動(dòng)臂式塔式起重機(jī)變幅籠頭脫落原因分析

□ 馬小明 □ 劉 萃

華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640

1 事故情況

動(dòng)臂式塔式起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)起重臂仰角在10°～87°間變化[1],從而改變吊鉤的幅度,適用于空間狹小的吊裝施工現(xiàn)場(chǎng)。動(dòng)臂式塔式起重機(jī)相比其它類型塔式起重機(jī),受風(fēng)載荷影響更大[2]。因此,對(duì)動(dòng)臂式塔式起重機(jī)構(gòu)件連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造安裝和使用維護(hù)工作應(yīng)給予足夠重視[3-4]。

深圳某工地動(dòng)臂式塔式起重機(jī)于2018年5月二次安裝,2018年9月超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”過境后,發(fā)生了起重臂墜落事故。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該動(dòng)臂式塔式起重機(jī)變幅籠頭解體脫落,使相連的臂架失去約束,繞臂端回轉(zhuǎn)墜落。事發(fā)時(shí)起重臂仰角約為48°,處于空載狀態(tài)。由于周邊場(chǎng)地復(fù)雜,事故后在現(xiàn)場(chǎng)未找到滑輪軸。

2 工作原理分析

變幅籠頭處滑輪組與塔頂上滑輪組通過變幅鋼絲繩組合成動(dòng)定滑輪組,連接梁通過兩條拉索與起重臂尖相連,從而以較小的力驅(qū)動(dòng)變幅動(dòng)作。起重臂的角度變化通過卷繞或釋放鋼絲繩實(shí)現(xiàn)。變幅籠頭結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由前端連接梁和后端滑輪系統(tǒng)等組件通過銷軸相連?；嗇S上承載軸承、滑輪等部件,變幅籠頭整體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

▲圖1 變幅籠頭結(jié)構(gòu)

彎曲變形的滑輪架如圖2所示?；喖苌蠈?duì)稱的左右側(cè)板存在明顯的彎曲變形,右側(cè)板較左側(cè)板彎曲變形更大。右側(cè)擋桿彎折,用于連接右側(cè)板與右側(cè)擋桿的一根固定螺栓已折斷,且折斷后的螺栓仍留在螺栓孔內(nèi),對(duì)應(yīng)的右側(cè)擋桿上的螺栓孔部分被剪斷。

▲圖2 彎曲變形的滑輪架▲圖3 滑輪架模型▲圖4 側(cè)板相對(duì)位移變化量

滑輪架模型如圖3所示。左右側(cè)板位于YZ平面,沿Z軸方向每隔20 mm取點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)位移測(cè)量。兩側(cè)板測(cè)量點(diǎn)沿X軸、Y軸方向的相對(duì)位移變化量如圖4所示,ΔX為X軸方向相對(duì)位移變化量;ΔY為Y軸方向相對(duì)位移變化量。

▲圖5 損壞的支架

在X軸方向上,兩側(cè)板在Z小于140 mm時(shí)無位移變化,即無彎曲變形。Z為140 mm對(duì)應(yīng)吊耳下端。Z大于140 mm時(shí),右側(cè)板位移變化量均明顯大于左側(cè)板,最大值為320 mm,對(duì)應(yīng)Z為440 mm。

在Y軸方向上,兩側(cè)板位移變化接近且較小,最大值為29 mm,對(duì)應(yīng)Z為540 mm。

兩側(cè)板主要沿X軸方向,即變幅平面的垂直方向發(fā)生彎曲變形,有大位移變化和扭轉(zhuǎn),右側(cè)板變形程度比左側(cè)板大。

損壞的支架如圖5所示。由現(xiàn)場(chǎng)情況可見,支架存在多處明顯的彎扭變形。支架垂直拐角過渡處為擋桿受力薄弱部位,右側(cè)因彎曲存在明顯開裂?；嗇S上裝配構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)散落,與滑輪軸配合的滑輪架兩側(cè)板變形嚴(yán)重,說明變幅籠頭解體與滑輪軸的脫落密切相關(guān)。

