江苏省特种设备安全监督检验研究院徐州分院徐州 221007
摘 要：针对桥式偏轨箱形梁起重机使用时出现的小车脱轨问题，通过理论分析和强度计算，在起重机小车上加装安全钩以防止小车脱轨。加装安全钩后的起重机运行正常，未发生干涉或影响起重机使用性能的情况，解决了小车脱轨安全隐患，为该类型的起重机整改提供参考。
关键词：桥式起重机，偏轨箱形梁；脱轨；安全钩
0 引言
起重机械在车间、码头、货场等许多场所应用广泛，减轻了劳动者的工作强度，提高了生产效率，在实现自动化和现代化进程中扮演着重要角色。起重机作为重要的工艺设备和辅助机械，一旦发生事故，会给人们的生命财产带来极大的负面影响，因而，应分析事故产生的原因，及时采取应对措施，在保证起重机正常工作的同时，实现经济效益和社会效益的最大化。
1 事故概况
2018 年9 月某日，某企业的机械加工车间，一台桥式偏轨箱形梁起重机（型号为LH20-28.5 A5）在吊运钢板的过程中，捆扎钢板的钢丝绳断裂，突然卸载导致起重机小车弹跳，小车被弹起后从小车轨道脱轨，小车的一侧未能落在主梁上，并从两根主梁中间坠落到车间地面。事故造成小车车架变形，起升机构、小车运行机构均损毁，所幸未造成人员伤亡。
2 偏轨箱型梁起重机特点
如图1 所示，根据小车轨道在箱形梁上的位置，箱形梁可以分为三种：轨道布置在两腹板中央称为正轨箱形梁；轨道布置在两腹板之间，且靠近主腹板称为半偏轨箱形梁；轨道布置在主腹板上方称为偏轨箱形梁[1]。
（a）正轨箱形梁 （b）半偏轨箱形梁 （c）偏轨箱形梁
图 1 箱形梁结构型式
偏轨箱形梁具有以下优点：1）在结构上省去了正轨箱形梁为支承小车轨道而设置的小筋板，只是大筋板略密些，从而省去大量焊缝，并且上下焊缝基本对称，焊接方便，在制造过程中板的焊接变形量也较小，减小主梁的焊接残余应力。2）偏轨箱形梁的主腹板直接承受小车轮压，不但避免小车轮压引起的上盖板局部弯曲过大，改善大筋板的受力状况，而且可以适当减薄副腹板的厚度。3）在小车轨距相同的情况下，偏轨梁可以扩大吊具（索具）的活动范围，可以适当增加提升高度。4）偏轨箱形梁本身可以兼作走台，整机结构紧凑，占用空间小，从而减轻了起重机自身重量，不但节省材料而且还节能降耗降低生产成本。5）吊具（索具）在上限位或下限位时小车钢丝绳基本上不会与主梁发生干涉且挂缆架布置方便。6）偏轨箱型梁的高宽比很接近，主梁的刚度大。
3小车脱轨隐患分析
偏轨箱形梁在电动葫芦桥式起重机上应用广泛，特别是欧式起重机，其主梁基本采用偏轨箱型梁。该起重机小车拥有结构紧凑、占用空间小、自重轻、噪音小、外形美观等特点，在企业中使用逐渐增多。但该起重机在小车脱轨的情况下，小车发生坠落的概率比传统的正轨箱形梁起重机大的多。
构成安全生产的五大要素分别是人（ 人员：man）、机（机器：machine）、料（材料：material）、法（方法：method）、环（环境：environment），也是质量管理的关键构成部分。事故的发生，是人、机、料、法、环五个方面某个或某几个存在失误或缺陷导致的，结合该起重机的结构特点及使用场所，应用人机料法环分析法，如图2 所示，分析导致小车脱轨的原因。
1）人 起重管理人员和作业人员，管理者管理失误，作业人员安全意识淡薄，责任心不强，对起重机的性能机械的性能和吊装作业的安全技术知识水平偏低等。
2）机起重机本身存在设计上的缺陷或使用存在安全隐患的起重机、起重机不保养或保养不及时。起重机吊装时出现意外：钢丝绳破断（起升绳和捆扎绳）、吊索具失效、动力机构失效、安全保护装置失效（制动器、起升高度限制器、起重量限制器）、脱钩等。
3）料 吊运的物料，作为起重吊运的物料多种多样，有散粒、成件的，液态的，金属或非金属的，有导磁或非导磁的，有高温或常温的。
图 2 人机料法环分析图
4）法 生产过程中所需遵循的规章制度、操作规程。使用单位制度、操作规程不完善或执行不力，起重机操作人员违章操作，交叉作业，或者操作方法不当（物料的捆绑不当、吊装重心选择不当造成偏载起吊、吊运过程遭到碰撞或冲击），造成物料滑脱、脱落、散落等。
5）环起重机的工作环境对人及设备的影响，起重机工作环境较恶劣常在高温、多尘、噪音、烟雾及蒸汽等条件下工作；户外工作的起重机，则经常受风吹日晒雨淋等影响。
