動載荷對塔式起重機的危害及防止對策

王繼東,楊海鵬,孫海玲

(鄭州工程技術學院 土木工程學院， 河南 鄭州450044)

塔式起重機(以下簡稱塔機)是一種工程建設必備的重要設備，廣泛應用于水利、電力、冶金、化工、民用建筑以及一帶一路等工程建設中。由于現代化建設的迅猛發展，我國的塔機保有量穩居全球第一。與此同時，每年塔機的事故數量也屬全球最高，雖然國家把塔機列為特種設備，對其制造、加工和使用環節嚴加管控，塔機的安全事故依然居高不下。塔機的安全事故，不僅造成塔機結構的嚴重損壞，影響工程建設的進度，還嚴重威脅著施工人員的生命安全。因此，如何避免塔機安全事故，保證塔機的使用安全，始終都是國家安全管理部門和塔機技術人員一直關注的重要課題[1]。本文從塔機的結構特點出發，分析了塔機構件損傷和整機傾覆事故的原因，認為動載荷的作用是引起塔機構件損壞，導致傾覆事故的主要因素，并給出減少動載荷危害，防止傾覆事故發生的相應對策。

1 塔機的結構特點及傾覆事故的原因分析

塔機按變幅方式分為小車變幅式和動臂變幅式；按塔機能否行走，分為行走式和固定式。圖1和圖2是兩種具有代表性的固定式塔機，也是工程建設中最為常見的塔機機型。塔機主要由固定基礎、塔身、回轉機構、升降機構、平衡臂(或機臺)、起重臂、起重小車(或動臂變幅機構)、塔頂、司機室、頂升機構、引進小車和電氣控制系統等部件組成。

圖1 小車變幅式塔機示意圖

圖2 動臂變幅式塔機示意圖

從塔機的結構組成可以看出，塔機構成的主要特點是：①由較多的鋼結構部件組成；②鋼結構部件主要通過焊接加工而成；③結構部件之間主要通過銷軸或高強螺栓連接；④塔身的高度較高；⑤起重臂的長度較長。另外，塔機還具有重復、間歇、循環、起(制)動頻繁的作業特點，以及長期工作于戶外、作業環境惡劣的環境特點[2]。

通過對多年的塔機事故案例分析發現，塔機最常見的事故是塔機傾覆、起重臂折斷、塔身折斷、機構損壞等等[3]。其中，塔機傾覆危害非常大，不僅影響工程建設的工程進度，還常常伴有機毀人亡。引起塔機事故的因素很多，塔機結構較為復雜、連接點較多，操作人員的違規超載、超行程、超級別、超風速及超低溫使用，以及安裝、拆卸不規范、作業環境惡劣等等。既有人為的因素，也有自然因素，但其實質就是這兩類因素引起了塔機承受載荷的較大變化，造成塔機零部件上的一些應力較大或存在缺陷的區域損傷和撕裂或導致塔機結構疲勞破壞。有關研究表明塔機的動載荷在塔機的一個工作循環中均可能存在。統計表明，約90%的結構損壞是因疲勞引起[4]。由于塔機結構特點、工作特點和環境特點的特殊性，在塔機工作時，作用在塔機上的載荷除常規的靜載荷之外，還存在著許許多多動載荷的作用，因此要避免傾覆事故的發生，降低塔機動載荷的影響至關重要。

2 塔機動載荷種類及其危害

動載荷，就是隨時間急劇改變的載荷。對塔機而言，動載荷主要有慣性載荷、振動載荷和沖擊載荷三種形式[5]。動載荷的劇烈變化，會引起塔身結構的動態響應，較大的動態響應會造成塔機構件的損壞。

2.1 塔機的慣性載荷

慣性載荷是在加速度作用下產生的與結構質量相關的一種載荷。塔機的慣性載荷，包括各機構的起(制)動過程中的慣性載荷、塔機各旋轉部件及起吊物品在旋轉時產生的慣性載荷。因塔機操作人員錯誤操作或違規操作,引起的起(制)動過猛,越級換擋或者機構調速失效都會產生較大的慣性載荷。尤其是起重臂較長的塔機，轉動慣量較大，在其旋轉時，快速打反車或突然剎車時,將會產生風險很大的慣性載荷,引起鋼結構焊縫開裂，導致起重臂或回轉機構的損壞，嚴重時，會導致傾覆事故。塔機升降機構工作時，快速打反擋、快速換擋或緊急停車也會造成慣性載荷過大，反復作用的慣性載荷會引起鋼絲繩脫槽或斷裂，引起塔機失穩發生傾覆事故。

