台风引起的起重机倾翻事故原因分析及预防措施

杨敏俐 上海铁路局科研所

台风引起的起重机倾翻事故原因分析及预防措施

杨敏俐 上海铁路局科研所

通过对台风引起的门式起重机倾翻事故原因的分析和倾翻过程的受力分析和计算，提出门式起重机紧急防风措施和建议。

起重机；防风；措施

门式起重机是铁路货场广泛使用的装卸笨重货物的大型机械，它的使用极大地提高了工作效率，减轻了劳动者的劳动强度，但是门式起重机在紧急情况下安全使用的风险不小，在台风季节，重达近百吨的门式起重机被吹倒报废的事故时有发生，起重机整体倾翻事故是起重机安全事故中最严重、经济损失最大的事故。在门式起重机的使用和检验中，门式起重机的紧急防风措施值得重视和探讨。

1 台风引起的起重机倾翻的事故原因分析

每年的夏、秋季节是沿海地区常常发生台风的季节，台风来袭时往往是狂风大作，暴雨雷电交加，风力常常达9～11级，局部瞬时风力可达12级以上，根据风速估计风压的通用公式有：P1=V2/1600，其中P1为风压（kN/m2），V为风速（m/s），由这个公式可得风级、风速与风压的关系表1。

表1 风级、风速与风压的关系

起重机设计规范上规定沿海地区起重机工作状态计算风压为250N/m2（与计算风压相应的计算风速为20m/s），这就意味着按规范设计、生产出来的起重机在工作状态时如果忽然刮起强台风的话，如风力达12级时从表1知风压可达800N/m2左右，这时起重机的安全就会受到极大的威胁。从已经发生的数起紧急情况下台风引起的门式起重机倾翻事故中分析出门式起重机倾翻的原因是由以下一系列情况所致：

（1）由于台风和雷电一起来袭时忽遇停电，正在作业的门式起重机无法运行到锚定装置位置，导致锚定装置无法正常发挥防风作用。

（2）防风活络铁鞋未正常发挥作用，有的是铁鞋未放在车轮下、有的是铁鞋虽然放在车轮下但没放到位导致刹不住大车走行轮。还有的应急反应不及时，当起重机已经被风吹跑起来时，再放铁鞋也放不了，铁鞋很容易被弹出钢轨外。

（3）在上述情况存在的情况下，门式起重机处于紧急情况，当起重机所受的风力大于起重机所受的其它外力时，风力会将门式起重机推着在轨道上滑行，会导致起重机的倾翻。

风力作用下四台车四轮驱动的门式起重机受力情况如图1所示。

图1 四台车四轮驱动门式起重机受力简图

起重机工作状态设定为空载、顺风、下坡运行制动，此时它所受的力有：

G重：起重机自身重力(N)

PZ1：起重机车轮制动时制动器在车轮踏面上产生的制动力（N）

Pα：起重机下坡时沿坡道方向产生的滑行力（N）由公式FP=KPG重计算，通常取Kp=0.001

PD：起重机运行制动时产生的惯性力（N）为起重机自身质量和总起升质量与运行加速度α乘积

Pf：起重机运行摩擦阻力（N），Pf=ωG重，对装减摩滚动轴承的车轮ω取0.006

PWⅡ：起重机所承受的工作状态风压力（N）

N1、N1'、N2、N2'：起重机车轮所受的支承反力（N）

根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》8.2.1.1规定，起重机工作状态下的抗风防滑安全性按下式检验计算：

PZ1≥1.1PWⅡ+Pα+PD－Pf

下面按20t/10t双梁U型门式起重机的参数进行计算，起重机型号为MG20/10-23A6，主梁长43m，起重机自重G重为945500N，考虑工作状态为空载时突遇12级强大风力的工况，由表1取12级台风的计算风压为800N/m2，因为强风导致停电大车速度为0，起重机4个台车共用4个常闭制动器YWZ300/45，制动力矩为441N·m，大车轴距B为8500mm，台车中心距L为1050mm，大车轮半径d为400mm，有：

