基礎沉降對門座式起重機運行安全的影響及對策

馬 俊，張長利，張 楨，蔣漳河，武星軍

（廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510810）

隨著我國船舶、碼頭物流等行業(yè)進入成熟發(fā)展期，門座式起重機的使用越來越廣泛。門座式起重機通常自重較大，考慮到基礎承載能力的限值，為了降低輪壓，常用的方式是增加車輪數(shù)。門座式起重機車輪行走系統(tǒng)主要采用行走臺車加平衡梁的組合方式。常見的行走臺車連接方式主要有水平軸連接式和立軸連接式[1]。水平軸連接式的行走臺車通常拆裝維修方便，多用于沿直線軌道運行的起重機；立軸連接式的行走臺車主要用于沿曲線軌道運行。相對于水平軸連接式來說，立軸連接式的行走臺車對軌道嚴重不平的適應性較差。門座式起重機運行過程中發(fā)生運行臺車脫軌的意外情況也時有發(fā)生。根據(jù)相關文獻，按照軌道與車輪邊緣接觸產生的橫向力作用時間不同，起重機常見的車輪脫軌分為爬軌脫軌和跳軌脫軌[2-3]。一旦起重機發(fā)生脫軌事件，應立即檢查評估整臺起重機是否存在傾覆的趨勢，并采取有效的應急預防和疏散措施，防止其傾覆而引發(fā)更大的損失[4]。

基礎沉降積累到一定程度會引起軌道不平，進而導致門座式起重機行走臺車車輪受力不均和行走臺車“翹腳”現(xiàn)象，嚴重時會影響門座式起重機的安全運行。因此，應重視基礎沉降引起軌道缺陷的嚴重性和定期檢測。

1 門座式起重機傾翻事故概況與調查

1.1 事故概況

根據(jù)查閱視頻監(jiān)控和現(xiàn)場調查，某臺涉事起重機額定起重量15t、幅度18～54m、工作級別A5、整機自重400t 的門座式起重機。該門座式起重機空載由西向東行走，臂架向西大致與軌道平行，右前平衡梁II 晃動了一下，西邊海側6 輪臺車向軌內側傾倒，西邊陸側6 輪臺車隨即向軌內側傾倒。隨后搶修人員在門機下進行了搶修作業(yè)，并于15min 后進行了現(xiàn)場緊急疏散。17min后，門機回轉平臺開始向逆時針方向旋轉；此后4min，門機回轉平臺逆時針旋轉至臂架與門機路軌基本垂直；門機開始向西側傾斜，門機回轉平臺繼續(xù)逆時針旋轉，如圖1、圖2 所示。

圖1 行走機構示意圖

圖2 現(xiàn)場照片

1.2 現(xiàn)場勘查與調查

由事故概況可知事故的直接原因與行走機構有關。因此，現(xiàn)場勘查與調查從行走機構和運行軌道開展?，F(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，行走臺車與對應的平衡梁連接部分都已經脫開，所有行走機構傾倒在軌道附近。連接結構均已破壞，難以再復現(xiàn)事故前的行走機構狀態(tài)。

1）行走機構與連接部件 該門機軌道沿著岸邊布置，為一段直線軌道接一段圓弧形軌道。門機各支腿行走機構的5 個臺車中靠錨定裝置的3個臺車為主動臺車。為了適應圓弧段軌道的運行，該門機的行走機構中所有臺車和平衡梁連接均采用了立軸連接式，具體結構為直鉸結構，如圖3 所示。此結構可以允許臺車在運行過程中，沿著軌道在水平方向上旋轉，對于旋轉角度沒有結構上的限制?，F(xiàn)場12 個采用直鉸結構的平衡梁連接處均已全部分離，連接處直鉸軸上的螺紋均有不同程度的損傷，其中左前和右前平衡梁II 直鉸軸上的螺紋端部均有4～5 圈破壞嚴重。圓螺母、圓螺母用止動墊片（以下簡稱“止動墊片”）、圓錐軸承均脫落于直鉸結構的上支承內部。拆出右前平衡梁II 的圓螺母、止動墊片，發(fā)現(xiàn)圓螺母螺紋破壞嚴重，止動墊片嚴重變形，如圖4、圖5 所示。

