（电子科学与技术专业论文）施工升降机安全监测系统的设计与实现.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n s t r u c t i o nh o i s ti sac o m m o nb u i l d i n gc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tw h i c h v e r t i c a l l y l i f ta n dh a n dw o r k e r so rm a t e r i a l si naw i d er a n g e i ti so fg r e a t e r p r o b a b i l i t y t oc a u s ea c c i d e n t si nc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y a sc h i n a se c o n o m y s u s t a i n e dr a p i dg r o w t h ，t h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fu r b a nc o n s t r u c t i o n ， p r o d u c t i o n a n ds a l e so fc o n s t r u c t i o nh o i s th a v eh i g h - s p e e dg r o w t h t h ei n c r e a s ei nc o n s t r u c t i o n s i t e ，c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t ya n dc o m p l e x i t yo fu p g r a d i n gt h es e c u r i t yi s s u ei sn o w m o r ea n dm o r es e r i o u s a l t h o u g ho u rc o u n t r ye v e r yy e a rt os p e n dal o to fm a n p o w e r a n dr e s o u r c e st os u p e r v i s e ，b u td u et ot h ew i d el o c a t i o n s ，t h es i t u a t i o ni sc o m p l e x ， t e s t i n gi sn o tc o m p r e h e n s i v ee n o u g ht or e d u c et h ep r o b l e mo ft h ee f f 色c t i v e n e s so f m a n u a l s u p e r v i s i o n s o ， i ti s a n u r g e n t n e e dt os o l v et h ep r o b l e mh o w c o m p r e h e n s i v ea n de f n c i e n tc o n s t r u c t i o nh o i s te q u i p m e n ts a f e t ym a n a g e m e n ta n d p r o t e c t i t ss a f e o p e r a t i o n h o w e v e r ， t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r ne l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n dt h e s t e a d i l y o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y f o rt h e d e v e l o p m e n to fn e wc o n s t r u c t i o nh o i s ts a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e mp r o v i d e sa n i m p o r t a n ts a f 色g u a r d i nv i e wo ft h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o nh o i s tl o wd e g r e eo fa u t o m a t i o na n ds a f e t y m a n a g e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fw e a k ，t h er e m o t ea u t o m a t i o ns a f e t yc o n t r o ls y s t e m f b rc o n s t r u c t i o nh o i s tw a