壓桿失穩(wěn)對塔式起重機安全的威懾

1、壓桿失穩(wěn)對塔式起重機平安的威懾塔式起重機是建設工地上應用最廣、工作空間最大的起重機,因而塔機已為我國的建設事業(yè)做出了重大貢獻。然而,由于塔式起重機安裝得高、臂架伸得長、一般都是現(xiàn)場安裝、施工中要經(jīng)常頂升加高,因而塔式起重機比較簡潔引發(fā)事故,平安學問就特殊重要。盡管從上到下,已一再強調(diào)要留意施工平安,有的地方也組織了培訓班。但是不少單位和機構,在培訓時只重學文件、學制度,技術學問的學習并沒有引起足夠重視,使得事故下降并不很明顯。筆者近兩年參于調(diào)查處理多起塔機事故,深感專業(yè)學問的缺乏,對塔機的平安構成重大威懾。引發(fā)塔機事故的因數(shù)多種多樣,在這里,我想先談談壓桿失穩(wěn)對塔式起重機平安的威懾。 1問題的

2、提出 塔式起重機最可怕的事故是消逝倒塔。一旦發(fā)生這種事故,往往是機毀人亡,損失慘重。特殊是結構件,有的折彎,有的斷開,有的撕裂,真是面貌全非。說句實話,面對這種狀況,假如不具備確定的塔式起重機專業(yè)學問,要想對事故進行分析,是件很困難的事。但是,也有些地方在出了事故以后,只要看到發(fā)生了斷裂,就認為是質(zhì)量問題。而且特殊簡潔做出材料不合格或者焊接質(zhì)量有問題的結論,這是不太妥當?shù)?。當?材料不合格和焊接不到位的現(xiàn)象是存在的,是事故隱患之一,但要做出結論照舊要有充分的事實依據(jù)。特殊是對那些使用多年的塔式起重機,或是對那些多年來始終穩(wěn)定批量供貨的材料,要做這樣的結論更應當慎重。由于塔式起重機發(fā)生破壞的因素

3、很多,各種可能因素要進行對比。斷裂只是一種現(xiàn)象,不愿定是發(fā)生事故的緣由。很多人簡潔看到的只是斷裂現(xiàn)象。但斷裂有內(nèi)在質(zhì)量缺陷引起的,還有屬于連鎖反應引起的,很多人卻看不清。實際上,在塔式起重機結構中,壓桿失穩(wěn)引發(fā)的事故并不少見,可能比原發(fā)性受拉斷裂還要多,所以我們必需深化了解壓桿失穩(wěn)對塔式起重機的平安威懾。此外,有限元軟件的推廣應用,有些人只留意計算節(jié)點應力,不進行壓桿局部失穩(wěn)校核,也有可能留下平安隱患,值得提起留意。 2塔式起重機主要結構部件的受力分析 前面已提到:壓桿失穩(wěn)引發(fā)的事故并不少見,可能比原發(fā)性受拉斷裂還要多。要理解這句話,我們就首先有必要對塔式起重機主要結構部件做出或許的受力分析。

4、2.1底架和塔身一臺塔機,不管其受力怎么簡潔,但對底架和塔身來說,其上部的載荷都可簡化為一個正壓力和一個彎矩,正如插圖1所示。正壓力使塔身的4根主弦均勻受壓;而彎矩要靠主弦桿有拉有壓來平衡。如在對角線平面內(nèi)起吊,則標準節(jié)受力如圖2所示,靠臂架一方主弦受壓,靠平衡臂一方主弦受拉。也就是1號主弦受壓,3號主弦受拉。正壓力和彎矩組合后,1號主弦的壓力是相加的,所以壓力值就特殊大,也最危急; 3號主弦的拉力要減去原來的均壓力,所以其拉力值要小于1號主弦的壓力的確定值,就沒那么危急。所以塔機設計人員最關懷的是主弦桿壓力。而一般人員經(jīng)常以為拉斷才是最危急的,這是一種直觀錯覺。他們不了解受壓的危急性。2.2