2.2 振動載荷

振動載荷是在短時間內以很大的速度作用于構件上的載荷。對塔機而言，塔機整體結構可以看成一個彈性系統,當升降機構驟然加(減)載時,會引起塔機的彈性振動,從而產生巨大的振動應力,相應于該應力的載荷屬于振動載荷。振動載荷對塔機的疲勞強度有較大影響，振動載荷具有反復性和峰值較大的特點，常常會引起塔機脆弱的節點疲勞損壞。[6]筆者曾參加過數十次塔機安裝調試工作，對此深有體會。在滿載吊起或放下重物的瞬間，整個塔身會出現振幅巨大的反復顛簸震蕩，機臺上的工作人員幾乎無法站立和行走。這種周期性強、振幅很大的震動載荷對塔身結構危害巨大，長時間出現會導致塔身焊縫或有缺陷的桿件斷裂，引起塔機失穩，導致傾覆事故。在研究塔機傾覆事故案例時發現，有不少事故案例是由于塔機起吊物品捆扎不牢，在起吊過程中物品突然滑脫，也就是驟然減載所引起的。還有一些案例是由于塔機起升卷揚機構過卷或冒頂,導致塔機突然加載引起的。

2.3 沖擊載荷

在很短時間內以很大的速度作用于構件上的載荷稱為沖擊載荷。沖擊過程實質上就是沖擊動能轉變為塔機彈性體的變形位能，并使塔機產生反復振動的過程，反復的振動會使塔機產生巨大的應力尖峰。比如，在塔機進行提升物品操作時，如果起升鋼絲繩處于松弛狀態，突然把物品以較高的速度提升離地,就會引起很大的沖擊載荷。過大的沖擊載荷，會使塔身反復振動，垂直度超差過大，致使塔身重心產生巨大偏移,造成塔機失穩，引發塔機的傾翻。另外對于軌道移動式塔機而言，當塔機大車行走通過軌道接頭時，如果接頭處縫隙過大，軌面高差超限，也會產生很大沖擊載荷，嚴重時，會導致塔機行走臺車脫軌，引起傾覆事故的發生。

3 減小動載荷對塔機危害的措施

綜上所述，塔機動載荷過大，會導致塔機構件的疲勞破壞，造成塔機傾覆。動載荷是引發塔機傾覆事故的重要因素。由于塔機的結構、作業及環境特點比較復雜，動載荷的產生是必然存在的，因此在塔機設計時，采取措施提高塔機抗疲勞、抗屈曲和抗傾覆的能力，在塔機使用時，采取先進的控制手段減小塔機動載荷的影響，對避免塔機疲勞破壞和塔機傾覆事故是非常有必要的。多年實踐表明，也是行之有效的。

3.1 充分考慮動載荷的影響以提高塔機抗疲勞、抗傾覆的能力

在塔機設計過程中，尤其是進行承載能力驗算、防屈服、防疲勞，防彈性失穩抗及傾覆穩定性驗算時，應充分考慮在塔機作業時可能出現的各種動載荷的影響，一般是通過乘以一個動載系數的方式加以考慮。依據塔機的結構特點，在設計驗算時主要考慮以下幾種動載荷的影響。

3.1.1 與塔機的升降過程相關的動載荷

該類動載荷主要考慮以下三種：自重振動載荷、起升動載荷和卸載動載荷。

(1)自重振動載荷

在起吊載荷突然離開地面時，或者突然部分或全部卸除載荷時，以及在下降過程中突然制動停車時,塔身自重將因出現震動而產生脈沖式增大或減小的動力響應，稱之為自重振動載荷。在進行載荷計算時應加以考慮，該振動載荷的大小用塔機自重FG(其中鋼絲繩的質量按起升高度的50%計算)乘以起升動載系數φ1來取得。為反映該振動載荷的上下限，φ1一般在0.9～1.1之間選取[7]。

(2)起升動載荷

在塔機起升載荷突然離開地面傳動機構加速時，將會引起塔機結構的動力效應。在計算這種工況的載荷時，可用起升動載系數φ2乘以額定起升載荷FQ(包括起吊物品的質量、吊具質量及鋼絲繩的質量，其中鋼絲繩的質量按起升高度的50%計算)。

