起重機抗傾覆穩(wěn)定性分析

（湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院咸寧分院，湖北 咸寧 437100）

起重機抗傾覆穩(wěn)定性分析

王梅

（湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院咸寧分院，湖北 咸寧 437100）

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

履帶起重機；抗傾覆穩(wěn)定性；靜態(tài)穩(wěn)定性

履帶式起重機是一種由動臂、轉(zhuǎn)臺、底盤工作機構(gòu)及動力裝置等組成的自行式起重機或動臂旋轉(zhuǎn)起重機，其具有可帶載行走、適應性強、通過性好及履帶接地面積大等優(yōu)點。通常而言，選擇履帶式起重機的評定指標是起重量、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，控制動作將會改變履帶式起重機的運行狀態(tài)，并進一步影響到起重機整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。近年來，履帶式起重機傾覆事件時有發(fā)生，比如2015年7月，山東省某地發(fā)生一起160t履帶式起重機傾覆事故，造成人員傷亡。可見，重視對履帶式起重機傾覆穩(wěn)定性的研究具有現(xiàn)實意義。下面，首先分析履帶式起重機傾覆的原因，然后再進行受力分析，并在此基礎(chǔ)上提出預防起重機傾覆的措施，以期保證履帶式起重機的安全作業(yè)。

1 起重機傾覆的原因

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

通過分析發(fā)現(xiàn)，該履帶式起重機傾覆事故的成因包括直接、間接原因。其中，直接原因為路基板的水平度不夠引起吊臂傾斜，同時在起吊時歪拉斜吊導致側(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，側(cè)向瞬時載荷將比起重機受力構(gòu)件的強度設(shè)計限值高，繼而引起吊臂根部斷裂，并最終導致履帶式起重機傾覆；間接原因主要包括現(xiàn)場作業(yè)條件差、未指定科學的吊裝方案及起重機操作人員的經(jīng)驗不足等。

表1 事故技術(shù)鑒定結(jié)果

2 起重機抗傾覆穩(wěn)定性模型驗證

履帶式起重機的技術(shù)參數(shù)以起重力矩或起重量為主。為了驗證起重機抗傾覆穩(wěn)定性模型是否正確，本案以160t履帶式起重機為例并仿真分析其技術(shù)參數(shù)。其中，160t履帶式起重機的主臂長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，吊鉤式臂架起重機的起升動載系數(shù)滿足下列方程式：

3 起重機的受力分析

在分析履帶式起重機的動態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定性時，通過簡化起重機為長方形來簡化分析過程，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狀態(tài)時的載荷。我國目前通常采取力矩法來對履帶式起重機的傾覆穩(wěn)定性進行靜態(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是否處在穩(wěn)定狀態(tài)，即當傾覆力矩總和比穩(wěn)定力矩總和小時，起重機處在穩(wěn)定狀態(tài)，而當傾覆力矩總和比穩(wěn)定力矩總和大時，起重機處在不穩(wěn)定狀態(tài)。針對力矩法中涉及的穩(wěn)定力矩與傾覆力矩，穩(wěn)定力矩通常取決于起重機自重載荷，而傾覆力矩僅不與起重機自重載荷有關(guān)。在計算履帶式起重機的抗傾覆穩(wěn)定性時，將相關(guān)性系數(shù)加入其中可提高最終計算結(jié)果的準確性。履帶式起重機抗傾覆力矩?M的計算方程式如下：

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

在無風靜載條件下，履帶式起重機抗傾覆力矩?M的計算方程式如下：

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表示起重機主臂的質(zhì)量）；b表示傾覆邊長度的1/2；c表示回轉(zhuǎn)中心距離整機重心的長度；G表示整機質(zhì)量；R表示幅度。據(jù)此可得，履帶式起重機的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩分別為

3.2 動態(tài)穩(wěn)定性分析

研究發(fā)現(xiàn)，針對某些受時間限制明顯的傾覆因素，即使履帶式起重機處在靜態(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：在起重機傾覆前，傾覆因素的作用時間不能繼續(xù)發(fā)揮作用。對于上述穩(wěn)定性，通常稱作動態(tài)穩(wěn)定性。針對履帶式起重機的的動態(tài)穩(wěn)定性，需要考慮的重點是傾覆時起重機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的動態(tài)穩(wěn)定性圖示。

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

圖1 動態(tài)穩(wěn)定性圖示

4 結(jié)語

目前，履帶式起重機被廣泛應用在吊裝施工中，因此保證起重機的安全作業(yè)是關(guān)注的焦點。本案主要分析了履帶式起重機抗傾覆穩(wěn)定性，研究結(jié)果如下：一是履帶式起重機發(fā)生傾覆的主要原因是設(shè)計方法存在問題，導致計算結(jié)果對起重機真實工況的反映失真，繼而引起起重機超載傾覆；二是與GB/ T3811-2008中計算模型的計算結(jié)果相比，履帶式起重機抗傾覆穩(wěn)定性模型的計算結(jié)果偏差不大，表明將該模型應用在起重機受力分析中具有科學性。綜上研究，提出如下方面來防止履帶式起重機發(fā)生傾覆事故：（1）制定科學的吊裝方案，即：在安排作業(yè)進度時，將環(huán)境、人員、設(shè)備及工程實際等因素考慮其中，并針對作業(yè)進度的影響因素，采取有效的應對措施或適時做出調(diào)整。（2）重視人才培養(yǎng)，其中包括起重機操作人員、設(shè)計人員及管理人員等的培養(yǎng)。履帶式起重機作業(yè)現(xiàn)場的操作人員及管理人員都應具備快速準確識別并控制危險源的能力，而設(shè)計人員應采取科學的方法來校核起重機抗傾覆穩(wěn)定性。（3）規(guī)范作業(yè)現(xiàn)場管理，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，應暫停作業(yè)，并查明原因及徹底排查隱患。

總之，為了實現(xiàn)履帶式起重機的安全生產(chǎn)目標，應堅持“理論與實際結(jié)合”的原則，即在深入分析起重機抗傾覆穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，制定與工程實際相符的吊裝方案，以防止履帶式起重機發(fā)生傾覆事故。

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