楊敏俐 上海鐵路局科研所

臺(tái)風(fēng)引起的起重機(jī)傾翻事故原因分析及預(yù)防措施

楊敏俐 上海鐵路局科研所

通過對(duì)臺(tái)風(fēng)引起的門式起重機(jī)傾翻事故原因的分析和傾翻過程的受力分析和計(jì)算，提出門式起重機(jī)緊急防風(fēng)措施和建議。

起重機(jī)；防風(fēng)；措施

門式起重機(jī)是鐵路貨場(chǎng)廣泛使用的裝卸笨重貨物的大型機(jī)械，它的使用極大地提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是門式起重機(jī)在緊急情況下安全使用的風(fēng)險(xiǎn)不小，在臺(tái)風(fēng)季節(jié)，重達(dá)近百噸的門式起重機(jī)被吹倒報(bào)廢的事故時(shí)有發(fā)生，起重機(jī)整體傾翻事故是起重機(jī)安全事故中最嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)損失最大的事故。在門式起重機(jī)的使用和檢驗(yàn)中，門式起重機(jī)的緊急防風(fēng)措施值得重視和探討。

1 臺(tái)風(fēng)引起的起重機(jī)傾翻的事故原因分析

每年的夏、秋季節(jié)是沿海地區(qū)常常發(fā)生臺(tái)風(fēng)的季節(jié)，臺(tái)風(fēng)來襲時(shí)往往是狂風(fēng)大作，暴雨雷電交加，風(fēng)力常常達(dá)9～11級(jí)，局部瞬時(shí)風(fēng)力可達(dá)12級(jí)以上，根據(jù)風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式有：P1=V2/1600，其中P1為風(fēng)壓（kN/m2），V為風(fēng)速（m/s），由這個(gè)公式可得風(fēng)級(jí)、風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系表1。

表1 風(fēng)級(jí)、風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范上規(guī)定沿海地區(qū)起重機(jī)工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓為250N/m2（與計(jì)算風(fēng)壓相應(yīng)的計(jì)算風(fēng)速為20m/s），這就意味著按規(guī)范設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出來的起重機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)如果忽然刮起強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的話，如風(fēng)力達(dá)12級(jí)時(shí)從表1知風(fēng)壓可達(dá)800N/m2左右，這時(shí)起重機(jī)的安全就會(huì)受到極大的威脅。從已經(jīng)發(fā)生的數(shù)起緊急情況下臺(tái)風(fēng)引起的門式起重機(jī)傾翻事故中分析出門式起重機(jī)傾翻的原因是由以下一系列情況所致：

（1）由于臺(tái)風(fēng)和雷電一起來襲時(shí)忽遇停電，正在作業(yè)的門式起重機(jī)無法運(yùn)行到錨定裝置位置，導(dǎo)致錨定裝置無法正常發(fā)揮防風(fēng)作用。

（2）防風(fēng)活絡(luò)鐵鞋未正常發(fā)揮作用，有的是鐵鞋未放在車輪下、有的是鐵鞋雖然放在車輪下但沒放到位導(dǎo)致剎不住大車走行輪。還有的應(yīng)急反應(yīng)不及時(shí)，當(dāng)起重機(jī)已經(jīng)被風(fēng)吹跑起來時(shí)，再放鐵鞋也放不了，鐵鞋很容易被彈出鋼軌外。

（3）在上述情況存在的情況下，門式起重機(jī)處于緊急情況，當(dāng)起重機(jī)所受的風(fēng)力大于起重機(jī)所受的其它外力時(shí)，風(fēng)力會(huì)將門式起重機(jī)推著在軌道上滑行，會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)的傾翻。

風(fēng)力作用下四臺(tái)車四輪驅(qū)動(dòng)的門式起重機(jī)受力情況如圖1所示。

圖1 四臺(tái)車四輪驅(qū)動(dòng)門式起重機(jī)受力簡(jiǎn)圖

起重機(jī)工作狀態(tài)設(shè)定為空載、順風(fēng)、下坡運(yùn)行制動(dòng)，此時(shí)它所受的力有：

G重：起重機(jī)自身重力(N)

