關于起重機在特殊危險工況下的安全性能分析

王寅

摘 要：該文結合起重機的實際使用特點，分析在特種危險工況條件下產生事故的多種原因，利用虛擬樣機動力學分析以及有限元的數值模擬的應力分析方法，探討了六種不同特殊危險工況下的門式起重機的安全性能，希望對于今后門式起重機的設計和使用具有一定幫助。

關鍵詞：門式起重機 危險工況 安全性能 數值仿真

中圖分類號：TH213.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0054-01

分析建筑中起重機特重大事故中可以發現，使用不當、安全裝置失靈、違規操作、惡劣的氣候因素則是事故的主要原因。一般情況下，起重機結構的承載能力在正常工況下則是起重機的結構設計的內容，特殊危險工況則需要考慮相應的特殊條件，在起重機設計中需要特別考慮[1]，在這方面相關的關于特殊危險工況的實驗驗證還存在一定空白，本文通過分析起重機制造廠使用的一臺L型單主梁吊鉤門式起重機，在這種門式起重機的典型事故原因分析基礎上，提出了相應的存在的特殊危險工況下的安全性能評價，希望能夠對于今后的該種結構型式的起重機的安全問題有所幫助。

1 特殊危險工況

該文結合起重機的實際使用特點，分析在特種危險工況條件下產生事故的多種原因，總結了下述六種特殊危險工況產生的條件[2～3]。

1.1 吊重突然卸載工況

所謂的突然卸而是包括取物裝置中存在吊重的意外脫離而造成的工況，而不是電磁起重機作業、抓斗的正常卸貨工況。這里分析吊重的意外脫落的情況，其原因主要包括以下幾種：防脫鉤裝置失效、鋼絲繩的斷裂、諸如定滑輪支架、聯軸器、減速器、電機等傳動系統的失效等。在吊重的意外脫落情況下，則會產生起重機支腿失穩以及起重機整體反向傾覆的可能。

1.2 吊重自由落體后緊急制動工況

對于非正常延遲的電氣故障引起的起升制動器來說，吊重在起吊情況下，制動器在電機失電無驅動力矩狀態下未能夠及時進行下閘，為了使得吊重自由落體后的制動器下閘，這就需要吊車司機通過一定的緊急措施。所以，這樣造成的極大慣性力則是由于吊重的自由落體所致，對于起重機鋼結構的承載能力來說，就容易產生相應的主梁的斷裂、下撓的事故。

1.3 大車碰撞軌道端部止檔工況

按照額定速度的起重機大車在大車軌道進行行駛，這是常規設計，其中，大車端部限位和端部止檔裝置都在軌道的兩端設置，對于正常工況來說，大車端部限位由于在行駛端部而被碰觸，這樣大車在行駛過程中就是產生大車驅動電機失電的情況，制動器下閘，這樣就會造成大車減速乃至出現停止，所以，大車緩沖器在正常情況下則應該不會碰到端部止檔裝置。但是，如果大車電機失速，或者存在失效的限位裝置，這樣就會按照大于額定的速度行駛，造成大車緩沖器將撞到端部止檔裝置的情況出現，使得起重機的脫軌和傾覆有可能，造成起重機支腿的失穩問題。

1.4 臺風下防風抗滑裝置失效工況

臺風襲擊非工作狀態的起重機，對于失效狀態的防風抗滑裝置來說，在臺風作用下，致使起重機沿著軌道滑行，由于從靜止到加速變得越來越快，存在一定的脫軌和傾覆可能，應該重視對于此工況下的防風抗滑裝置的重要性。

1.5 歪拉斜吊工況

歪拉斜吊在實際情況中確實存在，盡管這是種野蠻作業行為，屬于違規操作，但由于周圍環境所限，也經常出現這類工況，一般來說，主梁在常規設計下而具有加強的承受垂直方向載荷的能力，但承受的載荷在水平方向上比較弱，所以，起重機主梁水平載荷的承受能力也就通過考察歪拉斜吊作業進行。