sd e s i g n e d f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h e s i g n i f i c a n c eo ft h e c o n s t r u c t i o nh o i s t s a f b t ym o n i t o r i n g ，a n a l y s i s o ft h er e s e a r c hs i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n do fd o m e s t i ca n df o r e i g nc o n s t r u c t i o nh o i s ts a f e t ym o n i t o r i n g ，a n d i d e n t i n e dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r st ob ea c h i e v e db yt h eh o i s t s a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ec o n s t r u c t i o nh o i s t s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，w ec a nd e t e r m i n et h eg e n e r a l i d e ao ft h es y s t e mh a r d w a r e d e s i g na n ds y s t e mb l o c kd i a g r a ma n dh a v ead e t a i l e da n a l y s i so ft h ew e i g h to ft h e s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h ea c c e l e r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h ef l o o rc a l l s y s t e mm o d u l e ，t h ed a t as t o r a g em o d u l e ，t h er e m o t ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n ds o 0 n i nt h e a s p e c t o fs o f t w a r e d e s i g n ， a c c o r d i n g t ot h e s y s t e m s f h n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s ，i te l a b o r a t e dt h em e t h o d so ft h ea c q u i s i t i o no ft h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l d a t a ，t h ew e i g h to ft h es y s t e m ， a n dt h ep r o c e s s i n ga n dc o r r e c t i o n a n di ta l s o e l a b o r a t e dd e t a i l e dt h es y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r ss t o r a g ea n df b r w a r d i n g ，a n dt h e r e a l i z a t i o no fr e m o t ec o m m u n i c a t i o n n e wd e v i c e su s e di nm e m sf m i c r oe l e c t r o 】e c h a n i c a ls y s t e m ) t e c h n o l o g y ，i ta v o i d e dt h ep r o b l e m so fd y n a m i cl o a d sa n dt h e f r e q u e n ts t a r t i n ga n db r a k i n gb r o u g h ta b o u tf r o mt h ec h a n g e so fs p e e d m e a n w h i l e ， t h es a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e ma d d e dw i r e l e s sf l o o rc a l l s y s t e m ，r e d u c i n gt h el a r g e a m o u to fi n e f n c i e n tt r a n s p o r t a t i o na si tw o