PZ1：起重機(jī)車輪制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器在車輪踏面上產(chǎn)生的制動(dòng)力（N）

Pα：起重機(jī)下坡時(shí)沿坡道方向產(chǎn)生的滑行力（N）由公式FP=KPG重計(jì)算，通常取Kp=0.001

PD：起重機(jī)運(yùn)行制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力（N）為起重機(jī)自身質(zhì)量和總起升質(zhì)量與運(yùn)行加速度α乘積

Pf：起重機(jī)運(yùn)行摩擦阻力（N），Pf=ωG重，對(duì)裝減摩滾動(dòng)軸承的車輪ω取0.006

PWⅡ：起重機(jī)所承受的工作狀態(tài)風(fēng)壓力（N）

N1、N1'、N2、N2'：起重機(jī)車輪所受的支承反力（N）

根據(jù)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.2.1.1規(guī)定，起重機(jī)工作狀態(tài)下的抗風(fēng)防滑安全性按下式檢驗(yàn)計(jì)算：

PZ1≥1.1PWⅡ+Pα+PD－Pf

下面按20t/10t雙梁U型門式起重機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，起重機(jī)型號(hào)為MG20/10-23A6，主梁長(zhǎng)43m，起重機(jī)自重G重為945500N，考慮工作狀態(tài)為空載時(shí)突遇12級(jí)強(qiáng)大風(fēng)力的工況，由表1取12級(jí)臺(tái)風(fēng)的計(jì)算風(fēng)壓為800N/m2，因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)導(dǎo)致停電大車速度為0，起重機(jī)4個(gè)臺(tái)車共用4個(gè)常閉制動(dòng)器YWZ300/45，制動(dòng)力矩為441N·m，大車軸距B為8500mm，臺(tái)車中心距L為1050mm，大車輪半徑d為400mm，有：

PWⅡ=CP1A，C為風(fēng)力系數(shù)；對(duì)所驗(yàn)算的起重機(jī)而言，C可取1，P1為工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓，A為起重機(jī)構(gòu)件及貨物垂直于風(fēng)向的實(shí)體迎風(fēng)面積（m2）。不考慮貨物時(shí)起重機(jī)的迎風(fēng)面積A=∑Ai，經(jīng)計(jì)算取110m2。

PWⅡ=800×110=88000（N）

Pα=0.001×945500=945.5（N）

PD=αG總/g，按大車斷電狀態(tài)，大車運(yùn)行速度為0、PD=0

Pf=0.006×945500=5673（N）

1.1 PWⅡ+Pα+PD－Pf=1.1×88000+945.5+0-5673=92072.5（N）

大車防風(fēng)制動(dòng)器抱閘時(shí)，制動(dòng)器作用在大車輪踏面上的圓周切向力為：

PZ1=4M制i/d，其中：

M制--單臺(tái)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩（N·m）

d--大車走行輪半徑d=400mm

i--從制動(dòng)輪軸到車輪軸的傳動(dòng)比i=34.4

防風(fēng)制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)PZ1=4×441×34.4/0.4=151704（N）

被制動(dòng)車輪與軌道的黏著力（即摩擦力）F為F=Nf滑，N= N1+N2=G重/2，f滑=0.14，F(xiàn)=945500×0.14/2=66185（N）

當(dāng)PZ1＞F時(shí)，PZ用被制動(dòng)車輪與軌道的黏著力F代替。即PZ應(yīng)取66185N，而66185N＜92072.5N，即PZ1＜1.1PWⅡ+Pα+ PD－Pf，說明起重機(jī)的抗風(fēng)防滑驗(yàn)證不合格，門式起重機(jī)在大風(fēng)作用下會(huì)在主動(dòng)車輪滑動(dòng)被動(dòng)輪滾動(dòng)的情況下在鋼軌上滑行。

