王寅

摘 要：該文結(jié)合起重機(jī)的實(shí)際使用特點(diǎn)，分析在特種危險(xiǎn)工況條件下產(chǎn)生事故的多種原因，利用虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析以及有限元的數(shù)值模擬的應(yīng)力分析方法，探討了六種不同特殊危險(xiǎn)工況下的門式起重機(jī)的安全性能，希望對(duì)于今后門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用具有一定幫助。

關(guān)鍵詞：門式起重機(jī) 危險(xiǎn)工況 安全性能 數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TH213.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（a）-0054-01

分析建筑中起重機(jī)特重大事故中可以發(fā)現(xiàn)，使用不當(dāng)、安全裝置失靈、違規(guī)操作、惡劣的氣候因素則是事故的主要原因。一般情況下，起重機(jī)結(jié)構(gòu)的承載能力在正常工況下則是起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，特殊危險(xiǎn)工況則需要考慮相應(yīng)的特殊條件，在起重機(jī)設(shè)計(jì)中需要特別考慮[1]，在這方面相關(guān)的關(guān)于特殊危險(xiǎn)工況的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還存在一定空白，本文通過分析起重機(jī)制造廠使用的一臺(tái)L型單主梁吊鉤門式起重機(jī)，在這種門式起重機(jī)的典型事故原因分析基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的存在的特殊危險(xiǎn)工況下的安全性能評(píng)價(jià)，希望能夠?qū)τ诮窈蟮脑摲N結(jié)構(gòu)型式的起重機(jī)的安全問題有所幫助。

1 特殊危險(xiǎn)工況

該文結(jié)合起重機(jī)的實(shí)際使用特點(diǎn)，分析在特種危險(xiǎn)工況條件下產(chǎn)生事故的多種原因，總結(jié)了下述六種特殊危險(xiǎn)工況產(chǎn)生的條件[2～3]。

1.1 吊重突然卸載工況

所謂的突然卸而是包括取物裝置中存在吊重的意外脫離而造成的工況，而不是電磁起重機(jī)作業(yè)、抓斗的正常卸貨工況。這里分析吊重的意外脫落的情況，其原因主要包括以下幾種：防脫鉤裝置失效、鋼絲繩的斷裂、諸如定滑輪支架、聯(lián)軸器、減速器、電機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)的失效等。在吊重的意外脫落情況下，則會(huì)產(chǎn)生起重機(jī)支腿失穩(wěn)以及起重機(jī)整體反向傾覆的可能。

1.2 吊重自由落體后緊急制動(dòng)工況

對(duì)于非正常延遲的電氣故障引起的起升制動(dòng)器來說，吊重在起吊情況下，制動(dòng)器在電機(jī)失電無驅(qū)動(dòng)力矩狀態(tài)下未能夠及時(shí)進(jìn)行下閘，為了使得吊重自由落體后的制動(dòng)器下閘，這就需要吊車司機(jī)通過一定的緊急措施。所以，這樣造成的極大慣性力則是由于吊重的自由落體所致，對(duì)于起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的承載能力來說，就容易產(chǎn)生相應(yīng)的主梁的斷裂、下?lián)系氖鹿省?/p>

1.3 大車碰撞軌道端部止檔工況

按照額定速度的起重機(jī)大車在大車軌道進(jìn)行行駛，這是常規(guī)設(shè)計(jì)，其中，大車端部限位和端部止檔裝置都在軌道的兩端設(shè)置，對(duì)于正常工況來說，大車端部限位由于在行駛端部而被碰觸，這樣大車在行駛過程中就是產(chǎn)生大車驅(qū)動(dòng)電機(jī)失電的情況，制動(dòng)器下閘，這樣就會(huì)造成大車減速乃至出現(xiàn)停止，所以，大車緩沖器在正常情況下則應(yīng)該不會(huì)碰到端部止檔裝置。但是，如果大車電機(jī)失速，或者存在失效的限位裝置，這樣就會(huì)按照大于額定的速度行駛，造成大車緩沖器將撞到端部止檔裝置的情況出現(xiàn)，使得起重機(jī)的脫軌和傾覆有可能，造成起重機(jī)支腿的失穩(wěn)問題。

1.4 臺(tái)風(fēng)下防風(fēng)抗滑裝置失效工況

臺(tái)風(fēng)襲擊非工作狀態(tài)的起重機(jī)，對(duì)于失效狀態(tài)的防風(fēng)抗滑裝置來說，在臺(tái)風(fēng)作用下，致使起重機(jī)沿著軌道滑行，由于從靜止到加速變得越來越快，存在一定的脫軌和傾覆可能，應(yīng)該重視對(duì)于此工況下的防風(fēng)抗滑裝置的重要性。