5、塔頂?shù)氖芰Ψ治鏊數(shù)氖芰χ饕獊碜云胶獗劾瓧U和起重臂拉桿。正如圖3所示?？梢钥闯? 平衡臂拉桿和起重臂拉桿的合力,對塔頂也構成一個正壓力和一個彎矩。所以塔頂?shù)氖芰εc塔身類似,也是壓彎聯(lián)合作用,它的主弦桿受力狀態(tài),也是壓力大于拉力。2.3起重臂的受力起重臂的受力比較簡潔,它與拉桿布置以及起吊位置有關。圖4是一個雙拉桿的起重臂受力分析簡圖。從圖中可以看出:吊臂拉桿和小車牽引繩的水平分力,對吊臂構成一個壓力,而吊臂自重和起吊載荷,使臂架產(chǎn)生鉛直平面內(nèi)彎矩,風力和回轉(zhuǎn)慣性載荷,使吊臂產(chǎn)生水平側向彎矩。這些內(nèi)力組合,使起重臂照舊是處于壓彎聯(lián)合作用狀態(tài)。毫無疑問,吊臂主弦的壓力往往也是大于拉力。從以上分析可

6、知,塔機的主要結構部件,其桿件所受的最大內(nèi)力,往往都是壓力大于拉力,所以要高度留意壓力對平安的威懾。 3結構桿件的承載力氣 受拉桿件,它的破壞形式可以是塑性伸長、拉斷、或者疲乏開裂。對拉伸破壞大家都好理解,用不著多說。然而,受壓桿件的破壞形式是什么呢？有的人就不那么清楚了。那就是局部失穩(wěn),或者說局部屈曲。其實桿件局部失穩(wěn)比拉斷要危急得多！那到底什么是局部失穩(wěn)呢？我們知道,拿一根瘦長桿,上面加壓力,當壓力不大時,桿子是直的,當壓力一步步增加,突然,桿子會變彎,而且會丟失原有的承載力氣,這就是局部失穩(wěn)。產(chǎn)生由直變彎的這個壓力就叫臨界壓力。臨界壓力的大小主要取決于桿件的長細比,與微觀結構關系不大。桿

7、件失穩(wěn),或者說屈曲,是突發(fā)性的,沒有聲響,不簡潔察覺，但一旦失穩(wěn)就會降低或者丟失承載力氣,所以危急性很大。在結構力學上臨界壓力是可以計算的。對于兩端鉸支的桿件，其臨界壓力：pcr=2ej/l2 （1）式中: e為材料彈性模量j為桿件截面慣性矩l為桿件長度或結構部件中桿件的節(jié)距在這里的計算式,主要是為了介紹失穩(wěn)的概念和影響因素,更精確的計算還要考慮別的因素,不是幾句話可以講清楚的,不宜在這里多加論述。塔式起重機的結構設計特殊要留意把握臨界壓力。在設計上,一般用臨界壓力除以桿件截面面積等于臨界應力來把握,記作cr ,而且一般把握在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn),也即取:cr= pcr/f=2ej/l2/f （2）

8、假如令 j=fi2 代入上式，會得到cr= 2e/（l/i）2 =2e/2 （3）其中:= l/i i就是桿件的慣性半徑，就叫桿件的長細比?？梢钥吹?臨界應力只取決于桿件的彈性模量和長細比。全部鋼材,彈性模量都差不多,對局部失穩(wěn)來說,主要就取決于長細比。有的塔機,為了減輕自重,接受了低合金鋼代替一般碳素鋼,這只能提高抗拉強度,并不能提高臨界應力,要提高臨界應力,還是要縮小長細比。要想保證在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn),就要使crs。并且令:=cr/s 叫做桿件的穩(wěn)定系數(shù)。在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn)，其確定值小于1。對q235一般碳素鋼和16mn鋼,對應不同的值,有不同的值,設計規(guī)范上有表可查。我國現(xiàn)有的塔式起重機，結