PWⅡ=CP1A，C为风力系数；对所验算的起重机而言，C可取1，P1为工作状态计算风压，A为起重机构件及货物垂直于风向的实体迎风面积（m2）。不考虑货物时起重机的迎风面积A=∑Ai，经计算取110m2。

PWⅡ=800×110=88000（N）

Pα=0.001×945500=945.5（N）

PD=αG总/g，按大车断电状态，大车运行速度为0、PD=0

Pf=0.006×945500=5673（N）

1.1 PWⅡ+Pα+PD－Pf=1.1×88000+945.5+0-5673=92072.5（N）

大车防风制动器抱闸时，制动器作用在大车轮踏面上的圆周切向力为：

PZ1=4M制i/d，其中：

M制--单台制动器的制动力矩（N·m）

d--大车走行轮半径d=400mm

i--从制动轮轴到车轮轴的传动比i=34.4

防风制动器制动时PZ1=4×441×34.4/0.4=151704（N）

被制动车轮与轨道的黏着力（即摩擦力）F为F=Nf滑，N= N1+N2=G重/2，f滑=0.14，F=945500×0.14/2=66185（N）

当PZ1＞F时，PZ用被制动车轮与轨道的黏着力F代替。即PZ应取66185N，而66185N＜92072.5N，即PZ1＜1.1PWⅡ+Pα+ PD－Pf，说明起重机的抗风防滑验证不合格，门式起重机在大风作用下会在主动车轮滑动被动轮滚动的情况下在钢轨上滑行。

（4）当起重机在大车钢轨上滑行时，由于加速度的作用，它的滑行速度会越来越快，直至和大车走行线尽头的钢轨端档发生碰撞。在碰撞发生时起重机将沿倾翻轴线转动，起重机的重心会抬高，一旦起重机的重心超过垂直的倾翻轴线，起重机就会倾翻。在这个过程中，碰撞使起重机获得动能A1，风力使起重机做了一个倾翻力矩功A2，重心的抬高增加了起重机的势能，E为其增加量，当起重机和端头发生碰撞发生时还会有碰撞能量损耗W，这主要与起重机金属结构和线路端头挡块的构造和材料有关。碰撞损耗能量的一部分用于材料内部阻滞，一部分转换为弹性能，产生反弹，取W为A1的10%。若A1+A2-W=E，则起重机处于平衡的临界状态，一旦A1+A2-W＞E，起重机就会翻倒。

仍按前面所述起重机的参数和状态进行计算（起重机倾翻临界状态示意图见图2）。

图2 碰撞发生时起重机倾翻临界状态示意图

假定起大风时，起重机与钢轨端头档块距离S为120m。根据牛顿第二定律，考虑起重机大车各回转零件转动惯量对起重机加速度的影响，在计算中取换算系数为1.3，则有：PWⅡ+Pα+PD－Pf-PZ1=1.3Ma，所以

88000+945.5 +0 -5673-66185=1.3a×945500/g

a=17087.5/122915=0.14（m/s2）

A1=MV2/2=5.82×945500/2g=1590331（J）=1590（KJ）

A2=PWⅡh风θ，其中h风=∑A1hi/A，经计算h风=11.4（m）

起重机的重心高h重=∑hiGI/G，经计算，起重机整体的重心高h重=9.07m=9070mm，则tgθ=(B/2+L/2)/(h重-d)

B/2+L/2=8500/2+1050/2=4775（mm）

h重-d=9070-400=8670（mm）

tgθ=0.55θ=28.8°=28.8×2π/360弧度=0.5弧度

A2=88000×11.4×0.5=501600（J）=501.6KJ

W=10%×A1=159KJ

E=Mg△h，M为起重机的整机质量

E=Mg△h=G重△h=945500×1.23=1162965（J）=1162.97KJ A1+A2-W=1590+501.6-159=1932.6(KJ)＞1162.97KJ

