陳亞文 丁克勤 周 萍 周旭升
1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院 2.中國特種設備檢測研究院
某高速公路特大橋建設工程是國內重點工程項目,使用單位為了滿足工程的需要購買了一臺國產普通塔式起重機,型號規(guī)格為QTZ63(TC5013B),2005年6月出廠,經安裝調試、驗收合格后交付使用。9月15日,在特大橋4#橋墩安裝過程中,該塔機在頂升完成第13節(jié)標準節(jié)時,由于頂升電機意外出現故障,不能進行頂升加節(jié)作業(yè),在等待維修期間發(fā)生了整機傾覆事故,造成2人死亡、2人重傷、塔機整體毀損的嚴重后果。
(1)整機傾翻后,標準節(jié)踏步板方向朝南,引進平臺朝北。
(2)吊鉤上未掛任何荷載(空鉤狀況),地面未見配平用的一節(jié)標準節(jié)或其它重物。
(3)第1節(jié)塔身(標準節(jié))基本完好,無明顯變形和損壞。
(4)從第6-13節(jié)標準節(jié)側向平面相對于原安裝位置扭轉了60°左右。
(5)第13節(jié)標準節(jié)與回轉下支座未見高強螺栓副連接;踏步板側靠右主弦桿向塔身內彎曲;非踏步板側主弦桿(方管,規(guī)格為135mm×135mm×10mm)靠下部導輪位置存在一處變形尺寸深達21mm的壓痕,主弦桿管壁已被完全壓穿。
(6)爬升架毀損嚴重,導輪受到擠壓后變形嚴重,其中兩只導輪失效脫落后墜地,表面留下的擠壓印痕很深。
(7)液壓頂升機構電機已燒毀損壞,檢測發(fā)現三組繞組線圈中有兩組開路,已不具備使用性能。
某機械產品質量司法鑒定中心對該事故塔機第13節(jié)標準節(jié)主弦桿取樣做了材質化學成分分析與力學性能試驗,鑒定結果為合格。
標準節(jié)主弦桿材質的化學成分符合設計要求(碳素結構鋼Q235B);力學性能指標σs、σb在合格范圍內,而延伸率指標稍低,原因在于該試驗樣品取自事故狀態(tài)的塔機,非正常使用狀態(tài)導致材料出現冷作硬化,材料延伸率降低。
在頂升動態(tài)工況下,標準節(jié)主弦桿的材料強度、剛度沒出問題,在非工作狀態(tài)下(維修等待期間)理應更能滿足要求。
QTZ63(TC5013B)塔機使用說明書規(guī)定:頂升作業(yè)前應使用回轉制動器將塔機回轉支承上部機構處于制動狀態(tài);載重小車吊起一節(jié)760kg標準節(jié),停在頂升配平位置;開動液壓頂升系統,將爬升架及其以上部位頂起10~50mm時停止,檢查頂升橫梁等,爬升架傳力部件是否有異響、變形,油缸活塞桿是否有自動回縮現象,確認正常后,繼續(xù)頂升;在頂升過程中,若發(fā)現系統出現異常,應立即停止頂升并收回油缸,將下支座落在塔身頂部,并用高強螺栓將下支座與塔身連接牢靠后,再排除液壓系統故障。
塔機安全操作規(guī)程表明:在塔機頂升加節(jié)過程中,當下支座脫離了塔身頂部且未用螺栓連接好時,此時起重臂不允許回轉,載重小車不允許進行任何變幅和吊裝作業(yè)。
根據結構力學原理,塔機的爬升架為空間桁架結構,為簡化計算過程,可分解成平面桁架來進行受力分析。
根據該事故塔機設計圖樣和產品使用說明書,回轉以上部分及爬升架質量為G=37.5t,爬升架寬度B=1.993m,爬升架高度5.98m,標準節(jié)寬度b=1.6m,標準節(jié)高度h=2.8m。
頂升加節(jié)過程中,塔機上部結構的受力分析如下:
配平頂升時:(正常情況之下,爬升架16個導輪無須考慮徑向壓力)。爬升架僅受到頂升油缸一個向上的力F1(F1=G),根據力學原理,頂升換步時標準節(jié)上一對承力踏步板同樣也只受到來自頂升橫梁傳遞的力F2(F2=G),每個踏步板按照各自承擔G/2計算。
