例閥的參數來實現對整車的操作控制及故障診斷。PLVC控制結構簡單,動作靈敏,具有很高的可靠性和精確度。因此此次改造升級對原車控制系統不作根本的改動,保留原有系統,只在原車電氣系統基礎上額外增加一套傾斜控制報警系統,并整合進原系統中,與原有系統無縫銜接,實現對高空車整車的操作控制。新增的傾斜安全控制系統增設高精度水平傳感器,可以監測到高空作業車在作業過程中整車的水平角度,并將水平角度信號實時反饋給車輛控制系統,控制系統將采集到的車輛水平角與設定值比對,當車輛整體水平傾斜角度達到3°時,控制系統自動報警,蜂鳴器鳴響,傾斜指示燈亮起;如果車輛整體水平傾斜角度繼續增大,達到5°時,控制系統會自動介入,主動干預操作行為,限制危險動作;控制傾角力矩持續增大則會發生傾覆。

4 技術要求

(1) 控制流程

改裝升級的控制流程如圖3所示。

圖3 改裝升級控制流程圖

(2) 傾斜報警

當傾斜報警器監測到傾角達到3°時,控制系統開始報警,蜂鳴器持續發出聲音警示。

(3) 傾斜停機

當傾斜報警器監測到車體水平傾斜角度達到5°時,車輛危險性動作將受到限制,操作手柄失效,無法進行伸臂、抬臂、回轉、行車等操作,而安全性動作如縮臂、降臂則可以繼續保持。為保證液壓系統正常工作,作為動力源的發動機始終保持正常運轉。危險性動作受限后的操作表現為:①車輛工作臂起伏上升動作停止,下降動作正常;②車輛工作臂伸臂動作停止,縮臂動作正常;③車輛轉臺回轉動作停止;④ 車輛行走動作停止,前進、后退均沒有動作。

(4) 動作恢復

當傾斜報警器監測到車體水平傾斜角度達到5°時,將工作臂下降到0°角以內,車輛恢復行走移動功能,同時蜂鳴器仍然持續發出警示聲音,工作臂伸臂和上升危險動作仍然受限。

當車行走地面坡度低于5°時,大于3°時,控制系統解除限制,恢復所有動作,蜂鳴器仍然持續發出警示聲音。

當車行走地面坡度低于3°時,蜂鳴器停止發出警示聲音,恢復所有動作,可以正常作業。

(5) 改造部分的局部電路控制圖,如圖4所示。

圖4 改造部分的電路控制圖

(6) 加裝的主要電氣元件和作用

電氣元件:選擇24V 11腳繼電器和連接導線作為電氣元件。

作用:當車體發生傾斜時,K1繼電器接收PLVC的傾斜信號,并停止高空作業車驅動輪行走等危險動作,因此只能操作手柄把大臂完全縮回,大臂角度降至-13°～0°內,并發出高空作業車已在安全狀態的信號給K2繼電器,然后K2繼電器把信號反饋給K1繼電器,操作手柄讓K1繼電器執行行走,直至高空車行走到坡度低于3°區域,警報取消,高空車才能恢復正常運行。

5 改造后安全效果

根據高空作業車技術設計參數,車輛作業時移動的橫縱向坡度為≤5°,如作業移動橫縱向坡度超過5°,車輛傾覆的可能性就會增大。

對電氣控制系統升級改造后的高空作業車進行現場實踐跟蹤發現,其安全隱患排查效果比系統改造前有明顯的提升。將電氣控制系統改造前后的安全性能進行對比,結果如表2所列。

表2 電氣控制系統改造前后安全性能對比表

電氣控制系統未改造前,車輛在作業過程中,當車體橫縱向傾斜角度達到3°時,控制系統發出聲光報警信號,提示操作者有危險存在;但由于控制系統沒有主動介入功能,沒有發出規避信號,不能自動限制危險動作,需要操作者及時做出規避反應。如果操作者不及時做出規避動作或者規避動作失誤(如繼續行車),車體橫縱向傾斜角度有可能持續增大,當橫縱向傾斜角度超過5°的設計參數值后,車輛可能出現傾覆,造成安全事故。

電氣控制系統改造后,車輛在作業過程中,當車體橫縱向傾斜角度達到3°時,控制系統自動發出聲光報警信號。由于控制系統具有主動干預功能,因此可發出規避信號提示,可自動判斷危險動作。如果車體橫縱向傾斜角度依然持續增大,當達到5°時,不需要操作者做出規避動作,控制系統會主動干預并限制危險動作,自動中斷危險動作(如中斷行車動作),有效避免人為操作失誤造成的傾覆事故的發生,使車輛的安全保障更加智能,達到自動排查或中止安全隱患的效果。

6 結 語

文中對高空作業車傾斜安全電氣控制系統進行了改造升級,在原來控制系統中加裝了報警及主動干預裝置后,既保證了操作人員實時掌握車輛運行狀態和可能發生的危險,同時對操作人員的行為起到有效監督與干預作用,如果操作人員未對報警信號做出反應時,主動干預系統會及時做出反應,限制操作人員的危險行為,避免事故發生。在實踐中,經過改造后的高空作業車發生傾覆的可能性明顯較少,同時操作人員的不良習慣也得以約束糾正。高空作業車傾斜安全控制系統的改造,為解決高空作業車傾覆事故做出了積極探索,也取得了預期效果,驗證了改造的可行性、有效性。