1.6 吊物碰撞支腿工況

對于吊運超長工件的情況下，由于起重機的鋼絲繩存在旋轉等因素，受外力的作用下，使得支腿和工件易發生干涉，使得失穩情況容易發生，造成整機倒塌的可能性增加。

2 有限元應力分析及安全性評價

為了得到在特殊危險工況下的起重機的各構件之間真實的作用力的變化情況，這里通過虛擬樣機動力學進行理論上的分析，分析得到的最不利的作用力輸入到有限元模型中，在特殊危險工況下，使得起重機的各構件的最大應力和最大變形能夠獲得。可以有效判斷上述各種工況下的極限承載能力[4]。其中，在工況1中，通過起重機的Mises應力云圖分析，得到施加載荷一邊的主梁與支腿交接處的最大Mises應力為120.2 MPa，相比于門式起重機金屬結構的許用應力，能夠滿足起重機的強度要求。通過分析垂直方向的變形云圖，可以得到，主梁最右端為變形最大點位置，其中，最大垂直靜撓度為24.8 mm，根據要求，能夠滿足允許撓度32.5 mm之內。

利用有限元分析上述六種特殊危險工況下的起重機力學性能，通過主要的仿真結果，可以得到下述結論：

對于工況一，懸空靜止狀態下的吊重出現突然脫落情況下，吊重較重情況下，造成吊重載荷在突然卸載后變為零，考慮到門式起重機結構彈性變形存在比較強烈的反彈作用，這樣就會對于比較大的相互作用力產生在主梁和小車之間，也就是的比較大的撓度和盈利出現在門式起重機結構中。經過分析，相比于滿載靜態吊重狀態，此時最大應力水平為其1.8倍；大車車輪抬起脫離軌道往往也由于強烈的反彈的作用。在這種的吊重突然脫落狀態下，起重機處于非常危險狀態。

對于工況二，緊急制動針對突然失控已經高速下落的吊重而實施，這具有一定的危險性。非常大的沖擊力會在高速緊急制動狀態下產生。根據本文模擬工況，得到小車車輪作用力/鋼絲繩作用力的動載系數分別為5.3/6.2，經過分析，起重機中的最大應力和撓度遠遠大于允許值，這樣肯定存在強度破壞的作用。

對于工況三，如果發生軌道端部止擋和快速運行的門式起重機的撞擊，將會產生非常危險的情況，相比于材料強度極限，門式起重機結構中會受到大于此極限強度的應力作用，造成起重機大車車輪有抬起的情況。

對于工況四，考慮到特大臺風的作用，以及門式起重機大車車輪與軌道的摩擦力有一定的局限性，在失效的防風裝置狀態下，不可避免出現逐步加速、打滑滑行的情況。這就造成一定的危險狀態，使得高速碰撞軌道端部止擋而產生起重機的結構強度破壞。

對于工況五，門式起重機在斜拉吊重進行仿真分析，經過計算，其結構強度、抗傾覆穩定性、剛度等都在安全系數范圍內，但是，經過計算屈曲穩定系數高達1.29，則較為接近臨界值1.33，使得主梁的水平穩定存在一定影響，應該盡量避免。

3 結語

該文主要分析在特殊危險工況下的起重機的安全性能，通過的虛擬樣機動力學分析以及有限元的數值模擬的應力分析方法，指出在設計和使用起重機結構中需要注意的問題，是一種切實有效的方法，能夠對于起重機結構的安全性進行綜合全面的分析。

參考文獻

[1] 楊海明，秦義校，張超，等.鑄造起重機橋架結構分析與局部改進[J].太原科技大學學報，2012，33（1）.

[2] 甄漢軍.變頻橋式起重機安全性能分析[J].電力安全技術，2010，12（7）.

[3] 吳麗萍.塔式起重機安全裝置的性能分析[J].山西機械，2003（2）.

[4] 王剛，胡斌，黃亞宇.某車載起重機吊臂剛柔耦合系統動態性能分析[J].新技術新工藝，2012（10）.endprint