動臂式塔式起重機變幅籠頭脫落原因分析

□ 馬小明 □ 劉 萃

華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣州 510640

1 事故情況

動臂式塔式起重機的變幅機構可以實現起重臂仰角在10°～87°間變化[1],從而改變吊鉤的幅度,適用于空間狹小的吊裝施工現場。動臂式塔式起重機相比其它類型塔式起重機,受風載荷影響更大[2]。因此,對動臂式塔式起重機構件連接處的結構設計、制造安裝和使用維護工作應給予足夠重視[3-4]。

深圳某工地動臂式塔式起重機于2018年5月二次安裝,2018年9月超強臺風“山竹”過境后,發生了起重臂墜落事故。調查發現,該動臂式塔式起重機變幅籠頭解體脫落,使相連的臂架失去約束,繞臂端回轉墜落。事發時起重臂仰角約為48°,處于空載狀態。由于周邊場地復雜,事故后在現場未找到滑輪軸。

2 工作原理分析

變幅籠頭處滑輪組與塔頂上滑輪組通過變幅鋼絲繩組合成動定滑輪組,連接梁通過兩條拉索與起重臂尖相連,從而以較小的力驅動變幅動作。起重臂的角度變化通過卷繞或釋放鋼絲繩實現。變幅籠頭結構如圖1所示,主要由前端連接梁和后端滑輪系統等組件通過銷軸相連?；嗇S上承載軸承、滑輪等部件,變幅籠頭整體為對稱結構。

▲圖1 變幅籠頭結構

彎曲變形的滑輪架如圖2所示?；喖苌蠈ΨQ的左右側板存在明顯的彎曲變形,右側板較左側板彎曲變形更大。右側擋桿彎折,用于連接右側板與右側擋桿的一根固定螺栓已折斷,且折斷后的螺栓仍留在螺栓孔內,對應的右側擋桿上的螺栓孔部分被剪斷。

▲圖2 彎曲變形的滑輪架▲圖3 滑輪架模型▲圖4 側板相對位移變化量

滑輪架模型如圖3所示。左右側板位于YZ平面,沿Z軸方向每隔20 mm取點進行相對位移測量。兩側板測量點沿X軸、Y軸方向的相對位移變化量如圖4所示,ΔX為X軸方向相對位移變化量;ΔY為Y軸方向相對位移變化量。

▲圖5 損壞的支架

在X軸方向上,兩側板在Z小于140 mm時無位移變化,即無彎曲變形。Z為140 mm對應吊耳下端。Z大于140 mm時,右側板位移變化量均明顯大于左側板,最大值為320 mm,對應Z為440 mm。

在Y軸方向上,兩側板位移變化接近且較小,最大值為29 mm,對應Z為540 mm。

兩側板主要沿X軸方向,即變幅平面的垂直方向發生彎曲變形,有大位移變化和扭轉,右側板變形程度比左側板大。

損壞的支架如圖5所示。由現場情況可見,支架存在多處明顯的彎扭變形。支架垂直拐角過渡處為擋桿受力薄弱部位,右側因彎曲存在明顯開裂?；嗇S上裝配構件在現場散落,與滑輪軸配合的滑輪架兩側板變形嚴重,說明變幅籠頭解體與滑輪軸的脫落密切相關。

▲圖6 高溫燒傷區域宏觀形貌

3 痕跡分析

3.1 軸承痕跡

變幅籠頭的兩個滑輪墜落在不同位置,軸承仍與滑輪保持配合。圓柱滾子軸承型號為NJ226,軸承外圈隨滑輪旋轉,內圈固定在滑輪軸上,軸承承受較大的徑向載荷。滾子和外圈滾道高溫燒傷區域的宏觀形貌如圖6所示。滾子燒傷區域呈深黑色,無金屬光澤,沿滾動方向呈帶狀分布。滾子燒傷程度不一,1號至3號滾子燒傷位置接近端面,4號至6號滾子燒傷位置沿軸向呈帶狀分布。除1號滾子外均出現大小不一的剝蝕坑,有明顯凹坑和材料剝落痕跡。6號滾子傷痕端部呈火花狀,屬于打滑蹭傷的形貌特征[5]。外圈滾道局部存在燒傷痕跡和帶狀覆蓋物,與滾子接觸表面痕跡一致,表明兩者發生了材料粘結轉移。

滾子和外圈滾道高溫燒傷區域的微觀形貌如圖7所示。滾子燒傷區域存在蜂窩狀剝落坑和麻點,坑內分布淡黃色顆粒物,非燒傷區域可見細小劃痕與凹坑。外圈滾道燒傷區域可見局部材料粘結,以層狀覆蓋在表面,覆蓋層凹凸不平。