圖3 直鉸結構局部示意（安裝后）

圖4 直鉸結構中的立軸

圖5 止動墊片

2）行走軌道 通常臺車在運行中如發(fā)生脫軌狀況，軌道是導致脫軌的首要原因。依據(jù)相關文獻資料，常見的軌道隱患有3 類：①存在較大的彎曲度，比如直線度超差；②軌道垂直截面高度落差較大；③軌道平行度不滿足要求，比如出現(xiàn)“八字”或者喇叭狀[5]。因此，調查組著重對該機的軌道進行了相關測量。

經過對現(xiàn)場臺車位置前后2m 范圍內軌道的軌面標高測量，發(fā)現(xiàn)右前臺車前端約2m 處的軌道比同截面的軌道低34mm，比右后臺車前端2m處的軌道低33mm。

2 事故原因與結果分析

2.1 工作環(huán)境與工作狀態(tài)

通過監(jiān)控視頻及安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)確定，事發(fā)時天氣晴好，最大風力不超過4 級，符合安全作業(yè)天氣條件。通過視頻分析，事發(fā)前門機作業(yè)未見異常，未發(fā)現(xiàn)門機主體結構與周圍物體碰撞；臺車脫落時，門機為空載運行狀態(tài)。因此，事故原因排除當天事故前超載和惡劣天氣影響。

2.2 軌道狀態(tài)

1）軌道坡度核算 根據(jù)CB/T 8504-2011《船廠門座式起重機技術規(guī)定》，軌道長度任意30m范圍內，坡度應不大于1‰[6]。事故案例門機坡度經計算為，坡度=（高程差/水平距離）×100% =（右前臺車前端約2m 處的軌道比右后臺車前端2m 處的軌道低33mm）/兩點之間的距離=33/（21000+2000+2000）=1.32‰。因此，事故門機軌道坡度不符合CB/T 8504-2011《船廠門座式起重機技術規(guī)定》標準的要求。

2）軌道高低差 根據(jù)CB/T 8504-2011《船廠門座式起重機技術規(guī)定》，兩條軌道同一截面的高低差不應大于軌距的1/2000[6]?！苯涍^計算：事故案例門機軌道高低差經計算為，高低差=（右前臺車前端約2m 處的軌道比同截面的軌道低34mm）/軌距=33/10000=6.6/2000。很明顯也不符合標準的要求。因此，事故門機軌道高低差也不符合CB/T 8504-2011《船廠門座式起重機技術規(guī)定》標準的要求。

經過查閱第三方檢測機構出具的《XX 碼頭結構沉降位移變形觀測工程技術總結》結論，碼頭沉降位移監(jiān)測符合變形一般規(guī)律，沒有發(fā)現(xiàn)異常變形。但通過對該報告測量點進一步確認，沉降測量未包含門機軌道。

2.3 直鉸連接件

從結構設計方面，直鉸結構作為運行機構的重要部件除了承受整機上部的全部自重載荷和吊重載荷，還承受水平方面的推力。該機直鉸結構設計選用了單個承受徑向力的單列圓錐滾子軸承，只配置止動墊圈和圓螺母，沒有采取多重或更安全的防松措施。圓錐滾子軸承和圓螺母處于完全封閉的狀態(tài)，使用過程中無法進行常規(guī)檢查和維護。從采用的軸承可以看出，該結構設計時沒有考慮過此連接處會承受拉力。因此，一旦此結構連接處承受拉力，軸承會有分離危險。

從材料性能方面，從全國港口設備相關事故中看，此類直鉸結構處失效的事故在近20 年來極其罕見。比如2012 年～2017 年青島港曾發(fā)生多次MQ4037 型40t 門座式起重機行走臺車立軸座斷裂故障[7]。常見的臺車立軸連接方式中，厚板焊接處或者鑄造金屬構件應力集中處容易斷裂，而連接螺紋并不是常見的失效位置。