r k e da n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c i e so ft h e t r a n s p o r t a t i o n i ti n c r e a s e dt h er u n n i n gr e m o t et r a n s m i s s i o n o fd a t a ， a n dt h e m a n a g e r sa n dr e g u l a t o r s s u p e r v i s i o nt o t h ec o n s t r u c t i o nh o i s t i tc a ne f f 色c t i v e l y g u a r a n t e et h ee f f i c i e n c ya n ds a f e t yo p e r a t i o no f c o n s t r u c t l o nh 0 1 s t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es a f e t yo fs p e c i a le q u i p m e n tt e c h n i c a lr e q u l r e m e n t s ，1 t c a r r i e do u tas e r i e so ft e s t s e v e n t u a l l yi tp a s s e dt h ea d o p t i o no fa n a t i o n a ls p e c l a l e q u i p m e n ts a f e t yt y p et e s t b y t h ef l e l dt e s t s ，t h es a f e t ym o n l t o n n gs y s t e mc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ee f n c i e n c yo ft r a n s p o r t a t i o n a n ds a f e t y ， a n di th a dg o o d s t a b i l i t ya n de a s ym a n a g e m e n t k e yw o r d s ：s a f e t ym o n i t o r i n g ；o v e r l o a dp r o t e c t o r ；a c c e l e r a t i o ns e n s o r ；f l o o r c a l l ； g p r s 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 施工升降机，又称外用电梯、施工电梯、附壁式升降机，是一种使用工作笼 ( 吊笼) 沿导轨架做垂直( 或倾斜) 运动，用来运送人员和物料的机械。施工升 降机主要由钢结构、传动机构、安全保护装置和电气控制系统等部分组成。不 同于我们常用的商用电梯。作为常见的施工设备，将人或物料在大范围内进行垂 直升降和搬运，是事故发生机率较大的建筑工程机械。 建筑用施工升降机由于造价较低，结构简单，作业环境恶劣，结构构件与装 置常暴露在外，并且建筑用施工升降机多为临时性租赁而来和使用中经常变更高 度等特性，组装、拆卸频繁，因此建筑用施工升降机比商用电梯更容易造成事故。 另外建筑用施工升降机的出入口闸门的连锁装置，常因使用者为图一时方便，进 行破坏，亦是容易造成事故发生的原因之一【2 j 。 建筑施工人员需要长时间在恶劣环境中工作，并且多为高空作业，如果发生 意外事故，后果不堪设想。若是施工升降机导致的事故，经常是群死群伤事故， 影响恶劣。再者现行施工升降机机械结构简单，操作方便，施工方很容易忽视安 全问题。因此，为事故的产生埋下了安全隐患。为了从根本上杜绝此类事故的发 生，需要研发新型的施工升降机安全监测装置，为建筑施工从业人员提供重要的 安全保障。 当代的工程机械设备正朝着精密、高速、复杂、自动化、系统整合的形态发 展，所以故障的形式多样化随之而来的危害也越来越严重。由于社会文明的进步 和发达，尊重人权、重视生命的人道精神，在世界各个国家已渐成气候，因此特 种工程机械安全的重要性成为了世界各国的共识。为了降低职业事故的发生频 率，保障劳动者的安全，减少职业伤亡，维护劳动者的健康和权益，我国已积极 致力提高机械及设备的安全性，以防止事故与故障的发生。 随着我国经济的持续高速增长，城市建设的不断扩张，施工升降机的产销量 高速增长。目前国内年产量将超过4 万台，并继续逐年呈上升趋势。但是，在高 速增长的另一方面，我国现在有2 0 左右的施工升降机已使用了2 0 年以上，呈 现出逐步老化，安全性能得不到有效的保证。近年来，我国施工升降机的安全事 故常有发生，并且经常有群死、群伤的重大事故。 如2 0 0 8 年12 月2 7 日7 时3 0 分左右，发生在湖南省长沙市的一起施工升降 机坠落事故，造成18 人死亡、1 人受伤。 2 0 10 年8 月1 6 日6 时3 0 分左右，吉林省梅河口市爱民医院住院部综合楼 工程发生一起施工升降机坠落事故，造成1 1 人死亡等等。 