經測量,軸承尺寸符合GB/T 283—2007《滾動軸承 圓柱滾子軸承 外形尺寸》[6]要求,兩側滾子直徑平均值接近,磨損程度相近。軸承的燒傷情況表明,軸承在運行過程中存在劇烈滑動等異常工況,由于滑輪側翻,瞬時產生的壓力使軸承表面發生高溫氧化,從而呈現燒傷特征。

3.2 磨損痕跡

磨損痕跡主要集中在滑輪軸與左側板孔間和滑輪與滑輪架間,左側板磨損痕跡如圖8所示。左側板軸孔內端面靠外側暴露出滑輪架的原始藍色涂層,寬度為12 mm,右側板軸孔內表面無該特殊痕跡。側板實際厚度為20 mm,而配合痕跡僅有8 mm,存在滑輪軸與軸孔配合尺寸不足的問題。

變幅籠頭滑輪質量達到73 kg,在快速脫落的過程中,滑輪表面的黃色涂層在滑輪架上形成了明顯的磨損痕跡。左側板內端面軸孔下方位置對應滑輪外邊緣底端,存在兩處平行的摩擦痕跡,沿軸向自底端指向軸孔。

這一痕跡表明,滑輪脫離時向右側板傾斜,左側滑輪外緣底部與左側板率先發生接觸和摩擦。

▲圖7 高溫燒傷區域微觀形貌

4 事故原因確認

發生事故前,深圳遭受超強臺風襲擊。根據深圳氣象局相關數據和文獻,最大風速達52.7 m/s,風速超過設計風速,且持續時間達20 h[7]。動臂式塔式起重機非工作狀態下最大設計風速為42 m/s,設計風壓為1 102 Pa。動臂式塔式起重機屬于風敏感結構[8],超出設計級別的風載荷會造成動臂式塔式起重機結構變形,反復振動,連接螺栓自松弛等[9]。

滑輪軸的防脫設計采用單邊螺栓固定和雙邊軸端擋板支承的方式,單邊螺栓設計使用普通螺栓,未能滿足GB/T 5031—2019《塔式起重機》中銷軸要有可靠軸向定位的要求[10]。

當側板固定側螺栓緊固失效時,動臂式塔式起重機的工作載荷與非工作載荷對塔身造成晃動、振動,均可能導致銷軸發生軸向偏移,進而導致與之緊密配合的滑輪因間隙與滑輪軸產生角度偏移,產生的附加軸向力引起滑輪架側板彎曲變形。

滑輪軸防脫落裝置通過單邊螺栓固定實現。按原設計方案,防脫螺栓固定在左側板,而實物在右側板,防脫螺栓位置與設計不符。

當滑輪軸被防脫螺栓鎖死后,考慮滑輪軸兩端倒角,與固定右側板軸孔設計配合長度應為17±1 mm,與非固定左側板軸孔設計配合長度應為17 mm,軸孔配合總長度為34 mm。非固定左側板軸孔測量壓痕長度為8 mm,即滑輪軸與軸孔的實際配合長度僅為26 mm。配合痕跡與軸孔表面界限清晰,表明滑輪架兩側板彎曲變形長期存在,兩側板間軸向間距大。兩側滑輪軸端擋板雖然可以防止軸從軸孔脫出,但是不能避免軸從兩側板內間隙脫落。一旦固定側板防脫螺栓失效,在軸支承不足的情況下,滑輪軸掉落的風險比較高。

▲圖8 左側板磨損痕跡

5 結束語

綜合以上分析,滑輪軸脫落是變幅籠頭系統解體脫落的直接原因。防脫螺栓在長期使用中緊固作用失效,滑輪軸發生軸向偏移,軸上構件配合間隙增大,附加軸向力使滑輪架兩側板彎曲變形,導致軸孔配合長度不足的滑輪軸從兩側板間脫落,籠頭系統解體脫落,起重臂墜落。

由于變幅籠頭前后端均為柔性繩索連接,懸空高度比起重臂高,日常巡檢宏觀檢查難以實施,加之日常維修保養與臺風復工檢查中未能有效發現變幅籠頭異常狀態,造成了事故發生。從安全管理實際出發,對變幅籠頭制定有針對性的維修保養制度,特別要保證滑輪軸端面防脫螺栓的可靠性。動臂式塔式起重機屬于多構件連接結構,連接緊固件的可靠性關系到整體安全性,應在動臂式塔式起重機全生命周期內增加對連接件的檢查與保養,避免連接件失效事故再次發生。