φ2的大小與起升速度有關，可通過公式(1)進行計算[8]，一般在1～1.25之間。

φ2=1+0.35V

(1)

式中：V——載荷的起升速度(m/s)；

(3) 卸載動載荷

在塔機正常作業時，如果在空中突然卸除全部載荷或部分載荷，或者起吊物品因固定不牢而滑脫，由于載荷的突然變化，會對塔機的結構產生減載振動作用，這種作用對塔機的結構和抗傾覆穩定性具有嚴重影響，因此應加以考慮。減載后的起升載荷的大小用塔機的額定起升載荷FQ乘以卸載動載系數φ3來計算[9]，卸載動載系數φ3可按公式(2)計算選取。

φ3=1-1.5 △m/m

(2)

式中:m——總起升質量(kg)；△m——卸除部分的質量(kg)；

3.1.2運行動載荷的計算

因行走機構和回轉機構的起(制)動或運行中碰到障礙物引起的動力效應，稱為運行沖擊載荷。它包括行走慣性載荷和回轉離心力載荷。

(1)行走慣性載荷

塔機或起重小車在軌道上行駛時，由于軌道的接頭間隙和軌面的不平整而產生的垂直方向的沖擊效應，稱為行走慣性載荷。其大小可按公式(3)計算。

FH=1.5(FG+FQ)×φ4

(3)

式中:φ4——運行沖擊系數(當運行速度≤1m/s，φ4取1.1；當運行速度>1m/s，φ4取1.2);

(2)塔機回轉時的離心力[10]

塔機在做回轉運動時，各旋轉部件和起吊物品會產生離心力，離心力的大小，可用這些部件的質量、回轉速度及部件質心的回轉半徑來計算，懸掛的總起吊載荷可看成與起重臂端部的剛性連接,總起升載荷和部件的離心力均按最不利的位置進行計算。在計算離心力時φ5取為1。一般情況下，離心力對結構起減載作用。

(3)加(減)速動載荷[11]

當傳動機構加(減)速、意外停機或機構突然失效時，承載結構或機構所受到的載荷，可通過剛體動力學方法進行計算。計算時，假定總的起吊載荷固定于起重臂架的端部或直接懸置在于變幅小車的下方。為了反映塔機在加(減)速過程中，彈性振動使載荷增大的影響，可用按公式(4)來計算加(減)速動載荷F。

F=Fω+φ5×△F。

(4)

式中：φ5—— 動載系數，Fω——加(減)速前的載荷，△F——驅動力(或制動力)引起的載荷變化值。

φ5的值與傳動機構的驅動力(或制動力)的變化、系統的剛度、質量的分布及鋼絲繩懸掛位置有關,其范圍是: 1≤φ5≤2。

當驅動力(或制動力)的變化比較平穩時，φ5取較小的值; 當驅動力(或制動力)的變化比較劇烈時,φ5取較大的值，具體取值可參考起重機設計手冊。

3.2 編制嚴格的操作規程

從上述對塔機的結構特點及傾覆事故的原因可知，大部分塔機安全事故是由于操作者不規范或違規操作造成的。有關研究報道，在塔機安全事故中，因操作人員違章操作引起的事故占比80%[12]。因此，要避免塔機因過大的動載荷、周期動力效應引起的疲勞破壞和塔機傾覆，必須規范操作人員的操作行為。除塔機使用單位建立嚴格的規章制度、加強技術培訓外，塔機設計單位必須在塔機使用說明書中編制嚴格安全操作規程、操作程序、安裝流程和注意事項，禁止操作人員的超載、超幅度、超風速和超低溫等違章作業，禁止快速換擋、突然打反檔、頻繁急停車等違章操作。另外，力矩限制器故障或損壞、起吊噸位和工作幅度不能明確顯示時，也應禁止操作。安裝調試、拆卸、儲存及運輸時都應有嚴格的技術要求和安全注意事項。

3.3 采用先進的自動化控制和調速手段減小動載荷的大小

由于操作人員的素質參差不齊，技術能力各有不同，施工現場的實際情況也在不斷變化，要完全靠操作人員的規范操作來避免動載荷的危害有一定的難度。因而，提高塔機的自動化控制水平是提高塔機安全可靠性的必然要求。隨著PLC技術和變頻調速技術在塔機制造行業中的廣泛應用，合理地利用PLC的控制功能和變頻器的調速功能，可以減少或避免因人工操作而出現的失誤，從而更好地降低動載荷對塔機的危害。在塔機電氣控制系統設計中，建議增加以下自動控制環節。

