船舶起重臂自动预警装置技术研究

陈振锋，孟伟玉，敬洋，蒋忠全，彭勇辉

（中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518048）

1 工程概况

深中跨江通道全长24.03km，北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，起于深圳市宝安机场南，与广深沿江高速相接，设机场枢纽互通立交，终于中山市翠亨新区马鞍岛，与拟建中开高速及规划东部外环高速相接，设横门枢纽互通立交。总体为东隧西桥，设计时速100km/h、双向八车道。跨海段长22.390km，陆地段长1.64km。主线桥梁总长16985m，隧道长6870m，海中设置东、西两处人工岛。标段工程由东人工岛、岛上主线隧道与堰筑段隧道、机场互通匝道隧道、救援码头、岛上建筑及岛内道路、市政、园林绿化和中山马鞍岛营地工程等组成，东人工岛范围内沿江高速长约1.2km，桥下净空约15.18m，共有40跨桥墩承台受其填岛影响。

在东人工岛施工之前，对沿江高速下的40跨桥墩承台进行钢围堰采用钢管桩和钢板桩保护。施工采用船舶+履带式汽车吊+静压植桩机机/机械手打桩机，在桥下净高15.4～18.5m，海上起重吊装高度受到严重限制，以及施工区域的局限性，起重作业人员操作难度相当大，对于吊车大臂顶部与桥面之间的距离凭借肉眼观察，难以保证观测数据的准确性，多次出现吊臂碰撞桥面的擦伤。为了使桥桩保护施工安全可靠的运行，特设计一种起重吊装自动预警装置，用于起重吊装的安全辅助。以声音或屏幕显示，直观地告知操作司机吊车大臂顶部与桥面之间的距离，解除了操作司机及起重指挥人员肉眼观测吊车大臂顶部与桥面之间距离的误差，大幅度降低了吊车大臂顶部与桥面接触的可能性，确保桥桩保护安全施工。

2 起重吊装自动预警装置

2.1 起重吊装自动预警装置设计方案

本设计主要采用自动控制系统和超声波探测技术，履带式起重机在进行起重吊装作业时，超声波探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，从而计算出吊车大臂与桥面之间的距离，再由显示屏和蜂鸣器发出警示信号，提醒操作司机注意吊车大臂与桥面之间的距离，避免吊车大臂与桥面发生碰撞，见图1。

2.2 起重吊装自动预警装置设计基本参数要求（表1）

2.3 起重吊装自动预警装置技术参数

图1 系统总体结构框图

表1 设计基本参数要求

额定电压：直流12V/24V；工作温度：-30～+70℃；反映时间：0.05秒/探头；探测距离：0~3m；探测角度：XY=60~80°。

2.4 起重吊装自动预警装置所需配件

主机控制盒1个；显示器1个；摄像头1个；蜂鸣器1个；超声波探头8个；24V直流电源1个；电源线1条；四芯延长线2条；摄像头延长线1条。

3 主机控制盒的设计原理

主机控制盒是整个起重吊装自动预警装置的核心，整个主机盒由微处理器、超声波发射器、超声波接收器、显示电路等组成，微处理器向超声波发射器发出信号，超声波发生器发出电磁波，超声波发出后遇到障碍物反射回来，被超声波接收器接受，超声波接收器将接受到的回波信息反馈到微处理器，微处理器根据测距公式对所接收到的信息进行处理，并将测距数据发送到显示电路，显示线路将测距结果显示出来。

4 起重吊装自动预警装置的安装

（1）起重吊装自动预警装置安装原理（图2）。

（2）在起重机大臂4个角顶端5～6cm处安装8个超声波探头（避免因探头数量过少，存在探测盲区），安装超声波探头的周围应无障碍物，超声波探头发射的超声波能够顺利到达桥面。探头、主机盒安装位置示意图如图3、图4所示。