▲圖6 高溫?zé)齻麉^(qū)域宏觀形貌

3 痕跡分析

3.1 軸承痕跡

變幅籠頭的兩個(gè)滑輪墜落在不同位置,軸承仍與滑輪保持配合。圓柱滾子軸承型號(hào)為NJ226,軸承外圈隨滑輪旋轉(zhuǎn),內(nèi)圈固定在滑輪軸上,軸承承受較大的徑向載荷。滾子和外圈滾道高溫?zé)齻麉^(qū)域的宏觀形貌如圖6所示。滾子燒傷區(qū)域呈深黑色,無金屬光澤,沿滾動(dòng)方向呈帶狀分布。滾子燒傷程度不一,1號(hào)至3號(hào)滾子燒傷位置接近端面,4號(hào)至6號(hào)滾子燒傷位置沿軸向呈帶狀分布。除1號(hào)滾子外均出現(xiàn)大小不一的剝蝕坑,有明顯凹坑和材料剝落痕跡。6號(hào)滾子傷痕端部呈火花狀,屬于打滑蹭傷的形貌特征[5]。外圈滾道局部存在燒傷痕跡和帶狀覆蓋物,與滾子接觸表面痕跡一致,表明兩者發(fā)生了材料粘結(jié)轉(zhuǎn)移。

滾子和外圈滾道高溫?zé)齻麉^(qū)域的微觀形貌如圖7所示。滾子燒傷區(qū)域存在蜂窩狀剝落坑和麻點(diǎn),坑內(nèi)分布淡黃色顆粒物,非燒傷區(qū)域可見細(xì)小劃痕與凹坑。外圈滾道燒傷區(qū)域可見局部材料粘結(jié),以層狀覆蓋在表面,覆蓋層凹凸不平。

經(jīng)測(cè)量,軸承尺寸符合GB/T 283—2007《滾動(dòng)軸承 圓柱滾子軸承 外形尺寸》[6]要求,兩側(cè)滾子直徑平均值接近,磨損程度相近。軸承的燒傷情況表明,軸承在運(yùn)行過程中存在劇烈滑動(dòng)等異常工況,由于滑輪側(cè)翻,瞬時(shí)產(chǎn)生的壓力使軸承表面發(fā)生高溫氧化,從而呈現(xiàn)燒傷特征。

3.2 磨損痕跡

磨損痕跡主要集中在滑輪軸與左側(cè)板孔間和滑輪與滑輪架間,左側(cè)板磨損痕跡如圖8所示。左側(cè)板軸孔內(nèi)端面靠外側(cè)暴露出滑輪架的原始藍(lán)色涂層,寬度為12 mm,右側(cè)板軸孔內(nèi)表面無該特殊痕跡。側(cè)板實(shí)際厚度為20 mm,而配合痕跡僅有8 mm,存在滑輪軸與軸孔配合尺寸不足的問題。

變幅籠頭滑輪質(zhì)量達(dá)到73 kg,在快速脫落的過程中,滑輪表面的黃色涂層在滑輪架上形成了明顯的磨損痕跡。左側(cè)板內(nèi)端面軸孔下方位置對(duì)應(yīng)滑輪外邊緣底端,存在兩處平行的摩擦痕跡,沿軸向自底端指向軸孔。

這一痕跡表明,滑輪脫離時(shí)向右側(cè)板傾斜,左側(cè)滑輪外緣底部與左側(cè)板率先發(fā)生接觸和摩擦。

▲圖7 高溫?zé)齻麉^(qū)域微觀形貌

4 事故原因確認(rèn)

發(fā)生事故前,深圳遭受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊。根據(jù)深圳氣象局相關(guān)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn),最大風(fēng)速達(dá)52.7 m/s,風(fēng)速超過設(shè)計(jì)風(fēng)速,且持續(xù)時(shí)間達(dá)20 h[7]。動(dòng)臂式塔式起重機(jī)非工作狀態(tài)下最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為42 m/s,設(shè)計(jì)風(fēng)壓為1 102 Pa。動(dòng)臂式塔式起重機(jī)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)[8],超出設(shè)計(jì)級(jí)別的風(fēng)載荷會(huì)造成動(dòng)臂式塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)變形,反復(fù)振動(dòng),連接螺栓自松弛等[9]。