未配平頂升時:由于上部結構重心位置相對于頂升油缸中心存在一定的偏心距離,根據力學原理,當作用力不在軸心時,勢必產生偏心力矩M1。根據產品說明書和相關計算結果可知,在不配平頂升時,前后不平衡力矩大小為24.835t·m,上部結構重心偏離在頂升油缸右側平衡臂位置。因此,不配平產生的偏心彎矩M1為-24.835t·m(規(guī)定:順時針為負),該力矩通過前、后兩片平面桁架的四個導輪(上、下各兩個)形成兩個力偶,產生徑向壓力并通過導輪傳遞給標準節(jié)主弦桿。那么,相應承受壓力的標準節(jié)產生反作用力并形成兩個反向力偶,使塔機上部結構處于一種并不穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。這兩個力偶分別承擔M1/2,各自作用于套架前后兩片平面桁架的平面內,此時桁架起到水平抗彎作用,但套架受力狀況惡化,上部結構穩(wěn)定性變差,且存在一個順時鐘方向(平衡重方向)的傾翻趨勢。
在事故狀態(tài)下[即頂升時下支座已經完全脫離塔身頂部,且未連接螺栓,未按要求進行配平(在規(guī)定位置,吊鉤上掛配平用標準節(jié))并回轉的情況下],排除了強對流氣候可能造成龍卷風攪動起重臂的因素,現分析人為回轉起重臂的結果:
從正常頂升位置作順時針(或逆時針)回轉,在0~90°范圍內回轉時:除G以外還將產生一個力矩M2,因此傾覆力矩M=M1+M2,M2=G乘以回轉后產生的實際力臂長。
那么,在45°時,力矩M產生的彎矩分解成兩個力偶,但未完全作用在前后兩個平面桁架的平面內;而在90°時,彎矩由前后兩個平面桁架承擔,且作用在桁架平面內。
由上述計算結果可知,不配平頂升過程中,只要起重臂發(fā)生回轉,傾覆力矩將繼續(xù)增大;當回轉角度達到135°時,力臂Lmax=2.236m,所增加的力矩M2為83.56t·m,此時傾覆力矩Mmax=M1+M2=108.39t·m,加之該合力矩并不完全作用于前后兩個平面桁架的平面內,尤其是引進平臺側(前平面桁架)上半部開了一個較大尺寸的引進窗口,剛性削弱很多,力學上屬于常變體系,相對其它三個平面桁架(左、右、后)而言,其水平抗彎剛度較差,在過大的傾覆力矩作用下勢必失穩(wěn)傾翻。
因此,事故狀態(tài)下,當發(fā)現事故塔機液壓頂升系統電機意外燒毀,油缸不能回縮的情況后,因此時下支座與塔身螺栓完全拆開分離,爬升架承受了全部重力和彎矩,塔機上部結構的穩(wěn)定性較差,根本不能承受任何附加的扭矩,起重臂(上部結構)絕對不能進行回轉。
(1)現場勘驗情況分析表明,標準節(jié)主弦桿踏步板側導輪處出現不對稱性向內屈曲失穩(wěn),對角線上(引進平臺側)靠下部導輪處出現很深的壓痕,巨大的傾覆力矩帶來的擠壓應力導致主弦桿管壁被完全壓穿,計算分析說明回轉角度a應在120°~135°之間。
(2)在起重臂回轉過程中,隨著傾覆力矩的不斷增加和上部結構重心的變化,爬升架與第13節(jié)標準節(jié)強度先后遭到破壞。爬升架主弦桿首先出現屈曲失穩(wěn),導輪受到過大擠壓力作用而失效脫落,繼而塔身無法支撐住巨大的傾覆力矩發(fā)生屈曲失穩(wěn),最終導致了整機的傾覆。塔身傾覆時,第6-13節(jié)標準節(jié)在臂架翻轉的帶動下被迫順時針扭轉了60°左右,最后形成了與正常頂升方向位置相反的傾覆形貌,與現場勘驗結果是完全一致的。
(3)第14節(jié)標準節(jié)(引進平臺上待引進標準節(jié))翻滾墜落后被遠遠地拋到4#橋墩空腔中,完全偏離了正常頂升加節(jié)時對應的方位,也證明了當時起重臂發(fā)生了順時針方向的回轉。
(4)整體傾覆后,平衡臂從正常頂升加節(jié)位置(南側)失穩(wěn)傾翻后墜落到相反的方向(北側),也進一步證明了當時上部結構(起重臂)確實進行了順時針方向的回轉。
(1)在事故塔機頂升加節(jié)作業(yè)過程中,當液壓頂升系統出現故障后,作業(yè)人員未按照安全操作規(guī)程的要求及時處理,反而違規(guī)進行了回轉作業(yè),是導致本次傾覆事故發(fā)生的主要原因。
(2)頂升前沒有按照使用說明書的規(guī)定進行配平,是事故塔機發(fā)生整機傾覆的次要原因。
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