施工升降机安全监测系统的设计与实现 随着施工场地的增多，高层建筑不断增加，施工难度和复杂度的提升，安全 问题现已越来越严重。虽然我国每年都耗费大量的人力物力来进行监督，但由于 地点广，情况复杂，检测不够全面等问题降低了人工监督的有效性。因此如何全 面高效的对施工升降机设备进行安全管理、保障其安全运行是急需解决的难题。 为了保障施工升降机的运行安全，国家及省市各级生产管理部门和安全部门 及科研单位都高度重视这类设备的安全管理，设置了各级安全监察机构，有关部 委还制定了比较完善的标准和规范，颁布了施工升降机安全规程，而且在产 品制造环节严格规范特种设备制造许可证制度。超载保护装置为施工升降机国家 强制性安装装置。其中，施工升降机2 0 0 5 国家标准g b t 1 0 0 5 4 2 0 0 5 第5 2 9 中对超载保护装置的设计、安装和使用都作出了规定和要求：超载检测应在吊笼 静止时进行。超载保护装置应在载荷达到额定载重量的9 0 时给出清晰的报警 信号；并在载荷达到额定载重量的1 10 前中止吊笼起动( 对于货用施工升降机 可不设报警功能) i 3 | 。 因此，本课题围绕施工升降机在线安全监测系统的建立，通过研制施工升降 机专用超载保护器、楼层呼叫装置等，研发施工升降机运行参数的在线采集系统 和无线远程终端，初步建立施工升降机在线、无线远程监测网络平台，对提高施 工升降机事故的科学判定，保障施工升降机的安全运行具有重要意义和实用价 值。 1 2 国内外施工升降机安全监测的研究现状与发展趋势 目前，施工升降机制造行业较发达的国家有德国、法国、英国、意大利、西 班牙、丹麦、俄罗斯、美国和日本。具有代表性的公司有瑞典的a l i m a r k 公 司、西班牙p e g a 公司等，他们的产品占据国际起重机市场的大部分份额，他 们配套的安全监测装置基本上反映了施工升降机安全监测装置的发展历程、现状 和趋势【4 j 。但是由于施工升降机结构简单、操作方便、附加值低等特点人们往往 都忽视了它的安全装置的必要性，大部分的安全监测装置都集中在塔机等其他建 工机械设备上1 5j 。 1 2 1 施工升降机安全监测国外发展状况 国外方面，8 0 年代以前，施工升降机安全监测装置主要为机械式结构，它 主要通过利用拉杆、限制器、游动螺母、压缩弹簧等配合运动计算出载荷、速度 等参数，从而切断吊笼电源来实现保护。虽然安装方便、动作灵敏、不需要安装 电缆等，但是动作误差偏离较大，当在报警点值附近工作时，容易因为升降机起 升和制动而导致限制器开关通断，发生误动作等现象1 6 j 。9 0 年代以来，机械加 工技术不断进步，测力环得到大量应用。它通过弓形板将拉力环变形放大，触动 微动开关动作，驱动继电器报警。具有安装方便、动作灵敏可靠、动作误差小等 优点【训。直到近1o 年以来，随着传感器技术得到广泛的应用和电子技术不断发 展，采用销轴式、旁压式、剪力轴式等传感器和磁体传感器等联接传动板与吊笼， 通过把重量信号转变成电信号或感应磁片的距离从而实现报警和监测【8j 。其中具 有代表的是瑞典的a l i m a r k 公司，对于传动板上置的施工升降机，采用销轴 式传感器监测吊笼的载荷，经控制仪表实时检测和显示载荷状况，一旦过载，就 停止运行；在传统的内传动式升降机上，国外也做了有益的尝试，虽然显示和控 制精度稍差于前者，但也基本可以满足工程实用。紧随其后的是西班牙的 p e g a - h o i s t 公司，在该公司的产品上也都装配了完备的检测和显示装置l 引。 1 2 1 施工升降机安全监测国内发展状况 国内方面，早期机械及电气控制方面基础差、底子薄，跟随国外发展也经历 了从机械式超载保护到纯模拟电路控制系统再到数字微机控制系统的转变。直到 19 9 9 年长沙海川自动化设备公司研发出来具有自主知识产权的超载保护器 h c a 、h c b 、h c c 等型号，在技术性能和可靠性等基本上与a l i m a r k 公司 同步【10 1 。 随着国家加大对工程机械等特种设备的科研投入，相关大型企业和科研院所 开发了一系列的相关安全监测设备。使得我国特种设备安全监测和维护有了巨大 的进步【11 | 。与国外的差距越来越小，甚至一些领域走在世界前列。有如下案例： 中联重科牵头承担的国家8 6 3 计划重点项目“工程机械远程维护及监控系 统”项目，组建了一个具有综合业务功能的监控中心和安装在机械设备上的机载 终端为核心，采用全球卫星定位技术和现代g p r s 无线通信技术，集合现场实时 数据采集和远程数据传输，实现远程监控、管理等功能。通过对泵车和起重机为 研究对象，研发了一整套集远程维护、专家诊断、预警的系统。解决了我国工程 机械行业发展的瓶颈问题，提高了整个特种设备的技术含量和服务水平。同时增 加了工程机械在国际上的竞争力。 国家“十一五”科技支持计划课题大型机电类特种设备安全保障关键技术研 究及工程示范子专题施工升降机、塔机在线无线远程监测网络的研究。主要 是开展施工升降机、塔机运行参数在线采集系统的研制、无线远程终端的研制和 远程监测数据管理平台的建立，开发施工升降机、塔机在线无线远程监测网络系 统【1 2 】。 近几年，随着施工升降机需求量的增大，现代电子技术的日益发达，国内涌 现了一大批从事建工机械安全仪表开发的高科技企业。