張建坤，鄭偉，張世闊，徐金海，呂正銳

（1.杭州市蕭山區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測中心，浙江 杭州 310000；2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 3100030

固定式起重機(jī)動力學(xué)建模與事故工況分析

張建坤1，鄭偉2，張世闊2，徐金海2，呂正銳2

（1.杭州市蕭山區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測中心，浙江 杭州 310000；2.杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 3100030

固定式起重機(jī)作為常見大負(fù)荷提升設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。針對固定式起重機(jī)常見事故工況，以某型號固定起重機(jī)為原型建立了對應(yīng)的有限元模型，得到了其在滿荷條件下的應(yīng)力分布與動力學(xué)特性，并在額定載荷下進(jìn)行了分析，做出了變幅機(jī)構(gòu)低速聯(lián)軸器螺栓應(yīng)力分布。介紹了某企業(yè)固定起重機(jī)起重臂下墜事故案例，參考事故現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果與有限元模型分析結(jié)論，對該型號起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)低速端聯(lián)軸器進(jìn)行了校核計(jì)算，分析了事故原因，并給出了相應(yīng)的對策與建議。

固定起重機(jī)；動力學(xué)建模；事故工況

固定式起重機(jī)作為常見大負(fù)荷提升、搬運(yùn)設(shè)備廣泛應(yīng)用于建筑、物流、交通、鋼鐵、采礦、機(jī)械等領(lǐng)域。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對于固定式起重機(jī)的技術(shù)要求日益提高。

固定式起重機(jī)在其使用過程中，由于過載、操作不當(dāng)、制造缺陷等問題，經(jīng)常出現(xiàn)起重臂彎曲、斷裂等事故，以致造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。為此相關(guān)生產(chǎn)廠家與研究院所不斷投入研發(fā)力量對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，以期降低固定起重機(jī)的故障率。陳君等人分析了建筑工地使用較普遍的固定基礎(chǔ)式塔機(jī)，在使用過程中發(fā)生事故的類型及產(chǎn)生的原因，對解決頻繁發(fā)生的塔機(jī)事故提出了自己的看法及其預(yù)防措施。劉東等人通過對固定式起重機(jī)的重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力測試，獲得結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及應(yīng)力集中狀況，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲備，進(jìn)而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。馮建平等人建立了一個(gè)可直接計(jì)算的固定式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元仿真模型，可實(shí)現(xiàn)固定式起重機(jī)在多工況作業(yè)下更真實(shí)的運(yùn)動仿真和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。王繼源等人對臂架型起重機(jī)的不同點(diǎn)進(jìn)行了分析，對其檢驗(yàn)的重點(diǎn)進(jìn)行了探討，并提出了可保證臂架型起重機(jī)安全運(yùn)行檢驗(yàn)方法。

隨著工程計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析(FEA)技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)出較大的技術(shù)優(yōu)勢。因此，本文將有限元分析技術(shù)引入到固定式起重機(jī)事故工況分析中，建立了固定式起重機(jī)有限元模型，得到了其在滿荷條件下的應(yīng)力分布與動力學(xué)特性，并完成了相關(guān)校核驗(yàn)證與討論分析。

1 動力學(xué)模型

本文以某型號固定起重機(jī)為原型，其基本技術(shù)參數(shù)如下：最大起重量5t，最大起重力矩75t·m，變幅幅度5．58～15．78m，起升高度16．23m，下放深度5m,工作級別A5，吊具為抓斗，變幅機(jī)構(gòu)速度19m/min，電機(jī)功率22kW，轉(zhuǎn)速715r/min，減速比48．57，變幅機(jī)構(gòu)高速聯(lián)軸器為十字軸式萬向聯(lián)軸器加帶制動輪聯(lián)軸器，低速聯(lián)軸器為螺栓聯(lián)軸器（凸緣聯(lián)軸器）。