（4）當(dāng)起重機(jī)在大車鋼軌上滑行時(shí)，由于加速度的作用，它的滑行速度會(huì)越來越快，直至和大車走行線盡頭的鋼軌端檔發(fā)生碰撞。在碰撞發(fā)生時(shí)起重機(jī)將沿傾翻軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，起重機(jī)的重心會(huì)抬高，一旦起重機(jī)的重心超過垂直的傾翻軸線，起重機(jī)就會(huì)傾翻。在這個(gè)過程中，碰撞使起重機(jī)獲得動(dòng)能A1，風(fēng)力使起重機(jī)做了一個(gè)傾翻力矩功A2，重心的抬高增加了起重機(jī)的勢(shì)能，E為其增加量，當(dāng)起重機(jī)和端頭發(fā)生碰撞發(fā)生時(shí)還會(huì)有碰撞能量損耗W，這主要與起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和線路端頭擋塊的構(gòu)造和材料有關(guān)。碰撞損耗能量的一部分用于材料內(nèi)部阻滯，一部分轉(zhuǎn)換為彈性能，產(chǎn)生反彈，取W為A1的10%。若A1+A2-W=E，則起重機(jī)處于平衡的臨界狀態(tài)，一旦A1+A2-W＞E，起重機(jī)就會(huì)翻倒。

仍按前面所述起重機(jī)的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算（起重機(jī)傾翻臨界狀態(tài)示意圖見圖2）。

圖2 碰撞發(fā)生時(shí)起重機(jī)傾翻臨界狀態(tài)示意圖

假定起大風(fēng)時(shí)，起重機(jī)與鋼軌端頭檔塊距離S為120m。根據(jù)牛頓第二定律，考慮起重機(jī)大車各回轉(zhuǎn)零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)起重機(jī)加速度的影響，在計(jì)算中取換算系數(shù)為1.3，則有：PWⅡ+Pα+PD－Pf-PZ1=1.3Ma，所以

88000+945.5 +0 -5673-66185=1.3a×945500/g

a=17087.5/122915=0.14（m/s2）

A1=MV2/2=5.82×945500/2g=1590331（J）=1590（KJ）

A2=PWⅡh風(fēng)θ，其中h風(fēng)=∑A1hi/A，經(jīng)計(jì)算h風(fēng)=11.4（m）

起重機(jī)的重心高h(yuǎn)重=∑hiGI/G，經(jīng)計(jì)算，起重機(jī)整體的重心高h(yuǎn)重=9.07m=9070mm，則tgθ=(B/2+L/2)/(h重-d)

B/2+L/2=8500/2+1050/2=4775（mm）

h重-d=9070-400=8670（mm）

tgθ=0.55θ=28.8°=28.8×2π/360弧度=0.5弧度

A2=88000×11.4×0.5=501600（J）=501.6KJ

W=10%×A1=159KJ

E=Mg△h，M為起重機(jī)的整機(jī)質(zhì)量

E=Mg△h=G重△h=945500×1.23=1162965（J）=1162.97KJ A1+A2-W=1590+501.6-159=1932.6(KJ)＞1162.97KJ

由以上計(jì)算可知：A1+A2-W＞E，由此說明刮大風(fēng)時(shí)起重機(jī)空載撞上距離120m的鋼軌端頭時(shí)，起重機(jī)會(huì)翻倒。

2 門式起重機(jī)的緊急防風(fēng)措施和建議

（1）完善和具體落實(shí)各種規(guī)章制度?！短胤N設(shè)備安全法》要求使用單位要建立安全管理制度。對(duì)于起重機(jī)來說，這些制度應(yīng)該包含：安全操作規(guī)程；日常維護(hù)保養(yǎng)制度；使用安全管理制度；崗位責(zé)任制度；定期檢查制度；起重機(jī)事故應(yīng)急專項(xiàng)預(yù)案；交接班制度和職工培訓(xùn)制度等。其中，針對(duì)防風(fēng)方面，應(yīng)該組織有關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，讓他們了解防風(fēng)裝置的工作原理、工作過程、技術(shù)要求和維修保養(yǎng)知識(shí)。每年臺(tái)風(fēng)季節(jié)來臨前受臺(tái)風(fēng)影響的起重機(jī)所在地的使用單位應(yīng)組織有關(guān)人員按起重機(jī)事故應(yīng)急專項(xiàng)預(yù)案進(jìn)行定期的應(yīng)急演練，以下幾點(diǎn)值得關(guān)注：