9、構件多用q235型鋼焊接而成。q235為一般碳素鋼材,s=235mpa,b=375460mpa（見gb700-88）; 在塔機設計時,一般取容許應力 =170mpa 也就是說：滿應力時產(chǎn)生塑性伸長的平安系數(shù)為ns=235/170=1.38;產(chǎn)生斷裂的平安系數(shù)nb=380/170=2.232.64;而壓桿穩(wěn)定系數(shù)的選取,與部件受力大小和重要性有關。例如對標準節(jié)的主弦桿,可以取=0.930.97。假如取=0.95,滿應力時壓桿的平安儲備系數(shù)ny=2350.95/170=1.31倍;就要低于ns和nb。為了更平安,假定在設計時只取:壓 =165 mpa這時主弦桿受壓實際的平安儲備為: 2350.95

10、/165=1.35倍。為了說明問題,我們舉一個實例:假如某臺qtz80tm塔機,其上部正壓力取40t,則該塔機塔身每根主弦分攤的均壓力就是10t。在滿載條件下,假定受壓主弦的最大計算壓力是80t,則受拉主弦的最大計算拉力就會是60t。當受壓主弦最大壓應力取165 mpa時，此時受拉主弦最大拉應力僅為: 124 mpa，比壓應力要低得多！主弦拉伸產(chǎn)生塑性變形的平安系數(shù)為: ns=235/124=1.89倍。主弦拉伸產(chǎn)生宏觀斷裂的平安系數(shù)為: nb=380/124=3.06倍，比n壓=1.35 要高得多！所以一般狀況下不簡潔發(fā)生主弦拉伸斷裂。而是主弦桿的局部失穩(wěn)。通過上面的分析,說明塔機標準節(jié)承載

11、力氣主要取決于受壓的主弦桿,是局部失穩(wěn)破壞。對于塔頂和臂架，由于也都是壓、彎聯(lián)合作用，狀況與此類似，往往也是局部失穩(wěn)破壞起主要作用。但塔機出事故時，事實上會看到多處斷裂現(xiàn)象，這又該怎么看呢？這就需要分清:原始缺陷斷裂和連鎖反應斷裂不同,現(xiàn)象和真正緣由不是一回事。 4關于質(zhì)量缺陷斷裂和連鎖反應斷裂的區(qū)分 當一臺塔機發(fā)生事故后，現(xiàn)場看到的確定是有結構件斷裂，有桿件彎曲，有焊縫開裂，有的部件完全解體，面貌全非。進行事故緣由分析是很困難的工作,必需深化調(diào)查，細致觀看現(xiàn)場狀況，從產(chǎn)品設計、材料選擇、焊接質(zhì)量、斷裂面狀況、現(xiàn)場操作、使用狀況、載荷大小、使用經(jīng)受、工作年限、平安裝置和工作機構是否正常等各個方

12、面，做出種種可能性設想。再應用科學分析手段，對所觀看到的現(xiàn)象和調(diào)查了解到的狀況，進行系統(tǒng)分析和規(guī)律推理。在分析中，要多提問題，多聽取各方面意見，只要發(fā)覺沖突，要敢于否定自己的設想。最終必需找到一個能解釋所觀看到的現(xiàn)象、符合規(guī)律推理、讓人們能夠接受的分析結論。在分析過程中，專業(yè)學問是很重要的，要切忌只看現(xiàn)象、不究實質(zhì)、想當然的輕易下結論。但不管狀況怎么簡潔，對于結構破壞，最重要的是必需要抓住載荷分析、應力分析和結構承載力氣分析，由于任何破壞，總離不開是實際應力超過所能承受的極限應力才能引起。也就是說實際載荷超過了平安儲備范圍。你必需找到引起應力超值的緣由。對于承受壓、彎聯(lián)合作用的結構，前面我們已

13、經(jīng)分析過，承受壓力的桿件，其平安儲備系數(shù)最低，也即破壞往往由壓桿局部失穩(wěn)引起。但桿件失穩(wěn)以后,其承載力氣就要下降。實際上桿件失穩(wěn)后,開頭只是微彎,并不明顯,若現(xiàn)場沒有發(fā)覺,還會連續(xù)使用。結果每起吊一次,彎曲撓度就增加一點,彎曲撓度越大,承壓力氣就越低,在外載荷不變狀況下,受拉主弦的拉力就要增加。而對塔身來說,當標準節(jié)主弦彎曲時,該節(jié)距兩端面就會靠攏,塔身上部就會開頭傾斜（見圖5）。在傾斜后起重力矩還要增大,要平衡該起重力矩,受拉主弦的拉力就還要大大增加,這是受壓主弦屈曲后必定發(fā)生的連鎖反應！原來受拉主弦連接套四周或結點焊縫四周,就存在不行避開的應力集中,當拉力增大到確定值時,受不了了,就會發(fā)生