針對上述對象，基于動力學(xué)平衡理論與有限元計(jì)算方法，建立其有限元?jiǎng)恿W(xué)模型。網(wǎng)格劃分采用四面體與六面體相結(jié)合方式，在起重臂根部、聯(lián)軸器螺栓、連接鋼繩、起重吊鉤等應(yīng)力易于出現(xiàn)集中的地方，采用六面體3倍加密來獲取更為精確的力學(xué)分布特征。計(jì)算過程中，差分方法采用迎風(fēng)差分方式，并引入松弛因子提高收斂速度，在此基礎(chǔ)上完成了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，保證本模型的適用性?；谏鲜瞿Ｐ停梢缘玫焦潭ㄆ鹬貦C(jī)在不同載荷下的應(yīng)力分布。

在對模型施加額定負(fù)荷的情況下，可以發(fā)現(xiàn)其中吊臂整體應(yīng)力分布比較均勻，在有效服役期限內(nèi)出現(xiàn)故障的概率較低；變幅機(jī)構(gòu)處應(yīng)力出現(xiàn)集中，其中低速端尤為明顯。針對上述情況，對變幅機(jī)構(gòu)低速端聯(lián)軸器螺栓受力情況進(jìn)行了局部放大與后處理，如圖1所示。

通過圖1所示的受力情況，可以清楚看到變幅機(jī)構(gòu)低速端螺栓本體應(yīng)力明顯集中，且在兩端處出現(xiàn)最大值。在此種情況下，隨著起重機(jī)往復(fù)吊裝動作，該處螺栓易出現(xiàn)疲勞剪切斷裂。

2 案例分析與校核驗(yàn)證

（1） 事故案例。2013年8月，浙江某企業(yè)一固定式起重機(jī)發(fā)生起重臂墜落事故，情況如下：事故固定式起重機(jī)起重臂下墜至河道，起重臂上端部擱于船舷上，抓斗在外側(cè)船舷邊。起重臂根部鉸點(diǎn)一側(cè)正常，一側(cè)銷軸軸端擋板移位，用電焊固定，一側(cè)銷軸軸端擋板移位。變幅機(jī)構(gòu)卷筒鋼絲繩全部被拉出，繩頭未拉出；變幅機(jī)構(gòu)低速聯(lián)軸器（凸緣聯(lián)軸器）聯(lián)接螺栓全無。凸緣聯(lián)軸器聯(lián)接螺栓被使用單位工作人員拾得，全部被剪斷，螺栓為M16(4．8級)。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)低速聯(lián)軸器螺栓應(yīng)力分布

（2）校核驗(yàn)證。針對有限元模型分析結(jié)論與事故現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，對該型號起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)低速端聯(lián)軸器進(jìn)行了校核計(jì)算。該型號起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)低速端聯(lián)軸器為凸緣聯(lián)軸器，聯(lián)接螺栓孔組節(jié)徑D1為φ165，聯(lián)接螺栓為6組M16×80螺栓（GB5782-1986）。根據(jù)凸緣聯(lián)軸器國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5843-2003)，對應(yīng)型號為GYS8，對應(yīng)公稱扭矩[Tn]為3150N·m。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊（2001版），聯(lián)軸器根據(jù)傳遞的扭矩和工作條件選擇：

式（1）中，T —所傳遞扭矩的計(jì)算值；Tt—實(shí)際使用的扭矩；[]—聯(lián)軸器規(guī)格表中允許的扭矩；k1—考慮聯(lián)軸器重要程度的系數(shù)；k2—考慮機(jī)構(gòu)工作級別的系數(shù)；k3—考慮角度偏差的系數(shù)。扭矩的計(jì)算方法為：

若取k1=1．8，k2=1．1（M4），k3=1．25，則有T =35323N?m，[Tt]=[Tn]=3150N?m。顯然T≥[Tt]，從電動機(jī)輸出扭矩角度校核計(jì)算，該型號起重裝卸機(jī)械廠生產(chǎn)的變幅機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)低速端聯(lián)軸器設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，與有限元分析結(jié)果相符。