因此，施工升降机安全监 测从当初超载保护装置的单一监控模式，发展到了全方位多参量监控的模式【13 1 。 并且增加了楼层呼叫装置等提高施工升降机工作效率的设备【1 4 】。 施工升降机安全监测系统的设计与实现 1 3 本文的研究工作和主要内容 1 3 1 本文的主要研究工作 本课题来源于湖南大学与长沙海川自动化设备有限公司合作开发项目“施工 升降机、塔机在线无线远程监测网络的研究”。作者的主要工作内容是： 1 、施工升降机安全监测系统基本功能分析以及总体方案设计。整个系统大 致可以分成五大部分：重量、加速度信号采集部分、主控处理及接口部分、数码 及外接显示部分、楼层呼叫接收部分、短信远程监控部分。 2 、硬件方案及电路原理图的设计；完善前级模拟信号调理电路；设计白检 装置电路；加速度检测电路；无线楼层呼叫系统。 3 、软件代码的编写；学习模式和运行模式编程；完善软件抗干扰滤波和修 正重量传感器值设计等。 4 、深入了解g s m 网络通信协议，熟悉a t 指令集使用。通过对s i m 9 0 0 a 模块的操作，编写短消息发送、接收和解析子程序等。 5 、完善楼层呼叫系统软硬件设计。 6 、软硬件整机测试及现场调试。 1 3 2 本文的主要结构和内容 本文的结构安排如下： 第1 章绪论。主要介绍课题的选题背景、课题的研究意义和本文的主要研 究工作。介绍了国内外施工升降机安全监测的研究现状和发展趋势。 第2 章施工升降机的安全监测技术概述。介绍了施工升降机在工程应用中 的重要意义，分析了施工升降机中的各种安全技术，同时归纳了施工升降机各种 典型事故案例，总结出了需要采集的各项参数。 第3 章施工升降机安全监测系统总体结构及硬件设计。介绍了系统的安装 方法和硬件设计的总体思路，给出了硬件系统结构框图，详细阐述了各部分功能 电路的设计。 第4 章施工升降机安全监测系统软件设计及实现。重点阐述了该安全监控 系统软件功能及实现流程，并对各个软件模块设计进行了详细说明。 第5 章施工升降机安全监测系统测试与分析。根据国家特种设备型式试验 要求对该系统进行了性能测试和疲劳测试。对比分析了有无加速度传感器时重量 数据等。 最后进行了工作总结和展望。 4 硕i ：学位论文 第2 章施工升降机中安全技术概述 2 1 施工升降机结构简介 零盱丫l k文扩3 曩 嗣x翔 【】x a _ 一 妻l _ 。 l! - _ 弋 l ， l t ! 爻 ll 雾 r 一_ ；。p ，9 。 ii ， jl 三： 茎 l 影川 r 一 施工升降机根据其传动型式一般分为齿轮齿条 驱动( s c 型) 、卷扬机钢丝绳驱动( s s 型) 和混合驱动 ( s h 型) 三种。施工现场一般安装使用齿轮齿条型施 工升降机。尽管采取齿条驱动成本较高，但是s c 型可靠性好，可以人货两用，并且消耗钢材少，而 s s 型由于安全性差，一般仅用于货运。本章主要介 绍的为采用齿轮齿条驱动的建筑施工升降机。这种 建筑施工升降机是由钢结构( 天轮架、吊笼、导轨架、 前附着架、后附着架和底笼) 、传动装置( 电动机、 蜗轮减速箱、齿轮、齿条、钢丝绳及配重) 、安全装 置( 限速器、制动器、限位器、行程开关及缓冲弹簧) 和电器设备( 操纵装置、电缆及电线简) 四部分组成 【l 引。图2 1 为单导轨架、双工作笼齿条驱动的建筑 施工升降机的构造简图。其中1 天轮架；2 吊杆； 3 吊笼；4 导轨架；5 电缆；6 后附墙架；7 前附墙 架；8 护栏；9 配重：10 底笼；1 1 基础。 图2 】旌工升降机的构造简图 l 、钢结构 ( 1 ) 吊笼。用来输送货物和施工人员的吊笼是由角钢焊接成的长方形空间框 架。前、后装有可升降的门，供装卸货物和人员的出入。笼内装有防坠安全器、 限位开关、极限开关及减速开关等安全装置。笼外侧附有驾驶室，设置了限位开 关只有当吊笼前后两道门均关好后，限位开关恢复吊笼供电才能运行。 吊笼内空净高度不得小于2 m 。对于人货两用升降机，提升吊笼的钢丝绳应 该多于两根，且应是相互独立的。另外钢丝绳的安全系数不得小于12 ( 钢丝绳 的最小破断拉力与全部工作载荷的比值大于12 ) ，直径不得小于9 m m 。 ( 2 ) 底架和防护围栏。底架是施工升降机与基础连接部分，多用槽钢焊接成 平面框架，并用地脚螺栓与基础相固结，吊笼不工作时停在其上。它可承受升降 机全部垂直载荷，并将载荷传递给砼基础。 在底笼的底盘上装有四个缓冲弹簧，以防吊笼坠落时缓冲吊笼的冲击。同时 以保证吊笼和配重着地时能柔性接触。 防护围栏安装在基础坑上，通过连接杆与导轨架相联，可将升降机主机部分 施工升降机安全监测系统的设计与实现 包围起来，形成一个封闭区域。在防护围栏入口处设有护栏门，门上装有机电联 锁装置，只有吊笼落至底层位置时，护栏门才能开启，并且切断控制回路电源， 吊笼不能运行。 ( 3 ) 导轨架。导轨架是吊笼上下运动的轨道、升降机的主体，能承受规定的 各种载荷。它是由若干个具有互换性的标准节，经螺栓连接而成所需高度的多支 点的空间桁架，用来传递和承受荷载。当升降机所需高度超过2 0 0 m 时，导轨架 最底部的标准节需用加厚节，其上一节为过渡节，其余的为普通节。在使用时一 定要将加厚型标准节用在导轨架最下部( 其数量由使用高度确定) ，并通过过渡节 与普通节相联。 ( 4 ) 配重。