14、斷裂。這種斷裂就是連鎖反應斷裂。這只是一種斷裂現(xiàn)象,但不是發(fā)生事故的真正緣由。 上一頁1 2下一頁 有的地方,一看到有斷裂現(xiàn)象消逝,就認為是質(zhì)量缺陷。他們往往找人做一下金相分析就下結論,這是不妥的。的確,因質(zhì)量缺陷引發(fā)的事故也存在,但必需明確找到缺陷源和引發(fā)因素。比如焊接不到位,焊縫尺寸太小,里面嚴峻夾渣甚至于塞有焊條;構件材料或尺寸與圖紙不符;所用材料不正規(guī),沒有質(zhì)量保證書;孔邊或外形簡潔的零件有尖角存在,簡潔引起應力集中等等?？傊?從載荷到使用歷史,必需認真檢查分析,才能找到真正的事故緣由。一般地說,對使用時間較長的塔式起重機,由質(zhì)量缺陷引起的事故很少見,由于假如存在原始質(zhì)量缺陷,在早期使

15、用中早就會表現(xiàn)出來了。但老塔式起重機最可怕的是疲乏破壞和磨損破壞,用戶要特殊留意維護檢查。一查平安機構,特殊是力矩限制器,不要讓它失靈而引起超載;二查節(jié)點處、孔邊緣、尖角處和連接頭四周是否有疲乏裂紋;三查易磨損處的磨損量是不是太多。一旦發(fā)覺裂紋和磨損過多,要馬上補焊,而且要同時檢查力矩限制器是否失靈,由于疲乏開裂與長期載荷失控有關。對于使用歷史不太長的塔式起重機,如安裝時做過試驗和調(diào)試,使用中消逝了斷裂事故,首先要查力矩限制器是否工作正常。只要力矩限制器是正常的,那由質(zhì)量缺陷引發(fā)事故的可能性就比較大。要害就是要查焊縫、孔邊緣、尖角四周等應力集中處,由于在力矩沒超過額定載荷狀況下,局部失穩(wěn)就不會

16、發(fā)生（有桿件碰彎的狀況例外）,既然連臨界應力都達不到,那離強度極限就更遠，所以母材的斷裂就更難發(fā)生了,只有焊接質(zhì)量和原始缺陷才可能是薄弱環(huán)節(jié)，但由原始缺陷引起的斷裂，其斷裂面往往有新、舊斷裂面的明顯界限，舊斷裂面是缺陷源處應力集中、裂縫漸漸擴大所留下的。假如沒有看到舊斷裂面的痕跡，而對面桿又有彎曲現(xiàn)象，那這種斷裂就是屈曲失穩(wěn)引發(fā)的連鎖斷裂。由于沒有缺陷源的主弦桿，其破斷拉力不行能低于臨界壓力。正是這樣,才在這里提出要強調(diào)壓桿失穩(wěn)對塔式起重機的平安威懾。 5提高理性生疏,留意防止受壓桿件失穩(wěn) 通過前面的介紹,大家就會明白:對塔式起重機結構件來說,除了斷裂破壞,還有一種更危急的破壞形式,那就是壓桿

17、局部失穩(wěn)。當然，前面的介紹只是概念性的，要真正會設計計算還要考慮其他因素，但是能從只有單一的斷裂破壞概念進入到懂得受壓桿件局部失穩(wěn)破壞，這在理性生疏上已經(jīng)提高了一步。對于使用單位和管理部門來說，提高關于壓桿失穩(wěn)對塔式起重機的平安威懾的理性生疏很有必要。有的用戶使用塔機，認為只要能吊起來就沒事了，就是平安的，實際并非如此。由于他們不了解塔機結構件到底存在有那些危急因素，更不了解各種破壞因素的平安儲備，所以各種各樣的不自覺的違章作業(yè)較多，犯了錯誤還不知道；有的地方管理部門，抓平安不知道什么是要害，查平安不查平安裝置是否正常，而是查一些無關緊要的地方；出了事故，不留意疼惜現(xiàn)場，盡快請專業(yè)機構和專業(yè)人