選取工況：起重臂處于最大幅度，起重臂與水平夾角30°。抓斗著地，起重機(jī)無起升載荷。根據(jù)制造單位圖紙、說明書，基本參數(shù)如下：變幅鋼絲繩張力S，變幅鋼絲繩纏繞倍率4，起重臂整體自重G=3881kg，起重臂鋼構(gòu)件自重G1=3346kg，起重臂端部滑輪機(jī)構(gòu)自重G2=535kg，起重臂臂長L=19292mm，對應(yīng)水平長度L1=16．707m。

起重臂自重產(chǎn)生的傾覆力矩M臂為：

根據(jù)制造單位圖紙、說明書，相關(guān)參數(shù)如下：人字架絞點(diǎn)高度H1=5854-200=5654mm，人字架主立桿長度L2= H1/sin81．26=5720mm，起重臂與水平夾角30°時(shí)，變幅鋼絲繩力作用線與起重臂根部絞點(diǎn)的垂直距離L3=5172mm，卷筒直徑=0．41m，S×L3=M臂，S=364513/5．172=69898N，聯(lián)軸器需傳遞靜力扭矩T1=卷筒力矩=(69898/4)×（0．41/2）=3582N·m。

聯(lián)軸器需傳遞的設(shè)計(jì)力矩T聯(lián)為：

因此，[Tt]=[Tn]=3150N?m，T聯(lián)≥[Tt]，變幅機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)低速端聯(lián)軸器設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。

3 事故原因分析

通過上述分析可知，該起重機(jī)在工作過程中起重臂頻繁仰俯，起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)機(jī)的低速端凸緣聯(lián)軸器由于聯(lián)接螺栓松動，螺栓與螺栓孔發(fā)生撞擊造成聯(lián)接螺栓依次被剪斷，凸緣聯(lián)軸器失效無法制停住卷筒拉住起重臂，引發(fā)起重臂在自重和載荷的作用下下墜，直至起重臂端部擱在船舷為止。事故的主原因歸如下。

（1）固定式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)低速凸緣聯(lián)軸器存在產(chǎn)品質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。

（2）固定式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)未進(jìn)行符合要求的維護(hù)保養(yǎng)，使用單位對低速凸緣聯(lián)軸器聯(lián)接螺栓松動未能發(fā)現(xiàn)，造成螺栓與螺栓孔之間產(chǎn)生撞擊，引發(fā)聯(lián)接螺栓被依次剪斷；

（3）起重臂根部鉸點(diǎn)軸端擋板移位，未進(jìn)行合格的修理，加大了軸與支座間的阻力，增大了變幅機(jī)構(gòu)的載荷。

通過上述案例分析可以發(fā)現(xiàn)，該型號起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器在工作過程中易于出現(xiàn)故障。因此，在該類起重機(jī)操作過程中，應(yīng)對聯(lián)軸器進(jìn)行嚴(yán)格檢查與定期維護(hù)，以杜絕此類事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文針對固定式起重機(jī)常見事故工況，基于有限元技術(shù)，建立了固定式起重機(jī)動力學(xué)模型，得到了其在滿荷條件下的應(yīng)力分布與動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)變幅機(jī)構(gòu)低速端聯(lián)軸器存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。以某企業(yè)固定起重機(jī)起重臂下墜事故為案例進(jìn)行了針對性分析，完成了聯(lián)軸器螺栓的強(qiáng)度校核計(jì)算，驗(yàn)證了本文方法的正確性。對此類事故原因進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的對策與建議。

[1]陳君, 孟憲旺． 建筑工程固定式塔式起重機(jī)事故類型、原因與預(yù)防[J]． 建筑安全, 2008, 2: 10-12．

[2]劉東, 滕啟斯． 500t固定式起重機(jī)的應(yīng)力測試[J]． 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2016, 3: 93-95．

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