事故发生的直接原因是运输钢板的汽车司机违规操作起重机。厂外钢板运输司机运输钢板至车间后，为赶时间，急于卸货，私自违规操作起重机吊卸钢板。由于对现场实际情况不了解，误拿有损伤的钢丝绳捆扎吊装钢板。
事故发生的间接原因：1）采用不符合要求的捆扎钢丝绳；2) 现场管理不规范，有损伤的钢丝绳应未及时回收报废或进行醒目标志；3) 起重机小车未设置防脱轨装置。
4 安全钩和螺栓强度计算
以20 t 双梁桥式起重机进行举例, 增加安全钩尺寸和连接螺栓计算如下：经查起重机设计图纸得知该台起重机的上翼缘板的材质为Q345B, 上翼缘板的厚度δ =12 mm；选择安全钩材质为Q345B，厚度δ =12 mm，宽度100 mm，连接螺栓为M20×45 高强度螺栓，安全钩与起重机上翼缘板的距离尺寸如图3 所示。
图 3 安全钩与翼缘板的距离尺寸
假设该起重机在吊运20 t 物料过程中钢丝绳突然断裂，20 t 小车突然卸载所受反弹力不能导致安全钩和高强度螺栓发生破坏。
根据GB/T3811—2008《起重机设计规范》中4.2.1.1.5 突然卸载时的动力效应“有的起重机正常工作时会在空中从总量m 中突然卸载部分起重质量Δm，这将对起重机结构产生减载振动作用。减小后的起升动载荷用突然卸载冲击系数Φ 3 乘以额定载荷来计算，见图4。
图4 系数Φ 3
空中突然卸载冲击系数
式中：Δm 为突然卸除的部分起升质量；m 为总起升质量；对抓斗或类似的慢速卸载装置的起重机，β 3=0.5；对用电磁盘或类似的快速卸载装置的起重机，β 3=1。”[2]
安全钩计算验证：当Φ3=1 时，冲击载荷最大突然卸载冲击载荷F =mgΦ 3=20 000×9.8×1=196 000 N。一根危险断面承受弯矩M=F ×100/4=4 900 000 N/mm 安全钩截面惯性矩
，质心至边缘的距离y =50 mm，突然卸载时安全钩最大强度
所选择的安全钩是符合要求的。
高强螺栓计算：安全钩连接螺栓主要承载剪切力，拉力忽略不计。
螺栓抗剪切许用应力
突然卸载时受剪连接所需要的螺栓数目
由计算可知连接螺栓为M20×45 高强度螺栓，每个安全钩配备2 副即可满足要求。
5 具体整改方案
在起重机小车上增加四个防脱轨安全钩, 如图5 所示，安全钩固定在小车架上且与主梁上翼缘板有一定的间隙（翼缘板有一定的宽度）。在起重机吊装过程中，当出现起升钢丝绳或捆扎钢丝绳的破断，吊运的物料脱钩，吊索具失效，物料的捆绑不当、吊装重心选择不当造成偏载起吊、吊运过程遭到碰撞冲击等意外情况造成物料脱落都会导致起重机突然卸载（仅吊索具失效一项造成的事故就占全部起重机械事故的四分之一左右[3]），引起小车弹跳或者爬轨的时候，安全钩可以钩住起重机上翼缘板，防止小车跳起脱轨或脱轨导致小车坠落事故的发生。小车加装安全钩实施方案如图6 所示，整改后的起重机实物图如图7 所示。该企业所有同类型起重机共计167 台均加装类似安全钩，增加后所有起重机均工作正常，未发生干涉或影响起重机使用性能的情况。
图 5 防脱轨安全钩
1 主梁 2 小车轨道 3 安全钩 4 连接螺栓 5 小车架
图 6 小车加装防脱轨安全钩的示意图
6 结语
桥式偏轨箱形梁起重机加装安全钩后运行正常，未发生干涉或影响起重机使用性能的情况。加装安全钩具有成本低，安装时间短且效率高的优点，对企业生产影响极小，对起重机小车爬轨、脱轨现象也能防止和控制。在保证起重机正常工作的同时，实现了良好的社会效益。该类型起重机的制造单位可以在出厂前增加该装
图 7 20 t 偏轨箱形梁起重机加装安全钩的实例
置，已经安装投入使用的起重机也可以通过整改加装该装置，在低成本下增加其安全性，起到防患于未然的目的。
参考文献
[1] 付为刚 . 小车轮压作用处偏轨箱形梁局部应力分析 [D]. 成都 : 西南交通大学 , 2009.
[2] GB/T 3811—2008 起重机设计规范 [S].
[3] 王福绵.2006 ～ 2011 年起重机械事故统计分析与防范[J].中国特种设备安全 ,2012,29(2):49-50.
[4] 宫本智 . 起重机械事故类型 [J]. 起重运输机械 ,1996(9):3-6.
[5] 汪军 . 起重机械事故原因分析与安全管理探讨 [J]. 机电工程技术, 2010,39(2):105-107.
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