0 引言
随着建筑业的发展，建筑施工的机械化程度逐年提高，塔式起重机（简称塔机）作为一种能够实现垂直和水平运输物料的机械，特别是因其起升高度高、起升重量大、工作幅度大等特点，在建筑业得到了广泛的应用。但是，由于塔机结构较庞大，并伴有高空作业，所以容易发生塔机倾翻事故。这些事故不仅影响了建筑施工的进度，而且给国家和人民的带来了巨大的生命和财产损失。
2006年在伦敦举办的国际起重机安全及管理会议上，特雷克斯研发主管Klaus Meissener先生指出，定期和不定期地对起重机进行有效的检查，是避免起重机安全事故的关键之一。来自英国的Charles Gillespie在演讲中强调，对员工进行安全操作培训，提高员工的安全意识，是确保吊装安全的关键。而日本起重机协会的Tsutomu Hashimoto 先生也提到日本起重机协会的目标是通过技术研究和调研、教育培训、信息公布以及检验检测等手段尽可能的避免起重机各类事故的发生。文献5中也提到建议对动臂变幅式塔机也应设置最大幅度（最小角度）限制器，因为起重臂一旦超过规定角度时，其根部极有可能马上损坏，甚至会导致塔机倾翻。由此可以看出，塔机的安全使用已经成为人们关注的问题。
目前塔机安装有安全限位装置，主要包括起重量限位器、起重力矩限位器、幅度限位器、起升高度限位器、回转限制器。安全装置的作用在于塔机在使用过程中一旦超过设定的数值自动切断电源，防止塔机事故的发生。虽然塔机安全装置对塔机的各种工况能够进行安全保护，但仍然避免不了塔机倒塔事故的发生，分析塔机倒塔事故的原因并不是因为塔机没有安装安全限位装置，而是因为塔机在吊装过程中斜拉斜拽、拔桩，塔机基础浸水而使得基础桩沉降不一造成塔身倾斜，吊装过程中挂住脚手架，吊装过程中重物捆扎不牢，重物突然卸载使塔机后倾力突然增大，塔机标准节固定螺栓及回转支承联接松动，塔身基础节处焊缝开裂以及塔机安装初始角度过大等因素的存在，使得塔机在吊装过程中容易发生塔机倾翻事故。例如2005年11月22日某厂生产的塔机在四川宜宾市发生了塔身基础节接头处住肢脆性断裂事故，事故是由于焊接工艺不合理，导致微裂纹的出现，加之母材伸长率不合格，不可避免发生脆性断裂。2003年在成都发生的一起塔机倾翻事故是由于塔机基础长期排水不畅，底架与基础连接的法兰盘背面角焊缝长期受到泥水腐蚀，使得焊缝的有效高度越来越小，由于该角焊缝不容易被发现，所以当吊载额定载荷时，角焊缝被撕裂，导致塔机从根部整体倒塌。上海浦东新区一台塔机因驾驶员没有进行班前检查，结果由于固定塔身基础的螺栓松动导致塔机倾翻。2001年12月24日某建筑工地一台QTZ40C型塔机因违章作业（连续两次掉载预埋于地下的套筒，两次均未将套筒拉出，导致塔身产生超载，产生裂纹和塑性变形）致使塔机固定基础底座受损而未经检查继续使用时受损程度不断扩大导致塔机倾翻。
上述事故的发生一方面是由于导致倾翻因素的存在，导致塔机吊装过程中倾角过大发生倾翻，但笔者认为导致塔机倾翻更重要的是对塔机隐患的检查不到位，虽然塔机上安装有安全限位装置，但检查不到某些隐患的存在，在吊装或特定情况下使得危险因素加剧，最终导致塔身倾角过大引起塔机倾翻，所以，如何有效地检测塔身在使用之前及使用过程中倾角的大小，当倾角大于某一临界状态时及时报警可以有效的预防塔机倾翻事故的发生。
为了预防塔式起重机倾翻，研制开发了塔式起重机防倾翻检测仪，该仪器通过检测塔身倾角的状态达到塔机安全检查的目的，通过报警机制提醒人们检查塔机存在的隐患，对预防塔机倾翻具有重要的意义。
塔式起重机防倾翻检测仪不仅能够有效的检测出塔机安装过程中及使用之前塔身的倾斜角度，而且在塔机正常工作过程中能够监测工作过程中的倾角，并在塔机达到倾翻临界状态时及时报警提醒人们对塔机进行检查以防塔机倾翻。这不仅提高了生产效率，更重要的是保障了起重机操作及相关人员的健康和生命安全。对于施工单位来说，既避免了因为设备维修造成的长时间停机及带来的经济损失，也避免了因事故导致的保险、法律诉讼等事项带来的额外费用。
1 塔式起重机防倾翻监控仪结构组成
如图1所示，塔式起重机防倾翻监控仪是由倾角测量装置和倾角显示报警装置组成。倾角测量装置是由密闭容器、倾角传感器、信号处理电路板组成，安装于塔机回转支承的某一主肢上，主要测量塔身的倾角。倾角显示报警装置包括显示屏、按钮、蜂鸣器、发光二极管等，安装于司机室内，用于显示当前时刻塔身的倾斜角度值，当塔身的倾角超过设定的临界倾角时，倾角显示报警装置报警，提醒塔机司机检查塔机是否出现故障，例如，塔身标准节及回转支承的联接是否松动，焊缝是否开裂等，及时消除可能导致塔机倾翻的因素。