1.5 歪拉斜吊工況

歪拉斜吊在實(shí)際情況中確實(shí)存在，盡管這是種野蠻作業(yè)行為，屬于違規(guī)操作，但由于周圍環(huán)境所限，也經(jīng)常出現(xiàn)這類工況，一般來說，主梁在常規(guī)設(shè)計(jì)下而具有加強(qiáng)的承受垂直方向載荷的能力，但承受的載荷在水平方向上比較弱，所以，起重機(jī)主梁水平載荷的承受能力也就通過考察歪拉斜吊作業(yè)進(jìn)行。

1.6 吊物碰撞支腿工況

對(duì)于吊運(yùn)超長工件的情況下，由于起重機(jī)的鋼絲繩存在旋轉(zhuǎn)等因素，受外力的作用下，使得支腿和工件易發(fā)生干涉，使得失穩(wěn)情況容易發(fā)生，造成整機(jī)倒塌的可能性增加。

2 有限元應(yīng)力分析及安全性評(píng)價(jià)

為了得到在特殊危險(xiǎn)工況下的起重機(jī)的各構(gòu)件之間真實(shí)的作用力的變化情況，這里通過虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行理論上的分析，分析得到的最不利的作用力輸入到有限元模型中，在特殊危險(xiǎn)工況下，使得起重機(jī)的各構(gòu)件的最大應(yīng)力和最大變形能夠獲得?？梢杂行袛嗌鲜龈鞣N工況下的極限承載能力[4]。其中，在工況1中，通過起重機(jī)的Mises應(yīng)力云圖分析，得到施加載荷一邊的主梁與支腿交接處的最大Mises應(yīng)力為120.2 MPa，相比于門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，能夠滿足起重機(jī)的強(qiáng)度要求。通過分析垂直方向的變形云圖，可以得到，主梁最右端為變形最大點(diǎn)位置，其中，最大垂直靜撓度為24.8 mm，根據(jù)要求，能夠滿足允許撓度32.5 mm之內(nèi)。

利用有限元分析上述六種特殊危險(xiǎn)工況下的起重機(jī)力學(xué)性能，通過主要的仿真結(jié)果，可以得到下述結(jié)論：

對(duì)于工況一，懸空靜止?fàn)顟B(tài)下的吊重出現(xiàn)突然脫落情況下，吊重較重情況下，造成吊重載荷在突然卸載后變?yōu)榱?，考慮到門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)彈性變形存在比較強(qiáng)烈的反彈作用，這樣就會(huì)對(duì)于比較大的相互作用力產(chǎn)生在主梁和小車之間，也就是的比較大的撓度和盈利出現(xiàn)在門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)中。經(jīng)過分析，相比于滿載靜態(tài)吊重狀態(tài)，此時(shí)最大應(yīng)力水平為其1.8倍；大車車輪抬起脫離軌道往往也由于強(qiáng)烈的反彈的作用。在這種的吊重突然脫落狀態(tài)下，起重機(jī)處于非常危險(xiǎn)狀態(tài)。

對(duì)于工況二，緊急制動(dòng)針對(duì)突然失控已經(jīng)高速下落的吊重而實(shí)施，這具有一定的危險(xiǎn)性。非常大的沖擊力會(huì)在高速緊急制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生。根據(jù)本文模擬工況，得到小車車輪作用力/鋼絲繩作用力的動(dòng)載系數(shù)分別為5.3/6.2，經(jīng)過分析，起重機(jī)中的最大應(yīng)力和撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于允許值，這樣肯定存在強(qiáng)度破壞的作用。

對(duì)于工況三，如果發(fā)生軌道端部止擋和快速運(yùn)行的門式起重機(jī)的撞擊，將會(huì)產(chǎn)生非常危險(xiǎn)的情況，相比于材料強(qiáng)度極限，門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)中會(huì)受到大于此極限強(qiáng)度的應(yīng)力作用，造成起重機(jī)大車車輪有抬起的情況。

對(duì)于工況四，考慮到特大臺(tái)風(fēng)的作用，以及門式起重機(jī)大車車輪與軌道的摩擦力有一定的局限性，在失效的防風(fēng)裝置狀態(tài)下，不可避免出現(xiàn)逐步加速、打滑滑行的情況。這就造成一定的危險(xiǎn)狀態(tài)，使得高速碰撞軌道端部止擋而產(chǎn)生起重機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞。

對(duì)于工況五，門式起重機(jī)在斜拉吊重進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過計(jì)算，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗傾覆穩(wěn)定性、剛度等都在安全系數(shù)范圍內(nèi)，但是，經(jīng)過計(jì)算屈曲穩(wěn)定系數(shù)高達(dá)1.29，則較為接近臨界值1.33，使得主梁的水平穩(wěn)定存在一定影響，應(yīng)該盡量避免。

3 結(jié)語

該文主要分析在特殊危險(xiǎn)工況下的起重機(jī)的安全性能，通過的虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析以及有限元的數(shù)值模擬的應(yīng)力分析方法，指出在設(shè)計(jì)和使用起重機(jī)結(jié)構(gòu)中需要注意的問題，是一種切實(shí)有效的方法，能夠?qū)τ谄鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合全面的分析。

參考文獻(xiàn)

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