固定式起重机动力学建模与事故工况分析

张建坤，郑伟，张世阔，徐金海，吕正锐

（1.杭州市萧山区质量计量监测中心，浙江 杭州 310000；2.杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 3100030

固定式起重机动力学建模与事故工况分析

张建坤1，郑伟2，张世阔2，徐金海2，吕正锐2

（1.杭州市萧山区质量计量监测中心，浙江 杭州 310000；2.杭州市特种设备检测研究院，浙江 杭州 3100030

固定式起重机作为常见大负荷提升设备广泛应用于各个工业领域。针对固定式起重机常见事故工况，以某型号固定起重机为原型建立了对应的有限元模型，得到了其在满荷条件下的应力分布与动力学特性，并在额定载荷下进行了分析，做出了变幅机构低速联轴器螺栓应力分布。介绍了某企业固定起重机起重臂下坠事故案例，参考事故现场调研结果与有限元模型分析结论，对该型号起重机变幅机构低速端联轴器进行了校核计算，分析了事故原因，并给出了相应的对策与建议。

固定起重机；动力学建模；事故工况

固定式起重机作为常见大负荷提升、搬运设备广泛应用于建筑、物流、交通、钢铁、采矿、机械等领域。随着工业生产规模的不断扩大，对于固定式起重机的技术要求日益提高。

固定式起重机在其使用过程中，由于过载、操作不当、制造缺陷等问题，经常出现起重臂弯曲、断裂等事故，以致造成不同程度的经济损失，甚至人员伤亡。为此相关生产厂家与研究院所不断投入研发力量对产品进行改进、优化，以期降低固定起重机的故障率。陈君等人分析了建筑工地使用较普遍的固定基础式塔机，在使用过程中发生事故的类型及产生的原因，对解决频繁发生的塔机事故提出了自己的看法及其预防措施。刘东等人通过对固定式起重机的重要结构件进行应力测试，获得结构件的应力应变分布规律及应力集中状况，检验结构的强度储备，进而验证结构的合理性。冯建平等人建立了一个可直接计算的固定式起重机整体结构有限元仿真模型，可实现固定式起重机在多工况作业下更真实的运动仿真和关键结构强度校核。王继源等人对臂架型起重机的不同点进行了分析，对其检验的重点进行了探讨，并提出了可保证臂架型起重机安全运行检验方法。

随着工程计算技术的不断发展，有限元分析(FEA)技术已经获得广泛应用，并体现出较大的技术优势。因此，本文将有限元分析技术引入到固定式起重机事故工况分析中，建立了固定式起重机有限元模型，得到了其在满荷条件下的应力分布与动力学特性，并完成了相关校核验证与讨论分析。

1 动力学模型

本文以某型号固定起重机为原型，其基本技术参数如下：最大起重量5t，最大起重力矩75t·m，变幅幅度5．58～15．78m，起升高度16．23m，下放深度5m,工作级别A5，吊具为抓斗，变幅机构速度19m/min，电机功率22kW，转速715r/min，减速比48．57，变幅机构高速联轴器为十字轴式万向联轴器加带制动轮联轴器，低速联轴器为螺栓联轴器（凸缘联轴器）。

针对上述对象，基于动力学平衡理论与有限元计算方法，建立其有限元动力学模型。网格划分采用四面体与六面体相结合方式，在起重臂根部、联轴器螺栓、连接钢绳、起重吊钩等应力易于出现集中的地方，采用六面体3倍加密来获取更为精确的力学分布特征。计算过程中，差分方法采用迎风差分方式，并引入松弛因子提高收敛速度，在此基础上完成了网格无关性验证，保证本模型的适用性。基于上述模型，可以得到固定起重机在不同载荷下的应力分布。

在对模型施加额定负荷的情况下，可以发现其中吊臂整体应力分布比较均匀，在有效服役期限内出现故障的概率较低；变幅机构处应力出现集中，其中低速端尤为明显。针对上述情况，对变幅机构低速端联轴器螺栓受力情况进行了局部放大与后处理，如图1所示。

通过图1所示的受力情况，可以清楚看到变幅机构低速端螺栓本体应力明显集中，且在两端处出现最大值。在此种情况下，随着起重机往复吊装动作，该处螺栓易出现疲劳剪切断裂。

2 案例分析与校核验证

（1） 事故案例。2013年8月，浙江某企业一固定式起重机发生起重臂坠落事故，情况如下：事故固定式起重机起重臂下坠至河道，起重臂上端部搁于船舷上，抓斗在外侧船舷边。起重臂根部铰点一侧正常，一侧销轴轴端挡板移位，用电焊固定，一侧销轴轴端挡板移位。变幅机构卷筒钢丝绳全部被拉出，绳头未拉出；变幅机构低速联轴器（凸缘联轴器）联接螺栓全无。凸缘联轴器联接螺栓被使用单位工作人员拾得，全部被剪断，螺栓为M16(4．8级)。