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2 塔式起重机防倾翻监控仪的工作原理
由于塔式起重机的上部结构通过塔身与地基相连，使用过程中基础的变化和上部载荷的变化均在塔身变形中有所体现。除突发的人为事故外，大部分的塔式起重机倾翻事故的预先征候表现为塔身变形，如基础沉降、大风侵袭、连接螺栓松动、安装失误、超载、斜拉斜吊等。据不完全统计，塔身变形可以反映几乎全部的非突发人为事故。
当假设塔式起重机的塔身是一个均质的弹性体，作为一端固定的悬臂梁，塔身变形的计算模型可以简化为图2所示。此时塔身顶部的倾角a与塔身变形具有一定的函数关系。设塔身的弹性模量为E、截面特性为I，当塔身水平变形位移x很小时，可以认为：
实际的塔式起重机塔身并非是一个均质弹性体，塔身标准节之间的连接面有时因为连接高强螺栓的松动造成间隙，所以，我们有理由假设实际的塔身顶部倾角α1=α+α2，其中α2为由于塔式起重机可能的倾翻事故隐患造成的倾翻角增加量。
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可以看出，当倾翻力矩、起升高度不变时，塔顶倾角的变化与塔顶位移一样，决定于弹性模量和截面特性的变化，而后者反映了塔身结构由于疏于管理造成的结构变化（地基沉降、螺栓松动等）。
塔身顶部倾角与载荷倾翻力矩、非载荷倾翻力矩、起升高度、截面特性、弹性模量等因素有关。其中，截面特性、弹性模量的变化，以及非载荷力矩的变化均能影响塔身顶部倾角的数值变化。众多的人为失误更多地反映在截面特性、弹性模量、非载荷力矩的变化，与力矩限制器相比，更能全面的反映塔式起重机倾翻状态。作为防倾翻指标，塔身顶部倾角代表的临界倾翻状态比起升力矩等其他参数代表的临界倾翻状态合理。
塔式起重机防倾翻监控仪的倾角测量装置与回转塔身的一根主肢固接，并使得倾角测量装置的中心线与塔机主肢的中心线平行。
3 倾角测量装置的选择
由于塔身顶端的倾角变化在 2 °，倾角测量装置采样频率要在0.5-10Hz范围内，测量精度高于0.05度。同时要过滤掉塔顶震动引起的噪声、保证通信可靠、判断准确。
在塔式起重机防倾翻监控仪中，其中主要的一部分是倾角测量装置。倾角测量装置的作用在于实时测量塔身倾斜的角度。虽然实现倾角测量的方法很多，像电容传感器、电感传感器、光电编码传感器、气体重力摆等，但这些方法在实现塔身倾角实时测量的过程中难以在响应频率、测量精度、成本等方面完全满足。
山东富友慧明监控设备有限公司研制开发了适用于塔式起重机塔身顶部倾角测量的装置，该装置采样频率达到1.33HZ，测量精度达到0.05度，与外部通过RS232串行通信接口传输信息，完全适合于塔式起重机防倾翻报警要求。
4 塔式起重机防倾翻检测仪的安装与使用维护
塔式起重机防倾翻检测仪-І型的安装位置如图3、图5所示，其具有两种工作模式，角度仪工作模式用于塔式起重机安装过程，便于检测塔式起重机初始安装倾角。防倾翻仪工作模式用于塔式起重机使用过程中。
在进入防倾翻仪工作模式之前，必须对装置进行设定报警线工作。因为起升高度的不断变化，一般要求，塔式起重机安装完毕和加附着架之后在塔身标准节连接螺栓预紧力符合要求时立即进行设定报警线。
设定报警线的过程如下：
（1）按设定键接通电源，显示屏显示主肢1，塔机空载旋转，起重臂停留在A主肢（图6所示）暂停一分钟，然后按一下设定键。
（2）依次完成主肢2、主肢3、主肢4、额载1、额载2、额载3、额载4设定。
（3）系统自动进入到防倾翻仪工作模式。
工作过程中，倾角测量装置通过RS232将倾角数据及报警指令传给倾角显示装置，塔机司机通过倾角显示装置可以清楚地掌握目前塔身的倾斜角度值及其倾斜方向，在塔身倾角达到倾斜临界状态时，及时提醒塔机司机检查塔机，预防塔机的倾翻。
5 结论
塔式起重机防倾翻监控仪不仅能够实现塔机工作和非工作状态下倾角的测量，实现当塔身倾角超过设定的临界值时报警功能，当塔机在主肢出现裂纹、标准节和回转支承联接螺栓过松、超载及违章操作导致塔身倾斜等情况下及时提醒管理和施工人员及时检查塔机的安全状况，防止因人为的疏忽或不易发现的隐患等因素而导致塔机倾翻事故的发生。对塔机的安全使用具有重要的意义。 |
