（湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院咸寧分院，湖北 咸寧 437100）

起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性分析

王梅

（湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院咸寧分院，湖北 咸寧 437100）

隨著工程建設(shè)機(jī)械化水平的提高，起重機(jī)吊裝作業(yè)越來越頻繁，同時(shí)對(duì)其的安全性要求也變得更高。流動(dòng)式起重機(jī)是一種特種設(shè)備，其常見類型包括隨車起重機(jī)、履帶起重機(jī)、輪胎起重機(jī)及汽車起重機(jī)等。本文以履帶起重機(jī)為例，淺析起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性。

履帶起重機(jī)；抗傾覆穩(wěn)定性；靜態(tài)穩(wěn)定性

履帶式起重機(jī)是一種由動(dòng)臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、底盤工作機(jī)構(gòu)及動(dòng)力裝置等組成的自行式起重機(jī)或動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)起重機(jī)，其具有可帶載行走、適應(yīng)性強(qiáng)、通過性好及履帶接地面積大等優(yōu)點(diǎn)。通常而言，選擇履帶式起重機(jī)的評(píng)定指標(biāo)是起重量、起吊高度及工作半徑，三者存在互相制約的關(guān)系。在吊裝作業(yè)中，控制動(dòng)作將會(huì)改變履帶式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)一步影響到起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。近年來，履帶式起重機(jī)傾覆事件時(shí)有發(fā)生，比如2015年7月，山東省某地發(fā)生一起160t履帶式起重機(jī)傾覆事故，造成人員傷亡?？梢姡匾晫?duì)履帶式起重機(jī)傾覆穩(wěn)定性的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。下面，首先分析履帶式起重機(jī)傾覆的原因，然后再進(jìn)行受力分析，并在此基礎(chǔ)上提出預(yù)防起重機(jī)傾覆的措施，以期保證履帶式起重機(jī)的安全作業(yè)。

1 起重機(jī)傾覆的原因

從工作原理的角度來看，履帶式起重機(jī)傾覆的原因主要是超載或地面不堅(jiān)實(shí)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，履帶式起重機(jī)主要采用靜態(tài)分析法，其將瞬時(shí)動(dòng)載荷看作持續(xù)靜態(tài)作用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)規(guī)范普遍從靜態(tài)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，制定履帶式起重機(jī)的動(dòng)載系數(shù)。應(yīng)用表明，以上設(shè)計(jì)方法可簡(jiǎn)化整個(gè)分析計(jì)算過程，但卻無法準(zhǔn)確地反映起重機(jī)的實(shí)際工況，且這一缺陷在大噸位設(shè)計(jì)中尤其明顯。針對(duì)履帶式起重機(jī)的后翻穩(wěn)定性動(dòng)載系數(shù)，如果依據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，則150t履帶式起重機(jī)的軌跡不小于8m，但國(guó)際相同噸位產(chǎn)品的軌跡卻小于6m。在實(shí)際作業(yè)中，如果未準(zhǔn)確估計(jì)起重臂的臂長(zhǎng)或未確定起重機(jī)的載重，都有可能因載重比額定起重量大而引起履帶式起重機(jī)傾覆。針對(duì)2015年7月發(fā)生的一起160t履帶式起重機(jī)傾覆事故，技術(shù)鑒定結(jié)果如表1所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，該履帶式起重機(jī)傾覆事故的成因包括直接、間接原因。其中，直接原因?yàn)槁坊宓乃蕉炔粔蛞鸬醣蹆A斜，同時(shí)在起吊時(shí)歪拉斜吊導(dǎo)致側(cè)向屈曲變形，并在回轉(zhuǎn)慣性載荷的作用下出現(xiàn)附加側(cè)向載荷，如此在作業(yè)基礎(chǔ)突發(fā)異常時(shí)，側(cè)向瞬時(shí)載荷將比起重機(jī)受力構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值高，繼而引起吊臂根部斷裂，并最終導(dǎo)致履帶式起重機(jī)傾覆；間接原因主要包括現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件差、未指定科學(xué)的吊裝方案及起重機(jī)操作人員的經(jīng)驗(yàn)不足等。

表1 事故技術(shù)鑒定結(jié)果

2 起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性模型驗(yàn)證

履帶式起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)以起重力矩或起重量為主。為了驗(yàn)證起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性模型是否正確，本案以160t履帶式起重機(jī)為例并仿真分析其技術(shù)參數(shù)。其中，160t履帶式起重機(jī)的主臂長(zhǎng)18m、仰角最大值65°、起重量額定值50t及起升速度1.05m/s。依據(jù)GB/T3811-2008，吊鉤式臂架起重機(jī)的起升動(dòng)載系數(shù)滿足下列方程式：

3 起重機(jī)的受力分析

在分析履帶式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，通過簡(jiǎn)化起重機(jī)為長(zhǎng)方形來簡(jiǎn)化分析過程，具體如下。