18、員來關懷分析，而是在當?shù)卣乙恍┤藖砜纯?，大家按自己的生疏就爭辯出一個說法。這樣做是很不利于吸取教訓、搞好平安生產(chǎn)的。有的地方只做一下金相分析,就給事故緣由下結論,也是很不慎重的。由于金相分析只能定性地看一看材料或者焊縫的金相組織狀況,并不能定量確定材料的承載力氣,搞不清應力分布狀況和各種平安因素的大小,這又怎么能找到真正的緣由呢？實際上，塔式起重機是特種產(chǎn)品，是要許可證才能生產(chǎn)銷售的，出了事故往往都是大事故，因此制造商還比較謹慎,所用材料基本上是大鋼鐵廠供應的大批量生產(chǎn)的材料,一般都會有質(zhì)量保證書。低質(zhì)量塔機產(chǎn)品也有，但不像其他商品那樣簡潔消逝假冒偽劣；到是在使用管理上，由于缺乏培訓，特殊缺少

19、理性生疏，要把握違章作業(yè)是比較困難的。因此我們一再呼吁，管理部門要重視加強技術培訓,提高理性生疏,切實有效地防止事故。其中防止壓桿失穩(wěn)就是一個重要方面。要防止壓桿失穩(wěn)破壞，我以為要特殊留意以下幾點：5.1確保塔機平安裝置正確有效的工作在使用塔機時,確定要保持平安機構正常有效的工作,特殊是力矩限制器。由于發(fā)生局部失穩(wěn),確定要實際壓力超過臨界壓力。只要力矩限制器正常,不管什么緣由造成超載,就會報警和停電,叫你吊不起來。只要不超載,實際壓力就不會大于臨界壓力,也就不會消逝桿件局部失穩(wěn)。然而，在工地上，力矩限制器調(diào)好后，平常工作機會并不多，過一段時間后，到底工作正常不正長，操并不知道，這就簡潔引發(fā)事故

20、。因此確定要留意檢查維護。方法是每隔一段時間，要去撥動一下力矩限制器限位開關的觸頭，看它是否還會報警。假如沒有反應，就要先查力矩限制器的傳感電路，確定要找出緣由并處理好后才能連續(xù)操作。有些工地把小塔機當大塔用，有意把力矩限制器的電路撤掉，這是特殊危急的，是嚴峻違章行為。5.2要疼惜桿件不要有初彎曲塔機在轉(zhuǎn)移搬運過程中,要特殊留意防止碰彎桿件。由于有初彎曲的桿件,其承載力氣低于直桿,也就是說,實際上彎桿已經(jīng)失穩(wěn),再承受過大載荷,只會加大彎曲撓度,提早消逝破壞。如能發(fā)覺彎曲,確定要先補強才能連續(xù)使用。5.3正確執(zhí)行規(guī)定的安裝程序嚴格按使用說明書指定的安裝挨次進行安裝和拆卸。在塔式起重機使用說明書中

21、,為了防止不平衡力矩過大,在安裝平衡臂和起重臂時,明確規(guī)定先安裝平衡臂,加12塊平衡重后,再安裝起重臂,最終才裝上全部平衡重。拆塔時正好相反,確定要先拆平衡重,只留下12塊,才能拆起重臂。這一安裝過程,對塔頂和塔身來說,其受的不平衡力矩是:先后傾,再前傾,最終是后傾。但每種狀態(tài),傾翻力矩都在容許范圍內(nèi)。然而由于缺乏理性生疏,有些工地對此并不留意,因而引發(fā)重大事故,特殊是拆塔過程事故更多。例如有一個工地,在安裝塔機起重臂時,根部銷軸找不到了,就車了兩個銷軸代用, 塔式起重機安裝好后,原配銷軸又找到了,就想換下來,這就要拆起重臂。當時有人提示,要先拆平衡重塊,才能拆起重臂。但其負責人嫌麻煩,就叫用

