关于起重机在特殊危险工况下的安全性能分析

王寅

摘 要：该文结合起重机的实际使用特点，分析在特种危险工况条件下产生事故的多种原因，利用虚拟样机动力学分析以及有限元的数值模拟的应力分析方法，探讨了六种不同特殊危险工况下的门式起重机的安全性能，希望对于今后门式起重机的设计和使用具有一定帮助。

关键词：门式起重机 危险工况 安全性能 数值仿真

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0054-01

分析建筑中起重机特重大事故中可以发现，使用不当、安全装置失灵、违规操作、恶劣的气候因素则是事故的主要原因。一般情况下，起重机结构的承载能力在正常工况下则是起重机的结构设计的内容，特殊危险工况则需要考虑相应的特殊条件，在起重机设计中需要特别考虑[1]，在这方面相关的关于特殊危险工况的实验验证还存在一定空白，本文通过分析起重机制造厂使用的一台L型单主梁吊钩门式起重机，在这种门式起重机的典型事故原因分析基础上，提出了相应的存在的特殊危险工况下的安全性能评价，希望能够对于今后的该种结构型式的起重机的安全问题有所帮助。

1 特殊危险工况

该文结合起重机的实际使用特点，分析在特种危险工况条件下产生事故的多种原因，总结了下述六种特殊危险工况产生的条件[2～3]。

1.1 吊重突然卸载工况

所谓的突然卸而是包括取物装置中存在吊重的意外脱离而造成的工况，而不是电磁起重机作业、抓斗的正常卸货工况。这里分析吊重的意外脱落的情况，其原因主要包括以下几种：防脱钩装置失效、钢丝绳的断裂、诸如定滑轮支架、联轴器、减速器、电机等传动系统的失效等。在吊重的意外脱落情况下，则会产生起重机支腿失稳以及起重机整体反向倾覆的可能。

1.2 吊重自由落体后紧急制动工况

对于非正常延迟的电气故障引起的起升制动器来说，吊重在起吊情况下，制动器在电机失电无驱动力矩状态下未能够及时进行下闸，为了使得吊重自由落体后的制动器下闸，这就需要吊车司机通过一定的紧急措施。所以，这样造成的极大惯性力则是由于吊重的自由落体所致，对于起重机钢结构的承载能力来说，就容易产生相应的主梁的断裂、下挠的事故。

1.3 大车碰撞轨道端部止档工况

按照额定速度的起重机大车在大车轨道进行行驶，这是常规设计，其中，大车端部限位和端部止档装置都在轨道的两端设置，对于正常工况来说，大车端部限位由于在行驶端部而被碰触，这样大车在行驶过程中就是产生大车驱动电机失电的情况，制动器下闸，这样就会造成大车减速乃至出现停止，所以，大车缓冲器在正常情况下则应该不会碰到端部止档装置。但是，如果大车电机失速，或者存在失效的限位装置，这样就会按照大于额定的速度行驶，造成大车缓冲器将撞到端部止档装置的情况出现，使得起重机的脱轨和倾覆有可能，造成起重机支腿的失稳问题。

1.4 台风下防风抗滑装置失效工况

台风袭击非工作状态的起重机，对于失效状态的防风抗滑装置来说，在台风作用下，致使起重机沿着轨道滑行，由于从静止到加速变得越来越快，存在一定的脱轨和倾覆可能，应该重视对于此工况下的防风抗滑装置的重要性。

1.5 歪拉斜吊工况

歪拉斜吊在实际情况中确实存在，尽管这是种野蛮作业行为，属于违规操作，但由于周围环境所限，也经常出现这类工况，一般来说，主梁在常规设计下而具有加强的承受垂直方向载荷的能力，但承受的载荷在水平方向上比较弱，所以，起重机主梁水平载荷的承受能力也就通过考察歪拉斜吊作业进行。

1.6 吊物碰撞支腿工况

对于吊运超长工件的情况下，由于起重机的钢丝绳存在旋转等因素，受外力的作用下，使得支腿和工件易发生干涉，使得失稳情况容易发生，造成整机倒塌的可能性增加。

2 有限元应力分析及安全性评价

为了得到在特殊危险工况下的起重机的各构件之间真实的作用力的变化情况，这里通过虚拟样机动力学进行理论上的分析，分析得到的最不利的作用力输入到有限元模型中，在特殊危险工况下，使得起重机的各构件的最大应力和最大变形能够获得。可以有效判断上述各种工况下的极限承载能力[4]。其中，在工况1中，通过起重机的Mises应力云图分析，得到施加载荷一边的主梁与支腿交接处的最大Mises应力为120.2 MPa，相比于门式起重机金属结构的许用应力，能够满足起重机的强度要求。通过分析垂直方向的变形云图，可以得到，主梁最右端为变形最大点位置，其中，最大垂直静挠度为24.8 mm，根据要求，能够满足允许挠度32.5 mm之内。

利用有限元分析上述六种特殊危险工况下的起重机力学性能，通过主要的仿真结果，可以得到下述结论：

对于工况一，悬空静止状态下的吊重出现突然脱落情况下，吊重较重情况下，造成吊重载荷在突然卸载后变为零，考虑到门式起重机结构弹性变形存在比较强烈的反弹作用，这样就会对于比较大的相互作用力产生在主梁和小车之间，也就是的比较大的挠度和盈利出现在门式起重机结构中。经过分析，相比于满载静态吊重状态，此时最大应力水平为其1.8倍；大车车轮抬起脱离轨道往往也由于强烈的反弹的作用。在这种的吊重突然脱落状态下，起重机处于非常危险状态。

对于工况二，紧急制动针对突然失控已经高速下落的吊重而实施，这具有一定的危险性。非常大的冲击力会在高速紧急制动状态下产生。根据本文模拟工况，得到小车车轮作用力/钢丝绳作用力的动载系数分别为5.3/6.2，经过分析，起重机中的最大应力和挠度远远大于允许值，这样肯定存在强度破坏的作用。

对于工况三，如果发生轨道端部止挡和快速运行的门式起重机的撞击，将会产生非常危险的情况，相比于材料强度极限，门式起重机结构中会受到大于此极限强度的应力作用，造成起重机大车车轮有抬起的情况。

对于工况四，考虑到特大台风的作用，以及门式起重机大车车轮与轨道的摩擦力有一定的局限性，在失效的防风装置状态下，不可避免出现逐步加速、打滑滑行的情况。这就造成一定的危险状态，使得高速碰撞轨道端部止挡而产生起重机的结构强度破坏。

对于工况五，门式起重机在斜拉吊重进行仿真分析，经过计算，其结构强度、抗倾覆稳定性、刚度等都在安全系数范围内，但是，经过计算屈曲稳定系数高达1.29，则较为接近临界值1.33，使得主梁的水平稳定存在一定影响，应该尽量避免。

3 结语

该文主要分析在特殊危险工况下的起重机的安全性能，通过的虚拟样机动力学分析以及有限元的数值模拟的应力分析方法，指出在设计和使用起重机结构中需要注意的问题，是一种切实有效的方法，能够对于起重机结构的安全性进行综合全面的分析。

参考文献

[1] 杨海明，秦义校，张超，等.铸造起重机桥架结构分析与局部改进[J].太原科技大学学报，2012，33（1）.

[2] 甄汉军.变频桥式起重机安全性能分析[J].电力安全技术，2010，12（7）.

[3] 吴丽萍.塔式起重机安全装置的性能分析[J].山西机械，2003（2）.

[4] 王刚，胡斌，黄亚宇.某车载起重机吊臂刚柔耦合系统动态性能分析[J].新技术新工艺，2012（10）.endprint