①臺(tái)風(fēng)季節(jié)嚴(yán)密關(guān)注天氣預(yù)報(bào)，做好防風(fēng)措施，保證風(fēng)速儀正常使用。在起重機(jī)工作狀態(tài)，風(fēng)力大于6級(jí)，風(fēng)速為11m/s時(shí)，風(fēng)速儀要能報(bào)警，風(fēng)速大于等于13m/s并持續(xù)4s時(shí)能自動(dòng)切斷起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電源，同時(shí)大車運(yùn)行制動(dòng)器和防風(fēng)制動(dòng)器分級(jí)工作，即大車運(yùn)行制動(dòng)器制動(dòng)完畢后防風(fēng)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。這樣可以減少突然制動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大慣性力，使起重機(jī)緩慢停下。另外要有效保證防風(fēng)制動(dòng)器中制動(dòng)輪為300mm直徑的防風(fēng)制動(dòng)器能按規(guī)定的制動(dòng)力矩工作。應(yīng)完善制動(dòng)力矩的定期測(cè)量制度，定期測(cè)量防風(fēng)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩。并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在安全檢查本上以便檢查。

②在放置鐵鞋時(shí)要保證防風(fēng)鐵鞋能放在大車被動(dòng)輪的逆風(fēng)位置一側(cè)，并且使鐵鞋的舌尖和車輪踏面和軌道都良好接觸?，F(xiàn)在的一般情況是在4個(gè)被動(dòng)輪的前后兩個(gè)運(yùn)行方向上各放上一對(duì)鐵鞋共四只鐵鞋，建議：當(dāng)門式起重機(jī)所處的地理位置為臺(tái)風(fēng)風(fēng)口時(shí)，在緊急情況下最好是四個(gè)被動(dòng)輪的前后二側(cè)都能在斷電后及時(shí)放上鐵鞋，即放上8只防風(fēng)鐵鞋?？紤]臺(tái)車下空間較小，臺(tái)車下主、被動(dòng)輪間的4個(gè)被動(dòng)輪在放置鐵鞋時(shí)可用輕巧的木楔代替，靠下橫梁中部一側(cè)的4個(gè)被動(dòng)輪放置的鐵鞋仍用常規(guī)的鐵鞋。

③露天使用的門式起重機(jī)都宜配置夾軌器和錨定裝置。夾軌器常規(guī)情況下是在門式起重機(jī)四個(gè)臺(tái)車的一條對(duì)角線上各使用一個(gè)夾軌器。建議：當(dāng)門式起重機(jī)所處的地理位置為臺(tái)風(fēng)風(fēng)口時(shí)，宜增加夾軌器的使用數(shù)量，可以在起重機(jī)四個(gè)臺(tái)車端頭都各使用一個(gè)夾軌器。這樣會(huì)大大提高起重機(jī)的緊急防風(fēng)能力。起重機(jī)在非工作狀態(tài)應(yīng)停在指定位置，放好夾軌器和錨定裝置，夾軌器和錨定裝置應(yīng)與大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)聯(lián)鎖，當(dāng)夾軌器和錨定裝置只要有一個(gè)放下時(shí)，大車不能運(yùn)行。在夾軌器和錨定裝置使用中，聯(lián)鎖開關(guān)、螺絲、支承座等易損壞，要加強(qiáng)維修保養(yǎng)更新，大車鋼軌的狀態(tài)也要經(jīng)常檢查，軌面不平和軌道兩側(cè)異物都會(huì)影響夾軌器的有效使用，要及時(shí)消除。

