集装箱起重机的安全性研究

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【摘 要】本文根据起重机的操作规范，结合实际生产应用出发，就岸边集装箱起重机的电气安全设计，阐述了其中存在的问题，并提出了相关的建议

【关键词】集装箱起重机；起重器安全

一、危害的分类和防护基本设计原则

岸边集装箱起重机对人的潜在危害，可以从以下几个来源加以区分（本文不具体描述各种危害对人身健康产生什么样的影响）：

（1）高温危害，如长时间工作中的能耗制动电阻等，外壳温度会达到100℃以上，会造成高温灼伤。（2）振动危害，如高速运转的起升机构可能会引起司机室的共震，有缺陷的小车驱动机构司机室的晃动等。（3）电气危害，如带电铜排，特别是高压元件，会造成触摸电击伤人；驱动器如果在潮湿的电气房启动，会因绝缘损坏，引起短路爆损伤人；电路短路或过载，引起导线或设备发热着火等等。（4）机械危害，如照明灯具高空坠落，起重机在码头轨道上行走时碰撞作业指挥人员等。（5）操作危害，如操作台布置不当，增加操作人员的疲劳程度和工作压力。

二、安全防护的基本设计原则

机器必须是安全可靠的，在正当使用的前提下，不允许产生危害。在进行岸边集装箱起重机的安全设计时，首先要界定机器的正当使用范围和使用寿命等（包括各元气件的使用寿命），还要充分考虑到不正常的操作，如误操作，或在超行程的情况下使用岸边集装箱起重机，也可能起吊超重货柜箱。针对所有可能出现的危害，采用可靠的技术手段，去避免。或要尽可能把危害降低到可以接受的程度。如果某些危害降低到最小后，还是不够安全，要考虑有效的隔离防护措施。

三、电气安全设计的基本技术

规范《IEC60204-32-2008机械安全-电气设备-起重机械的要求》在电源控制、电击防护、操作系统、控制系统、电气设备的保护、安全防护装置和警报信号等几个方面，提出了起重机械的电气基本要求。在岸边集装箱起重机的电气安全设计，主要考虑以下一些基本技术：

（一）电击防护设计

第一，保护接地，保护接地的连续性很重要，一个接地点上只接一根接地线。电机外壳，接线箱箱体等元件的外露可导电部分，都要可靠接地。第二，自动切断电源，如照明、维修插座和空调等辅助设备的配电，选用漏电保护开关。主变压器的馈线柜配置电动远程跳闸功能，在打开变压器门的同时，能通过门开来自动关断馈线柜开关。第三，安全电压供电，如控制系统使用安全隔离变压器控电，如司机操作台和限位等，尽可能采用24伏的直流电源供电。第四，接触隔离，安装在控制柜内的元件、接线端子或导电铜排，如果在打开柜门后还是带电且易接触到，需安装有机玻璃隔离板。

（二）操作系统设计

在操作系统的布置上，遵守人类工效学的要求，要有足够的视野和操作空间，操作人性化，以减少操作人员的压力，减轻疲劳。第一，操作人员在司机室不能观察到前大梁的全程操作，应只在司机室半程操作前大梁，除非司机室安装有CCTV监视系统。前大梁的全程操作，应布置在俯仰室内完成。第二，司机室座椅可调整，同一台起重机可以适合不同操作人员的身高和操作习惯。第三，新旧起重机操作系统布置上要一致，避免同一操作人员在不同起重机上工作时，因为习惯动作或犹豫不决而误动作。第四，操作人员在作业过程中，频繁使用的操作元件要布置在主操作台上，如小车和起升机构的主令手柄、控制吊具导板上下和锁销开闭锁等，后两者还应布置这两个主令手柄上或旁边，操作人员可以方便操作。其它一些操作元件，根据使用频率布置。使用较少的，可以布置在离操作人员相对远点的辅助操作台上。第五，司机室前方的仪表布置：前下方为吊具状态显示，如着箱、开锁、闭锁和双箱等，操作人员在低头看船上或码头上的货柜箱时，可以方便了解吊具状态。前上方为机构状态显示，如起升高度，小车位置，载荷重量等。