图2 起重吊装自动预警装置安装原理

图3 超声波探头、主机控制盒安装位置示意图

图4 超声波探头安装示意图

（3）在距离起重机吊臂顶部5m左右，安装起重吊装自动预警装置——主机控制盒（图5）。

在沿江高速桥墩保护施工过程中，起重机除了吊装钢板桩、钢管桩之外，还需要吊装液压振动锤施打钢板桩和钢管桩，因此主机控制盒应该装置在震动较小的位置，避免因震动对主机控制盒造成太大影响，进而对整个起重吊装自动预警装置造成影响；另外，主机控制盒的安装位置应做好防雨淋措施，避免雨水进入主机控制盒，对主机控制盒的电路造成影响。

图5 主机控制盒安装示意图

（4）在起重机驾驶室的右上方安装起重吊装的预警装置，本预警装置有数字显示屏和蜂鸣器组成，数字显示屏显示吊车大臂顶部距桥面的距离，蜂鸣器由主机控制盒控制，主机控制盒根据吊车大臂距离桥面顶部的距离向蜂鸣器发出不同的控制信号，控制蜂鸣器的声响。

（5）整个起重吊装自动预警装置所需的电源为直流12V/24V，通过电源线将起重吊装自动预警装置与起重机的电瓶电源相接。

5 起重吊装自动预警装置的调试

为了确保起重吊装自动预警装置灵敏、有效、可靠，在沿江高速桥墩保护施工过程中，能够真的起到自动预警的作用，需对起重吊装自动预警装置进行调试，调试方法为：利用测量组的专业测量仪器——全站仪，对起重吊装自动预警装置显示的数据进行复核，通过对两个数据的对比，分析起重吊装自动预警装置的可靠性。

测试过程：起升汽车起重机的大臂，当显示屏显示的数据为2.9时，停止起升；然后，用全站仪测量吊车大臂顶部距桥面底部的距离，并记录两个数据；继续起升汽车起重机的大臂，当显示屏显示的数据为1.9时，用全站仪测量吊车大臂顶部距桥面底部的距离，并记录两个数据；继续起升汽车起重机的大臂，当显示屏显示的数据为1.1时，用全站仪测量吊车大臂顶部距桥面底部的距离，并记录两个数据；继续起升汽车起重机的大臂，当显示屏显示的数据为0.9时，用全站仪测量吊车大臂顶部距桥面底部的距离，并记录两个数据；继续起升汽车起重机的大臂，当显示屏显示的数据为0.28时，用全站仪测量吊车大臂顶部距桥面底部的距离，并记录两个数据。

测试数据记录如表2。

表2

测试数据分析：随着吊车大臂的提升，起重吊装自动预警装置显示屏的数据与全站仪测量的数据偏差越来越大，造成的原因是由于超声波探头安装的位置距离吊车大臂顶端相距5cm，假设超声波探头安装位置的水平方向与吊车大臂之间的夹角为θ，超声波探头的位置距吊车大臂顶端的垂直距离为h，则h与θ之间的关系为：

由h和θ的关系式可以看出：0°≤θ≤90°之间，h随之θ的增大而增大。在吊车大臂起升过程中，θ的角度会逐渐增大，进而导致超声波探头的位置距离吊车大臂顶部的距离也相应增大，所以：随着吊车大臂的提升，起重吊装自动预警装置显示屏的数据与全站仪测量的数据偏差越来越大。

由上述的理论分析可以得出，显示屏显示的数据绝对不能少于0.05，另外，考虑到8个超声波探头安装的位置距离吊车大臂顶端的距离不可能是绝对的5cm；海水波动导致船舶和履带式汽车吊的波动；吊车大臂起升的速度等多方面原因，要求显示屏显示的数据低于0.3时，吊车大臂应严禁起升。

6 结语

深中通道S03标沿江高速钢围堰施工过程中，在役桥梁低净空条件下，进行起重吊装作业，采用起重吊装自动预警装置，能够直观地显示履带式汽车吊大臂顶部与沿江高速桥面之间的距离，避免了传统人眼观测的盲区和不准确性，方便操作司机更安全地进行起重吊装作业，为沿江高速钢围堰施工提供了一定的安全保证。起重吊装自动预警装置为以后类似的低净空条件下进行起重吊装作业提供了很好的借鉴。