22、汽車吊起吊起重臂,結果造成塔頂后主弦失穩(wěn)、塔機向后傾倒的嚴峻事故。還有一個單位,在安裝塔機時,裝完起重臂后,沒準時拆掉起升繩卡,就裝平衡重,裝完平衡重就下班,其次天再去拆起升繩卡。為了把起升繩放松一點,在司機還沒來時,安裝人員自己去開起升機構,結果正好開反了方向,起升繩不但沒放松,反而把吊臂上提,吊臂拉桿靠塔頂?shù)囊恍《嗡沙?使對塔頂向前的拉力突然減小,但此時全部平衡重已加上去了,平衡拉桿拉力很大,結果引起塔頂后主弦桿屈曲,頂部向后傾倒（見圖6）,平衡臂下砟的重大事故。5.4頂升時留意調(diào)好平衡在塔機加節(jié)頂升時,確定要留意調(diào)好前后平衡,要使被頂起的部分的重心大體落在頂升油缸上。方法是:假如重心靠后

23、,確定是頂升套架的前上滾輪與塔身前主弦接觸;后下滾輪與塔身后主弦接觸。此時漸漸向前移動變幅小車（帶所吊的平衡標準節(jié)）,使前上滾輪或后下滾輪有一個離開標準節(jié)主弦桿就可以了（假定此前滾輪位置基本調(diào)得對稱）。反之亦然。假如頂升時頂部的平衡調(diào)得不好,套架滾輪對標準節(jié)主弦桿壓力太大,有使主弦桿發(fā)生初始彎曲的可能性,這就易引起壓桿失穩(wěn)破壞。5.5頂升時要把臂架鎖定在正前方頂升時起重臂確定要在正前方,而且確定要鎖好回轉(zhuǎn)制動。由于假如偏離正前方,比如說在標準節(jié)對角線方向,頂部的不平衡力矩（這在實際上總是存在的）就會由單個滾輪來傳遞。單根主弦受力就大,而且套架的引入門邊框主弦,由于缺少橫腹桿支撐,節(jié)距較長,長細

24、比較大,所以臨界壓力較低,比較簡潔失穩(wěn)。不太大的前傾力矩,就可能會引發(fā)頂部傾翻事故。有一個工地,在給一臺25tm塔機頂升加節(jié)時,在20多米高處,頂完一個節(jié)距后,再頂其次個節(jié)距時,因液壓系統(tǒng)故障,頂不動了,造成上不能上,下不能下。當時安裝人員也很焦急,總期望先放下已經(jīng)頂起的節(jié)距,但沒有達到目的就天黑了,只好打算其次天再處理?？墒怯峙峦砩瞎物L,就把回轉(zhuǎn)制動給放松了。其次天上班時,臂架已轉(zhuǎn)到大約90方向,但還沒有出事,可是他們沒把臂架轉(zhuǎn)到正方向并鎖定,就去拆卸液壓泵站。就在拆卸的過程中,受壓的引入門邊框失穩(wěn),導致已頂起的頂部傾倒而造成機毀人亡的特大事故。很惋惜！原來這些安裝人員還是很當心,也知道橫向風力的危急,才放松回轉(zhuǎn)制動?？墒翘幚砩喜⒉徽_。一是當天應馬上清洗液壓系統(tǒng),而不是降塔,只要系統(tǒng)回路一通,問題就好解決了。再是其次天應先使起重臂轉(zhuǎn)到正前方并鎖定,才能做其它事。估量他們并不太理睬臂架不在正前方而且未制動，對引入門邊框受壓桿失穩(wěn)構成多么嚴峻的威懾。5.6重視斜拉側拉的危急性要嚴禁斜拉、側拉起吊重物,特殊是大幅度起吊時更要留意。由于斜拉、側拉起吊,除了起重力矩外,臂架還要受到一個水平橫向力矩。這個力矩會使臂架根部下主弦桿產(chǎn)生一個較大的壓力,大幅度起吊時,起重力矩