（三）控制系统设计

控制系统的设计对在岸边集装箱起重机的安全至关重要，引发潜在危害的问题有：不完善的控制逻辑、控制元件损坏和控制系统失电等。控制系统设计主要应参照以下一些安全规范和具体技术：第一，要求使用渐进方式起动和加速运行机构，如使用主令手柄控制小车和起升机构，且主令手柄要有零位检测。第二，电源中断后，防止机器意外起动，如在电路中采用失电自锁的控制电接通继电，在该继电器失电后，再次满足得电条件时，必须在操作人员按确认按钮后，继电器才会得电。第三，重要元件采用冗余，如机构制动器的供电线路采用双接触器串联，冗余PLC等。第四，自动监控重要元件的状态，如用来判断机构是否已减速的限位，它的触点状态变化只发生在设定的机构行程时，如果在其它行程时，触点状态有变化，系统停止该机构运行或限制运行速度。第五，影响程序的设备要求安全可靠，如内置系统软件需存储在只读记忆卡中，设置程序修改密码。第六，使用可保持选择开关区分有危险的操作模式，如区分起吊货柜模式和载人模式。第七，为安全的人工操作，提供必要的安全功能，如停止功能要优于起动功能；起动元件旁边应设停止元件；设置操作站的允许操作选择开关，一个时间内只允许在一个操作站操作机构。第八，除正常的停止外，提供安全可靠的应急停止功能：紧急停止（emergency stop），如紧停按钮触发时，控制电失电，依靠机械制动器刹车；安全停止（safety stop），如机构极限限位触发时，相应机构的控制电失电，依靠机械制动器刹车；快速停止2（fast stop2），如考虑到机械制动器刹车时，有几百毫秒的制动延时，在发生起升机构挂舱时，在制动器刹车的同时，驱动器反向最大力矩制动（fast stop2）；快速停止1（fast stop1），如在机构过载的情况下，驱动器反向最大力矩制动，保留控制电。第九，电气设备符合电磁兼容（EMC）方面的标准，即不产生高于其预期使用环境规定的电磁干扰，还要具备足够的抗电磁干扰能力，使其能够在预期使用环境中正常工作。第十，选用安全可靠的电气元件，充分考虑到使用环境对电气元件的影响。在安全保护中起重要作业的元件，如超速开关，编码器等，其可靠性要是一致认可的。第十一，故障导向安全原则，在断电或元件损坏的时候，能维持原有的安全功能。如选用限位触点的闭合状态为安全条件，在限位失电时，逻辑判断为机构处非安全状态，系统统停止该机构运行或限制运行速度，保证安全。

（四）电气设备保护

防止电气设备受到下列一些异常情况影响，而采取的措施。常见的异常情况包括：短路过电流、电动机过热、温度异常、供电电源欠压或失压、接地故障、相序错误、超速以及雷电或浪涌过电压。第一，短路过电流保护，提供对电气元件和电缆线路的短路过电流保护，过电流保护气件的整定尽可能小，但还要允许预期的过电流通过（如变压器合闸和电机起动电流）。第二，电动机过热保护，实现方法是过电流保护（瞬动或反时限动作）、过温保护（电动机内设置温感元件）或热过载保护方式。第三，温度异常保护，会达到或导致异常温度，以至引起危险情况的发热电阻或变压器，应提供过温检测。如在电气房配置温控开关，在监测到温度超出设定值时，停止机器运行。第四，供电电源欠压或失压保护，如果供电电源中断或电压下降会引起危险情况，则对预设定的电压值提供欠压保护（断开供电电源或制动器制动）。电源恢复正常后，如果机构的重启动会导致危险状态，应该防止自动或非预期重启。第五，接地故障保护，在接地故障电流小于过电流保护检测值的时候，接地故障保护可以减少接地故障电流对电气设备的损害。在满足电气设备正常工作的前提下，接地故障保护设定值应尽量小。第六，相序保护，如在高压进线侧和低压岸电进线侧，安装相序检测保护，以确保供电电源的相序在任何时候是一致的。避免不同相序情况下，某些电机反向运转，影响安全。第七，电动机超速保护，防止超过电动机或其载荷的机械速度极限。对涉及到垂直运动的前臂梁和起升机构进行超速保护，在电动机非驱动轴端或其驱动的钢丝绳卷筒侧安装超速检测开关，保护设定值为电机额定速度的110%～115%之间。第八，雷电和开关浪涌保护，对雷电或开关浪涌引起的过电压提供保护。如在高压进线电源端安装避雷器抑制雷电过电压，在驱动进线和辅助进线侧安装压敏元件抑制浪涌过电压。

（五）安全防护装置

安全防护装置是防止起重机事故的必要措施。岸边集装箱起重机应对包括工作极限（载荷、速度、风速和位置等）、防碰撞（起重机与船、起重机之间）和操作人员进、出司机室等上、下起重机等方面，设置保护措施。

（六）其它

电气安全设计中，还需考虑以下一些措施或技术：第一，安装声光报警设备，提醒可能处于危险区域的人员。如安装在大车地面区域，在大车启动和运行过程中，声光报警设备用于提醒地面人员。第二，灯光照度方面，作业工作区的照明要符合相关要求，局部维修区域应配置照明，在司机室尽可能配置可调光照明，以便适应不同操作人员的要求习惯。第三，避免元件带锋利边缘，特别是在通道范围内，避免设备元件避免勾挂衣物或身体。第四，在危险区域提供警告标安全标志，如电击危险，热表面危险等。

四、结语

起重机设备的设计规范和安全标准是在不断更新和细化的，随着相关技术的发展和人们对产品的安全期望值不断提供，集装箱起重机的电气安全设计也应该是趋向于新技术和新材料的使用，趋向于严格的安全标准。但同时还要考虑到，电气安全设计的实现成本和起重机的作业效率等实际问题。例如对司机室与它的进入通道有相对运动，要求对通道门采取联锁保护。可以接受的基本措施是安装通道门状态的监测限位，在通道门打开时，中断相应机构的电源，停止移动司机室，避免对人员的危害。更安全的措施是，安装通道门电锁，确保只有司机室在停止状态和特定位置时，才能打开通道门。前者是降低了危害程度，而后者是避免出现危害。如果增加的电锁价格是能够接受的，那无疑是要采用后者。或者说目前电锁的价格较高，如果安全标准只要求采用前者，随着电锁价格减低到可接受范围，相应安全标准就可能纳入后者。集装箱起重机的电气安全设计是一个综合多方面因素，需不断追求完善的过程。

参 考 文 献

[1]陈凌峰主编．电气产品安全原理与认证[M]．北京：人民邮电出版社