一般情况下装有一铸铁块配重，以便改善导轨架受力状态和改善 机器运行的平稳性，从而提高电动机功率利用率和吊笼载重。 ( 5 ) 天轮架。天轮架是由导向滑轮和天轮架钢结构而组成，用来支承和导向 配重的钢丝绳。 ( 6 ) 滑轮组。立柱顶的左前方和右后方均安装有滑轮组，分别用来支承两对 吊笼和对重，当单笼时，只使用一组天轮。 ( 7 ) 附墙架。附着装置是导轨架与建筑物之间的连接部件，用来保持升降机 导轨架及整体结构的稳定。附着架多由型钢或钢管焊成平面衍架。主要是由联柱 管、前连接杆、小架、后连接杆等部件组成，各部件之间通过扣件和螺栓连接。 2 、传动机构 传动系统安装于吊笼内部或者顶部，通过销轴与吊笼连接，主要是由二组或 者三组传动单元、传动板及传动架等组成。 齿轮齿条式传动机构由电动机、联轴器、减速器和安装在减速器输出轴上的 齿轮等组成，采用双电机驱动，使齿轮齿条受力均匀。传动机构安装在吊笼内， 通过齿轮与导轨架上的齿条相啮合，使吊笼上、下运行。获取吊笼的载荷时，可 以用销轴式重量传感器代替传动机构的销轴，从而测出整个吊笼的重量。 3 、安全防护装置 施工升降机的安全装置主要包括电气安全保护和机械安全保护两大类。电气 保护包括上下限位、上下极限限位、门限位开关；机械保护包括防坠安全器、缓 冲器、防脱安全钩等。 4 、电气系统 电气系统包括上电气箱、下电气箱、笼内操作盒、笼顶操作盒、主控制电缆 及各种限位、极限开关等。电控系统面板如图2 2 所示。 ( 1 ) 上电箱。上电箱是升降机电气系统的心脏部分，内部主要配有接触器、 热保护器、相序保护器等。上电箱装于吊笼内侧面。 ( 2 ) 下电箱。下电箱是升降机控制部分的电源供给处，安装于升降机的基础 硕士学位论文 防护围栏上。 ( 3 ) 笼内操作盒。笼内操作盒上用于控制吊笼的上下运行，其操作面板安装 有上升、下降、紧急停止、电铃及速度选择等按钮。 ( 4 ) 笼顶操作盒。导轨架接高或其他笼项作业时，应通过笼项操作盒控制吊 笼的运行，进行笼顶操作时，必须先将笼顶操作盒上的转换开关拨至“上控”位置。 图2 2 电控系统面板图 2 2 施工升降机的安全防护装置 施工升降机的安全装置主要包括电气安全保护和机械安全保护两大类。电气 保护包括上下限位、上下极限限位、门限位开关；机械保护包括防坠安全器、缓 冲器、防脱安全钩等【l4 | 。 ( 1 ) 上下限位装置。包括上下限位碰块和上下限位开关，其作用是保证吊笼 运行至上下指定位置时自动切断控制电源而使升降机停止运行。上下限位开关为 自复位型，上限位动作后吊笼只能向下运行不能向上运行，下限位动作后吊笼只 能向上运行不能向下运行。 ( 2 ) 上下极限装置。包括上下极限碰块和极限开关，其作用是保证吊笼在运 行至上下限位后如因限位开关故障而继续运行时立即切断主电源，使吊笼制停， 保证吊笼往上运行不冒项、往下运行不撞底。极限开关为非自复位型，只有通过 手工操作才能复位。上限位开关和极限开关用螺栓连接在安全器座板上，下限位 用螺栓连接在驱动架上，限位和极限碰块安装在导轨架上，每次标准节接高或转 移工地都必须重新调整碰块位置，确保升降机安全运行。升降机正常运行时应经 常检查这些碰块和相应开关之间的位置是否准确，以保证各开关动作准确无误。 ( 3 ) 门限位开关。门限位开关是保证吊笼各门在开启状态下吊笼不能运行的 电气保护装置，包括吊笼门限位、吊笼顶部翻门限位、吊笼底部翻门限位、护栏 门机电联锁装置等。所有开关都装有相应的碰块，任何门限位动作都将切断控制 回路电源，使吊笼停止运行。升降机正常工作时应经常检查这些碰块和相应开关 之间的相对位置，确保动作准确无误。 施工升降机安全监测系统的设计与实现 ( 4 ) 防坠安全器。防坠安全器是施工升降机的重要部件，用来防止吊笼坠落 事故的发生，保证施工人员的生命安全【1 5 】。它是由速度激发的安全装置，运用 了甩块啮入无冲击、无需拆机便可检查摩擦制动带的磨损量等先进技术。当吊笼 意外超速下降时可将吊笼平稳制停在导轨架上，并切断吊笼电源，确保施工人员 和设备的安全。该安全器在升降机增高和拆装过程中仍起安全保护作用。一般工 地上使用中的升降机都必须每三个月进行一次坠落试验。对出厂两年的防坠安全 器必须送到法定的检验单位进行检测试验，以后每年检测一次。安全防坠器的好 坏并不能通过外部观察就能判断，只能通过试验和送检才能评估。因此很多工地 的安全防坠器并没有按照要求送检，所以为安全埋下了重大的隐患。 ( 5 ) 缓冲器。施工升降机上的缓冲器的施工升降机安全的最后一道防线，必 须有一定的强度，能承受升降机额定载荷的冲击，且起到缓冲的作用。一般情况 下，每个吊笼对应的底架上装有两个圆锥卷弹簧。 ( 6 ) 急停开关。当吊笼在运行过程中发生各种原因的紧急情况时，司机应能 及时按下急停开关，使吊笼立即停止，防止事故的发生。急停开关必须是非自动 复位的电气安全装置。 ( 7 ) 楼层通道门。施工升降机与各楼层均搭设了运料和人员进出的通道，在 通道口与升降机结合部必须设置楼层通道门。此门在吊笼上下运行时处于常闭状 态，只有在吊笼停靠时才能由吊笼内的人打开，应做到楼层内的人员无法打开此 门，以确保通道口处在封闭的条件下不出现危险的边缘。 ( 8 ) 通信装置。由于司机的操作室位于吊笼内，无法知道各楼层的需求情况 和分辨不清哪个层面发出信号，因此必须安装一个闭路的双向电气通信装置，司 机应能听到或看到每一层的需求信号。 ( 9 ) 地面出入口防护棚。升降机在安装完毕时，应及时搭设地面出入口的防 护棚。防护棚搭设的材质要选用普通脚手架钢管，防护棚长度不应小于5 m ，有 条件的可与地面通道防护棚连接起来。宽度应不小于升降机底笼最外部尺寸。其 顶部材料可采用5 0 c m 厚木板。 ( 1o ) 过压、欠压、错相、断相保护。在当出现欠电压、过电压、电气线路出 现错相和断相故障时，过压、欠压、错相、断相保护装置动作，使施工升降机停 止运行。 ( 1 1 ) 防松绳开关。施工升降机的对重钢丝绳或提升钢丝绳的绳数不少于两条 且相互独立时，在钢丝绳组的一端应设置张力均衡装置，并装有由相对伸长量控 制的非自行复位型的防松绳开关。当其中一条钢丝绳出现的相对伸长量超过允许 值或断绳时，该开关将切断控制电路，吊笼停车。采用单根提升钢丝绳或对重钢 丝绳出现松绳时，防松绳开关立即切断控制电路，制动器制动。 ( 12 ) 超载保护装置。施工升降机装有超载保护装置，应对吊笼内载荷、吊笼 硕士学位论文 顶部载荷的超载起保护作用。对齿轮齿条式施工升降机，超载检测应在吊笼静止 状况进行，超载保护装置应在载荷达到额定载重量的9 0 时给出清晰的报警信 号，并在载荷达到额定载重量的110 前中止吊笼起动( 对货用施工升降机不设 报警功能) ；在设计和安装超载指示器、检测器时，应考虑到进行超载检测时不 拆卸、不影响指示器和检测器的性能：应防止超载保护装置在经受冲击、振动、 使用( 包括安装、拆卸、维护) 及环境影响时损坏。对钢丝绳式施工升降机，超 载检测应在吊笼静止状态进行，超载保护装置应在载荷达到额定载重量的1 10 前中止吊笼起动。 ( 13 ) 基础围栏。基础围栏应装有机械连锁或电气连锁，机构连锁应使吊笼只 能位于底部所规定的位置时，基础围栏门才能开启，电气连锁应使防护围栏开启 后吊笼停车且不能起动。有相当多施工升降机，在吊笼接近围栏门时，吊笼底部 压住一根横梁向下运行，通过换向滑轮钢丝绳带动围栏门向上开启，这是不允许 的，很容易给围栏外附近的人造成伤害。 以上施工升降机上的安全装置，切实保证了升降机的安全运行。但是在使用 过程中仍然存在另外一些安全问题，需要引起我们的重视。有如齿轮、齿条的磨 损情况，电机暂载率等。 随着施工升降机使用时间和维护的增长，各个结构部件均在不断的磨损。一 般施工升降机采用开式齿轮齿条传动，开式传动中的齿轮副是外露的，虽然它有 安装简单、维护容易，但是施工作业环境条件恶劣，水泥、砂浆、尘土不可能消 除干净，加上润滑油涂抹不均等情况，齿轮与齿条的相互研磨使得磨损厉害。升 降机的运行和制动力主都通过齿轮齿条传递，啮合深度不够、磨损严重或轴向错 位过大，都会使啮合面积减小而造成齿轮齿条强度降低，存在断齿事故的发生。 再者，齿轮齿条啮合侧隙加大，啮合不准确，会造成吊笼的振动。长时间工作导 致联接螺栓松动或附着架螺栓松动，影响施工升降机的整体刚度，引起升降机整 体振动。因此进行日常检修时，注意检查齿轮齿条间隙一般要控制在0 2 0 5 m m 左右，齿轮与齿条啮合时齿底的间隙为2 m m 左右。如有磨损厉害需要及时更换 或修复。 暂载率也叫负载持续率，是指此设备能够满载工作时间的比率，即工作时间 与工作周期的百分比。其中，工作时间加停歇时间称为工作周期。根据国内的技 术标准规定工作周期以1 0 m i n 为计算依据。起重设备电动机的标准暂载率分为 15 、2 5 、4 0 、6 0 四种。但是工地上的施工升降机很多是租赁公司租的， 有些施工人员为了赶工期或其它原因，都忽视了这个问题的存在。导致电机长时 间超负荷工作使得电机烧坏的现象常有发生。 针对以上2 种容易导致升降机安全事故的现象，除了通过人工进行定期检 查、加强安全监督外，可以通过电子检测技术来采集参数，进行现场监测。比如 9 施工升降机安全监测系统的设计与实现 通过电子展成原理采集齿轮齿条的磨损情况，利用霍尔传感器采集电机电流来监 测暂载情况【1 6 】。但是因为监测装置昂贵，实现难度较大，一直未能使用。仅仅 通过人工监管来实现。 2 3 施工升降机常见安全事故分析 随着建筑规模的不断发展，现代建筑工地中已经开始大量使用各种类施工升 降机。由此产生的安全事故也迅速增加，给现场施工人员的人身安全带来了更大 的不确定因素【l7 1 。因此如何确保升降机安全可靠地工作，成为升降机各环节所 有安全人员不断追求的目标。只有优化升降机结构设计、规范施工人员维护保养 流程、明确安全员检查要求、严格落实并执行各个规范，才能切实将安全事故发 生的几率降至最低【”】。起重作业事故分析常采用鱼刺图分析方法9 | ，从人、机、 环境、管理等四个方面进行解释，如图2 3 所示。 图2 3 起重作业事故分析鱼刺图 结合施工现场的实际情况，施工升降机主要事故有立柱导轨倒塌、吊笼和平 衡重下坠、笼内物品下掉伤人和违规操作机械系统伤人【2 。 1 立柱导轨倒塌的主要原因 施工升降机工作时，并不存在塔机那样很大的倾翻力矩，但是仍然时常有这 样的事故发生。因为大家都忽视了一些安全细节，风力矩就是一个重要的外来负 载。其次是升降机安装时没有严格按照说明书的要求夯实基础，后者是基础靠近 l o 边坡或立在地面受力不均的地方。也可能存在赶工期，而导致基础混凝土没有发 酵，急于使用。其次，可能是升降机生产商不负责的质量问题，设计安装问题等 情况。 