④采用位勢(shì)能及端檔防風(fēng)：位勢(shì)能端檔長(zhǎng)度一般為走行臺(tái)車軸距，為8m～10m，夾角為6～80，位勢(shì)能端檔與大車鋼軌用螺栓連接。應(yīng)盡量將鋼軌同側(cè)的兩個(gè)端檔做得一樣牢固可靠，并且和起重機(jī)的距離相等，以保證起重機(jī)碰到端檔時(shí)是兩側(cè)同時(shí)碰上的狀態(tài)，這樣可以減少發(fā)生碰撞時(shí)兩側(cè)臺(tái)車受力不一致的現(xiàn)象。斜坡能緩沖起重機(jī)的前進(jìn)速度，有效減小起重機(jī)和端檔發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。還能使起重機(jī)的重心向內(nèi)傾斜減少起重機(jī)外翻的可能（見圖3）。

⑤采用支承臺(tái)、緩沖槽防風(fēng)。支承臺(tái)、緩沖槽在起重機(jī)沖出位勢(shì)能端檔后，大車輪懸空時(shí)起作用。當(dāng)車輪懸空時(shí)，起重機(jī)的下橫梁和位勢(shì)能的最高點(diǎn)A接觸，滑動(dòng)摩擦力加大，動(dòng)能降低，設(shè)置混砂槽后可以讓起重機(jī)的下橫梁落在上面，降低起重機(jī)翻倒的危險(xiǎn)（見圖4）。

圖3 采用位勢(shì)能及端檔防風(fēng)簡(jiǎn)圖

圖4 采用支承臺(tái)、緩沖槽防風(fēng)簡(jiǎn)圖

（2）要提高人員素質(zhì)，增強(qiáng)責(zé)任心。無論是管理人員還是操作人員在思想上都要高度重視起重機(jī)的防風(fēng)工作，不能馬馬虎虎心存僥幸，做到自覺遵守和實(shí)行各項(xiàng)規(guī)章制度。一旦發(fā)生臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致斷電和風(fēng)速儀聯(lián)鎖使大車走行斷電的緊急情況，就要及時(shí)采取防風(fēng)應(yīng)急措施，防止起重機(jī)被風(fēng)吹跑起來。拖拖拉拉、行動(dòng)不及時(shí)就會(huì)失去最佳的防風(fēng)時(shí)間。

（3）如圖1所示的起重機(jī)為一半大車走行輪為主動(dòng)輪式。即8個(gè)大車輪中有4個(gè)車輪為主動(dòng)輪。如果所有大車走行車輪皆為主動(dòng)輪式的話，起重機(jī)的防風(fēng)制動(dòng)能力就能提高一倍，將能有效提高門式起重機(jī)的緊急防風(fēng)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

防止風(fēng)災(zāi)引起的緊急情況下門式起重機(jī)的傾翻事故要以“安全生產(chǎn)、預(yù)防為主、綜合治理”的安全方針為指導(dǎo)思想，從提高人員綜合素質(zhì)上著手，在管理、使用、維修保養(yǎng)、定期檢驗(yàn)方面高度重視防風(fēng)工作，所有相關(guān)人員應(yīng)經(jīng)嚴(yán)格的業(yè)務(wù)培訓(xùn)了解防風(fēng)知識(shí)和相關(guān)的維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)并經(jīng)考試合格后持證上崗，同時(shí)要加強(qiáng)日常檢查工作，嚴(yán)格按操作規(guī)程作業(yè)，并且在分析和總結(jié)事故原因的同時(shí)對(duì)門式起重機(jī)的防風(fēng)措施和設(shè)備進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和借鑒，這樣就能有益于減少和避免緊急情況下起重機(jī)風(fēng)災(zāi)事故的發(fā)生。

責(zé)任編輯：王華 于建明
來稿日期：2014-01-09