(1)為杜絕在塔機作業時，人為解除力矩限制器和大風報警器的違章行為，在電氣控制系統中，增加力矩限制器和大風報警器的狀態檢測環節，一旦發現力矩限制器和大風報警器被關掉或旁路，應能自動切除具有安全風險的操作電路。

(2)在塔機的工作半徑或運行距離控制電路中，增設冗余控制環節。即一個開關失效后，另一個開關自動投入，自動避免塔機超行程或超范圍作業。

(3)合理采用變頻器的加(減)速時間控制功能，實現傳動機構的自動加(減)速，使塔機各機構能夠軟啟動、軟制動和平滑切換檔位，有效降低因驅動速度的突變引起的動載荷。

(4)采用變頻器的力矩校驗功能來控制制動器的打開與關閉，確保機構起動時首先消除傳動構件之間的間隙，然后再打開制動器。在機構制動狀態，減速到設定的力矩值時再關閉制動器，以解決傳動系統的軟起(制)動功能和準確停車之間的矛盾，既能實現軟起(制)動功能，降低塔機起(制)動動載荷的大小，又能保證塔機的準確停車。

(5)增加延時控制環節和正常停車與緊急停車的互鎖環節，以消除快速打反檔產生的危害。即使操作人員因操作失誤打錯了速度擋位，塔機也必須經過正向降速—停車—反向加速的過程，從而消除了快速打反擋產生的速度突變。

(6)采用變頻器力矩校驗功能，減小升降機構在起吊地面重物時因鋼絲繩過于松弛引起的起升動載荷危害。通過檢測電動機輸出力矩的大小，使鋼絲繩逐漸拉緊,起吊物品逐漸受力而提起，從而有效減小或消除起升過程中的動載荷。

(7)增加風速控制、溫度控制及操作頻度與電氣控制系統的連鎖控制功能。當風速超過設計風速、溫度超過允許溫度，或操作頻度超過塔機工作級別時，停止具有安全風險的機構操作，從而消除大風、低溫或超工作級別造成的塔機損壞。

(8)在容易產生應力集中或者有缺陷的結構節點，預置傳感器或后期貼片實時監測應力的變化，并通過置于操作室內的計算機安全監控系統實時監控。當應力超過設定值時，發出聲光報警，警示操作人員及時排除安全隱患，保證塔機的安全運行。

4 應用實例

筆者從2003年開始先后參與研發設計了不同型號的塔機近百臺，其中超大型塔機有三種型號，FZQ2000型塔機20臺、FZQ2400型塔機20臺、MQ300t型塔機1臺，在塔機設計中均采用了上述措施，產生了很好的效果。經過 17年的應用表明，41臺塔機均實現了無振動、無沖擊平穩的可靠運行，故障率比傳統塔機大幅度降低，無一臺塔機發生大的構件損毀，無一臺塔機發生傾覆事故。目前這些塔機分布在全國各地，仍然在不同的水利、電力、冶金和港口等國家重點工程中發揮著重要作用。三種型號的塔機深受工程建設單位的青睞。這三種重型塔機的研發，均獲得了省部級科技進步獎。具體應用情況如表1所示。

表1 三種重型塔機使用情況匯總表

5 結語

本文基于作者數十年塔機設計、安裝、調試及事故分析經驗，提出動載荷是塔機發生傾覆事故的主要因素，分析了各種動載荷對塔機的危害，并從載荷計算、操作使用、自動控制三方面給出了降低動載荷對塔機的危害和防止傾覆事故發生的綜合應對策略。多年的應用實踐表明，這些措施都是行之有效的。同時應當指出，由于塔機結構復雜、工作環境惡劣、操作者素質參差不齊，分析和解決塔機安全問題時，不能頭疼醫頭，腳痛醫腳，應把塔機的機械、結構、電氣控制看成一個整體，進行系統的分析研究，才能更好地解決塔機的損傷和傾覆事故。尤其是應用先進的自動化和信息技術來輔助解決塔機的結構疲勞和傾覆事故問題，是一個重要的發展趨勢。