2 吊笼和平衡重下坠主要因素 吊笼下坠时一般有安全防坠器保护吊笼使得吊笼紧急制动，除非安全防坠器 故障或未安装的情况下才会发生【2 1 1 。吊笼和平衡重下坠主要原因有：安装时， 或者因为长时间使用使得传动板与吊笼的联接螺栓松动，背帽松脱、连接销松脱； 天轮安装不稳，或挡绳板间隙太宽，对重钢丝绳跳出卷筒外；钢丝绳磨损严重， 疲劳损害严重，又不更换；没安装超载保护器，长期超载工作。 3 笼内物品下掉伤人 经常出现，吊笼内物品多而乱。然后护栏装配不合理，使得物料因为升降机 启停等操作而松动，掉出笼外而伤害到楼下的施工人员。时常存在，运送体积较 大或者较长施工物料时，物料超出吊笼体积，当吊笼工作时碰到笼外结构而发送 物品坠落。同时，升降机定期检修时安全员操作不规范，高空检修时物品乱放， 当升降机工作时因为振动后其他使得物品或工具坠落伤人。 4 违规操作机械系统伤人 当进行检查时，施工人员擅自开动升降机导致伤人。如齿轮齿条啮合处，或 钢丝绳缠绕手指头等。升降机底部不装围护栏，下面有人，上面在开机，很容易 意外伤人。没有正规的管理制度，随意旁路安全防护装置，使安全装置不能有效 的工作。因为节约成本，一系列的安装装置不进行定期的年检，损坏或者磨损的 装置不更换等。 2 4 本章小结 本章首先介绍了施工升降机的组成，对升降机各部分机构进行了简单的介 绍。然后通过对升降机安全防护装置的分析，明确了现有机械安全装置，以及急 需解决的新型自动化装置的必要性。最后总结了施工过程中常见的安全事故，分 析了如何有效避免这些事故的发生。 第3 章施工升降机安全监测系统总体结构及硬件设计 3 1 施工升降机安全监测系统总体设计 本节提出了施工升降机安全监测系统的需求分析，根据需求分析给出了系统 的总体设计方案，介绍了安全监测系统的性能指标，并分析了安全监测系统总体 方案中各功能模块组成。 3 1 1 安全监测系统的需求分析 施工升降机已成为现代建筑施工必不可少的施工设备，作为垂直输送人和物 料的建工机械。由于其工作环境恶劣，施工人员普遍安全意识淡薄。导致各种各 样的升降机安全事故时有发生。况且现在的施工升降机自动化程度低、安全管理 能力弱，根本赶不上现代施工安全的需求。 现有的安全装置大部分均为机械式保护装置如：安全防坠器、起重量限制器、 上下极限开关、缓冲装置等。尽管对升降机的安全保护贡献很大，但是缺乏灵活 性、智能性，不方便于数据采集和监管。在一般施工作业中新安装的安全防坠器 需要每三个月需要进行一次检测，超过2 年后需要每年检测一次。但是因为现行 特种设备安全监管人员有限，而施工设备存有量大，仅靠人工对特种设备进行有 限的分散抽检，从效率和费用以及及时、准确性等方面都远远满足不了要求，存 在很多的设备根本无法监管到位的情况【22 | 。 根据最新施工升降机安全规程中约定，施工升降机作业时必须安装超载 保护装置，并且升降机吊笼在地面时必须断电，此时超载保护器则不能正常显示 实时载荷。因此，施工人员无法正确加载载荷。况且目前市面上的超载保护器均 存在因启动制动时加速度发生变化，产生动载荷误报警的情况1 23 i 。给升降机作 业带来了困扰，因此埋下了安全隐患。 另外，施工升降机吊笼在工作过程中，自身根本无法预知需要到达的楼层， 使得施工升降机运行是被动的，不利于提高工作效率。一些工地也可能配备对讲 系统，但是成本高，得不到普及1 2 4 | 。 针对以上种种情况，需要构建一个智能化的新型安全监测系统。这样才能够 实时监测升降机的运行状态，并且记录升降机的各项参数。因此施工管理、监管 人员只需要通过手机就可以时刻的监测到升降机运行状况。极大地方便了管理， 提高了工作效率。同时能对升降机的安全作业起到警示的作用。一旦发生意外事 故也可以依据记录的参数进行事故原因和责任的判定。 新型的安全监测系统采用了m e m s 技术的加速度传感器来克服升降机升降 过程中由于动载荷的问题，避免了数码管乱跳数，甚至误报警的情况。同时增加 了备用不问断电源，当吊笼处于最底部时，升降机切断了电源，仍能给系统提供 备用电源，使系统做到全工况保护。 为了提高施工升降机的自动化水平，增加了无线楼层呼叫模块。当任意楼层 有需要运载货物和人员时，通过安装在各个楼层的呼叫装置发送楼层信号到安全 监测系统，司机可以根据同向优先、就近优先的原则及吊笼载荷情况综合判断施 工升降机起升运行，从而把施工升降机运行被动变为主动提高作业效率。 3 1 2 安全监测系统的主要性能指标 根据安全监测系统所有需要实现的功能，进行了系统的软硬件设计。设计时 充分考虑施工升降机的结构特点和施工现场环境状况，使得安全监测系统性能指 标达到相关要求。 通过查阅国内外施工升降机安全监测领域相关文献资料，参考特种设备安全 监测的行业标准，根据目前施工升降机对安全监测的实际需求，所设计的监测系 统要具备以下功能并达到相应的性能技术指标： 解决了启动和运行中的加速度冲击使超载误报的问题； 具有独特的自检功能；偏载提醒；冲底报警： 采用无线发送和接收芯片，实现楼层呼叫自动选层功能； 具有网络功能，通过手机终端发送命令至系统，可以获取相关参数； 系统称重综合误差：s 士5 ； 额定功率：5 w ； 工作电压：a c 2 2 0 v 士1 5 ； 工作环境温度：2 0 6 0 ； 工作环境湿度：9 5 r h ( 2 5 ) ； 继电器触点容量