图1 变幅机构低速联轴器螺栓应力分布

（2）校核验证。针对有限元模型分析结论与事故现场调研结果，对该型号起重机变幅机构低速端联轴器进行了校核计算。该型号起重机的变幅机构卷扬机低速端联轴器为凸缘联轴器，联接螺栓孔组节径D1为φ165，联接螺栓为6组M16×80螺栓（GB5782-1986）。根据凸缘联轴器国家标准(GB/T5843-2003)，对应型号为GYS8，对应公称扭矩[Tn]为3150N·m。根据起重机设计手册（2001版），联轴器根据传递的扭矩和工作条件选择：

式（1）中，T —所传递扭矩的计算值；Tt—实际使用的扭矩；[]—联轴器规格表中允许的扭矩；k1—考虑联轴器重要程度的系数；k2—考虑机构工作级别的系数；k3—考虑角度偏差的系数。扭矩的计算方法为：

若取k1=1．8，k2=1．1（M4），k3=1．25，则有T =35323N⋅m，[Tt]=[Tn]=3150N⋅m。显然T≥[Tt]，从电动机输出扭矩角度校核计算，该型号起重装卸机械厂生产的变幅机构卷扬机低速端联轴器设计强度不足，与有限元分析结果相符。

选取工况：起重臂处于最大幅度，起重臂与水平夹角30°。抓斗着地，起重机无起升载荷。根据制造单位图纸、说明书，基本参数如下：变幅钢丝绳张力S，变幅钢丝绳缠绕倍率4，起重臂整体自重G=3881kg，起重臂钢构件自重G1=3346kg，起重臂端部滑轮机构自重G2=535kg，起重臂臂长L=19292mm，对应水平长度L1=16．707m。

起重臂自重产生的倾覆力矩M臂为：

根据制造单位图纸、说明书，相关参数如下：人字架绞点高度H1=5854-200=5654mm，人字架主立杆长度L2= H1/sin81．26=5720mm，起重臂与水平夹角30°时，变幅钢丝绳力作用线与起重臂根部绞点的垂直距离L3=5172mm，卷筒直径=0．41m，S×L3=M臂，S=364513/5．172=69898N，联轴器需传递静力扭矩T1=卷筒力矩=(69898/4)×（0．41/2）=3582N·m。

联轴器需传递的设计力矩T联为：

因此，[Tt]=[Tn]=3150N⋅m，T联≥[Tt]，变幅机构卷扬机低速端联轴器设计强度不足。

3 事故原因分析

通过上述分析可知，该起重机在工作过程中起重臂频繁仰俯，起重机变幅机构卷扬机的低速端凸缘联轴器由于联接螺栓松动，螺栓与螺栓孔发生撞击造成联接螺栓依次被剪断，凸缘联轴器失效无法制停住卷筒拉住起重臂，引发起重臂在自重和载荷的作用下下坠，直至起重臂端部搁在船舷为止。事故的主原因归如下。

（1）固定式起重机变幅机构低速凸缘联轴器存在产品质量问题，设计强度不足。

（2）固定式起重机变幅机构未进行符合要求的维护保养，使用单位对低速凸缘联轴器联接螺栓松动未能发现，造成螺栓与螺栓孔之间产生撞击，引发联接螺栓被依次剪断；

（3）起重臂根部铰点轴端挡板移位，未进行合格的修理，加大了轴与支座间的阻力，增大了变幅机构的载荷。

通过上述案例分析可以发现，该型号起重机变幅机构联轴器在工作过程中易于出现故障。因此，在该类起重机操作过程中，应对联轴器进行严格检查与定期维护，以杜绝此类事故的发生。

4 结语

本文针对固定式起重机常见事故工况，基于有限元技术，建立了固定式起重机动力学模型，得到了其在满荷条件下的应力分布与动力学特性，发现变幅机构低速端联轴器存在应力集中现象。以某企业固定起重机起重臂下坠事故为案例进行了针对性分析，完成了联轴器螺栓的强度校核计算，验证了本文方法的正确性。对此类事故原因进行了分析，并给出了相应的对策与建议。

[1]陈君, 孟宪旺． 建筑工程固定式塔式起重机事故类型、原因与预防[J]． 建筑安全, 2008, 2: 10-12．

[2]刘东, 滕启斯． 500t固定式起重机的应力测试[J]． 起重运输机械, 2016, 3: 93-95．

TP391

A

1671-0711（2017）08（下）-0165-02