從現(xiàn)場脫落的6 輪臺車的直鉸結構下支承軸的螺紋可見底部螺紋較完好。中間4～5 圈螺紋頂部破壞至圓弧形，螺紋槽內有擠出的金屬絲，端部4～5 圈螺紋嚴重“掃牙”。由此現(xiàn)象可得出，圓螺母與下支承的螺紋連接在各種復雜載荷作用下逐漸破壞，圓錐軸承結構松弛。

2.4 事故原因與結論分析

1）根據(jù)資料和監(jiān)控視頻核查，確認該門座式起重機脫軌傾翻事故當天無事故前超載和惡劣天氣的影響。同時，排除行走機構4 個端部碰撞軌道上大型物件的可能。

2）該門座式起重機運行軌道的坡度和界面高低差不符合CB/T 8504-2011《船廠門座式起重機技術規(guī)定》標準的要求，且第三方機構出具的《XX碼頭結構沉降位移變形觀測工程技術總結》中沉降測量未包含門座式起重機軌道的沉降數(shù)據(jù)。

3）門座式起重機常見的臺車立軸連接方式中連接螺紋并不是常見的失效位置。該事故門座式起重機采用直鉸結構連接，從結構設計中采用的軸承可知，該結構設計時沒有考慮此連接處會承受拉力。因此，當軌道高低差較大時，整機臺車的最前輪到最后輪覆蓋了約20m 的軌道范圍，使得在如此凸凹不平的軌道上運行的各車輪受力不均，再加上同軌道截面高低差過大。直鉸連接件圓螺母與下支承的螺紋連接在上述復雜載荷作用下逐漸破壞，門機支腿下方的臺車在運行過程發(fā)生“翹腳”，最終造成脫軌傾翻事故。

3 結論

1）門座式起重機安裝成型后，其直鉸結構處于封閉狀態(tài)。無論是企業(yè)日常維護保養(yǎng)還是特種設備檢驗機構定期檢驗均無法查看其內部潤滑、螺母松動、軸承運轉等情況。因此，當前門座式起重機的維護保養(yǎng)項目和定期檢驗項目尚不能及時、有效發(fā)現(xiàn)運行軌道的缺陷對鉸結構的影響程度。

2）門座式起重機基礎在使用過程中發(fā)生一定的沉降變形是客觀存在、不可避免的。雖然門座式起重機使用企業(yè)會定期進行基礎沉降測量，但是選取的測量點均為基礎立柱位置，并沒有對架設在基礎上的軌道面進行測量。門座式起重機基礎沉降會引起軌道凹凸不平和截面高低差增大，進而導致行走臺車車輪受力不均和引發(fā)行走臺車“翹腳”現(xiàn)象，嚴重時會導致行走機構脫離原設計工況發(fā)生傾翻事故。

3）針對基礎沉降積累到一定程度可能造成軌道缺陷的隱患和當前門座式起重機定期檢驗與維保檢查項目和手段的局限性，建議將門座式起重機軌道沉降量測量納入企業(yè)日常維護保養(yǎng)和特種設備檢驗機構定期檢驗核查項目。一方面，能及 時發(fā)現(xiàn)和消除門座式起重機運行安全隱患；另一方面，也能規(guī)避定期檢驗和維護檢查中對行走臺車封閉結構件檢驗無法核查的風險。

4 結語

本文結合某門座式起重機脫軌整機傾覆事故案例，對基礎沉降引起門座式起重機軌道缺陷和行走機構連接件失效的原因進行了詳細闡述和分析。通過該事故案例分析，有助于改進門座式起重機日常維護檢查和定期檢驗對軌道缺陷和行走機構連接件檢驗項目和方法的提升，有助于及時消除基礎沉降對門座式起重機運行帶來的安全隱患。