滑輪軸的防脫設(shè)計(jì)采用單邊螺栓固定和雙邊軸端擋板支承的方式,單邊螺栓設(shè)計(jì)使用普通螺栓,未能滿足GB/T 5031—2019《塔式起重機(jī)》中銷軸要有可靠軸向定位的要求[10]。

當(dāng)側(cè)板固定側(cè)螺栓緊固失效時(shí),動(dòng)臂式塔式起重機(jī)的工作載荷與非工作載荷對(duì)塔身造成晃動(dòng)、振動(dòng),均可能導(dǎo)致銷軸發(fā)生軸向偏移,進(jìn)而導(dǎo)致與之緊密配合的滑輪因間隙與滑輪軸產(chǎn)生角度偏移,產(chǎn)生的附加軸向力引起滑輪架側(cè)板彎曲變形。

滑輪軸防脫落裝置通過單邊螺栓固定實(shí)現(xiàn)。按原設(shè)計(jì)方案,防脫螺栓固定在左側(cè)板,而實(shí)物在右側(cè)板,防脫螺栓位置與設(shè)計(jì)不符。

當(dāng)滑輪軸被防脫螺栓鎖死后,考慮滑輪軸兩端倒角,與固定右側(cè)板軸孔設(shè)計(jì)配合長(zhǎng)度應(yīng)為17±1 mm,與非固定左側(cè)板軸孔設(shè)計(jì)配合長(zhǎng)度應(yīng)為17 mm,軸孔配合總長(zhǎng)度為34 mm。非固定左側(cè)板軸孔測(cè)量壓痕長(zhǎng)度為8 mm,即滑輪軸與軸孔的實(shí)際配合長(zhǎng)度僅為26 mm。配合痕跡與軸孔表面界限清晰,表明滑輪架兩側(cè)板彎曲變形長(zhǎng)期存在,兩側(cè)板間軸向間距大。兩側(cè)滑輪軸端擋板雖然可以防止軸從軸孔脫出,但是不能避免軸從兩側(cè)板內(nèi)間隙脫落。一旦固定側(cè)板防脫螺栓失效,在軸支承不足的情況下,滑輪軸掉落的風(fēng)險(xiǎn)比較高。

▲圖8 左側(cè)板磨損痕跡

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上分析,滑輪軸脫落是變幅籠頭系統(tǒng)解體脫落的直接原因。防脫螺栓在長(zhǎng)期使用中緊固作用失效,滑輪軸發(fā)生軸向偏移,軸上構(gòu)件配合間隙增大,附加軸向力使滑輪架兩側(cè)板彎曲變形,導(dǎo)致軸孔配合長(zhǎng)度不足的滑輪軸從兩側(cè)板間脫落,籠頭系統(tǒng)解體脫落,起重臂墜落。

由于變幅籠頭前后端均為柔性繩索連接,懸空高度比起重臂高,日常巡檢宏觀檢查難以實(shí)施,加之日常維修保養(yǎng)與臺(tái)風(fēng)復(fù)工檢查中未能有效發(fā)現(xiàn)變幅籠頭異常狀態(tài),造成了事故發(fā)生。從安全管理實(shí)際出發(fā),對(duì)變幅籠頭制定有針對(duì)性的維修保養(yǎng)制度,特別要保證滑輪軸端面防脫螺栓的可靠性。動(dòng)臂式塔式起重機(jī)屬于多構(gòu)件連接結(jié)構(gòu),連接緊固件的可靠性關(guān)系到整體安全性,應(yīng)在動(dòng)臂式塔式起重機(jī)全生命周期內(nèi)增加對(duì)連接件的檢查與保養(yǎng),避免連接件失效事故再次發(fā)生。