3.1 靜態(tài)穩(wěn)定性分析

所謂靜載荷，其指的是重物處在勻速起升或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的載荷。我國(guó)目前通常采取力矩法來對(duì)履帶式起重機(jī)的傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行靜態(tài)校核。力矩法主要根據(jù)傾覆力矩總和與穩(wěn)定力矩總和的關(guān)系來判斷履帶式起重機(jī)是否處在穩(wěn)定狀態(tài)，即當(dāng)傾覆力矩總和比穩(wěn)定力矩總和小時(shí)，起重機(jī)處在穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)傾覆力矩總和比穩(wěn)定力矩總和大時(shí)，起重機(jī)處在不穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)力矩法中涉及的穩(wěn)定力矩與傾覆力矩，穩(wěn)定力矩通常取決于起重機(jī)自重載荷，而傾覆力矩僅不與起重機(jī)自重載荷有關(guān)。在計(jì)算履帶式起重機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性時(shí)，將相關(guān)性系數(shù)加入其中可提高最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。履帶式起重機(jī)抗傾覆力矩?M的計(jì)算方程式如下：

其中，MG表示起重機(jī)的自重；MP表示起重機(jī)的起升載荷；表示起重機(jī)水平慣性的載荷；表示起重機(jī)在風(fēng)力作用下的傾覆線載荷；KG表示起重機(jī)自重載荷系數(shù)；表示起重機(jī)起升載荷系數(shù)；Ki表示起重機(jī)水平慣性載荷系數(shù)；Kj表示起重機(jī)在風(fēng)力作用下的傾覆線載荷系數(shù)。

在無風(fēng)靜載條件下，履帶式起重機(jī)抗傾覆力矩?M的計(jì)算方程式如下：

其中，Q表示作用載荷，GB/T3811-2008規(guī)定Q=1.25PQ+0.1F(PQ表示起重機(jī)在不同幅度下的最大起升載荷；從力矩相等原理可知，F(xiàn)=1/2Gb；Gb表示起重機(jī)主臂的質(zhì)量）；b表示傾覆邊長(zhǎng)度的1/2；c表示回轉(zhuǎn)中心距離整機(jī)重心的長(zhǎng)度；G表示整機(jī)質(zhì)量；R表示幅度。據(jù)此可得，履帶式起重機(jī)的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩分別為

3.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)某些受時(shí)間限制明顯的傾覆因素，即使履帶式起重機(jī)處在靜態(tài)穩(wěn)定性的失穩(wěn)狀態(tài)下，其仍能維持穩(wěn)定狀態(tài)，其原因如下：在起重機(jī)傾覆前，傾覆因素的作用時(shí)間不能繼續(xù)發(fā)揮作用。對(duì)于上述穩(wěn)定性，通常稱作動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。針對(duì)履帶式起重機(jī)的的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，需要考慮的重點(diǎn)是傾覆時(shí)起重機(jī)的位增能量與傾覆因素的最大/小能量的關(guān)系，從而判定起重機(jī)究竟出在何種傾覆穩(wěn)定性狀態(tài)下。圖1所示為履帶式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性圖示。

在圖1中，用一個(gè)長(zhǎng)方形的物體來描述履帶式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。其中，如果傾覆因素的最大/小能量E＜G＜△h，表明起重機(jī)處在穩(wěn)定狀態(tài)下。

圖1 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性圖示

4 結(jié)語

目前，履帶式起重機(jī)被廣泛應(yīng)用在吊裝施工中，因此保證起重機(jī)的安全作業(yè)是關(guān)注的焦點(diǎn)。本案主要分析了履帶式起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性，研究結(jié)果如下：一是履帶式起重機(jī)發(fā)生傾覆的主要原因是設(shè)計(jì)方法存在問題，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果對(duì)起重機(jī)真實(shí)工況的反映失真，繼而引起起重機(jī)超載傾覆；二是與GB/ T3811-2008中計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果相比，履帶式起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性模型的計(jì)算結(jié)果偏差不大，表明將該模型應(yīng)用在起重機(jī)受力分析中具有科學(xué)性。綜上研究，提出如下方面來防止履帶式起重機(jī)發(fā)生傾覆事故：（1）制定科學(xué)的吊裝方案，即：在安排作業(yè)進(jìn)度時(shí)，將環(huán)境、人員、設(shè)備及工程實(shí)際等因素考慮其中，并針對(duì)作業(yè)進(jìn)度的影響因素，采取有效的應(yīng)對(duì)措施或適時(shí)做出調(diào)整。（2）重視人才培養(yǎng)，其中包括起重機(jī)操作人員、設(shè)計(jì)人員及管理人員等的培養(yǎng)。履帶式起重機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的操作人員及管理人員都應(yīng)具備快速準(zhǔn)確識(shí)別并控制危險(xiǎn)源的能力，而設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取科學(xué)的方法來校核起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性。（3）規(guī)范作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理，比如在施工前，組織開展技術(shù)交底；從環(huán)境因素、路基及地質(zhì)條件等角度進(jìn)一步完善吊裝方案；建立完善的吊裝作業(yè)質(zhì)量體系，并在規(guī)定條件下開展吊裝作業(yè)等。（4）按要求處理路基，以保證起重機(jī)基礎(chǔ)的傾斜度在允許范圍內(nèi)，注意一旦在作業(yè)中出現(xiàn)異常，應(yīng)暫停作業(yè)，并查明原因及徹底排查隱患。

總之，為了實(shí)現(xiàn)履帶式起重機(jī)的安全生產(chǎn)目標(biāo)，應(yīng)堅(jiān)持“理論與實(shí)際結(jié)合”的原則，即在深入分析起重機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，制定與工程實(shí)際相符的吊裝方案，以防止履帶式起重機(jī)發(fā)生傾覆事故。

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