由以上计算可知：A1+A2-W＞E，由此说明刮大风时起重机空载撞上距离120m的钢轨端头时，起重机会翻倒。

2 门式起重机的紧急防风措施和建议

（1）完善和具体落实各种规章制度。《特种设备安全法》要求使用单位要建立安全管理制度。对于起重机来说，这些制度应该包含：安全操作规程；日常维护保养制度；使用安全管理制度；岗位责任制度；定期检查制度；起重机事故应急专项预案；交接班制度和职工培训制度等。其中，针对防风方面，应该组织有关人员进行技术培训，让他们了解防风装置的工作原理、工作过程、技术要求和维修保养知识。每年台风季节来临前受台风影响的起重机所在地的使用单位应组织有关人员按起重机事故应急专项预案进行定期的应急演练，以下几点值得关注：

①台风季节严密关注天气预报，做好防风措施，保证风速仪正常使用。在起重机工作状态，风力大于6级，风速为11m/s时，风速仪要能报警，风速大于等于13m/s并持续4s时能自动切断起重机大车运行机构的电源，同时大车运行制动器和防风制动器分级工作，即大车运行制动器制动完毕后防风制动器进行制动。这样可以减少突然制动产生的强大惯性力，使起重机缓慢停下。另外要有效保证防风制动器中制动轮为300mm直径的防风制动器能按规定的制动力矩工作。应完善制动力矩的定期测量制度，定期测量防风制动器的制动力矩。并将测量数据记录在安全检查本上以便检查。

②在放置铁鞋时要保证防风铁鞋能放在大车被动轮的逆风位置一侧，并且使铁鞋的舌尖和车轮踏面和轨道都良好接触。现在的一般情况是在4个被动轮的前后两个运行方向上各放上一对铁鞋共四只铁鞋，建议：当门式起重机所处的地理位置为台风风口时，在紧急情况下最好是四个被动轮的前后二侧都能在断电后及时放上铁鞋，即放上8只防风铁鞋。考虑台车下空间较小，台车下主、被动轮间的4个被动轮在放置铁鞋时可用轻巧的木楔代替，靠下横梁中部一侧的4个被动轮放置的铁鞋仍用常规的铁鞋。

③露天使用的门式起重机都宜配置夹轨器和锚定装置。夹轨器常规情况下是在门式起重机四个台车的一条对角线上各使用一个夹轨器。建议：当门式起重机所处的地理位置为台风风口时，宜增加夹轨器的使用数量，可以在起重机四个台车端头都各使用一个夹轨器。这样会大大提高起重机的紧急防风能力。起重机在非工作状态应停在指定位置，放好夹轨器和锚定装置，夹轨器和锚定装置应与大车运行机构联锁，当夹轨器和锚定装置只要有一个放下时，大车不能运行。在夹轨器和锚定装置使用中，联锁开关、螺丝、支承座等易损坏，要加强维修保养更新，大车钢轨的状态也要经常检查，轨面不平和轨道两侧异物都会影响夹轨器的有效使用，要及时消除。

④采用位势能及端档防风：位势能端档长度一般为走行台车轴距，为8m～10m，夹角为6～80，位势能端档与大车钢轨用螺栓连接。应尽量将钢轨同侧的两个端档做得一样牢固可靠，并且和起重机的距离相等，以保证起重机碰到端档时是两侧同时碰上的状态，这样可以减少发生碰撞时两侧台车受力不一致的现象。斜坡能缓冲起重机的前进速度，有效减小起重机和端档发生碰撞时产生的动能。还能使起重机的重心向内倾斜减少起重机外翻的可能（见图3）。

⑤采用支承台、缓冲槽防风。支承台、缓冲槽在起重机冲出位势能端档后，大车轮悬空时起作用。当车轮悬空时，起重机的下横梁和位势能的最高点A接触，滑动摩擦力加大，动能降低，设置混砂槽后可以让起重机的下横梁落在上面，降低起重机翻倒的危险（见图4）。

图3 采用位势能及端档防风简图

图4 采用支承台、缓冲槽防风简图

（2）要提高人员素质，增强责任心。无论是管理人员还是操作人员在思想上都要高度重视起重机的防风工作，不能马马虎虎心存侥幸，做到自觉遵守和实行各项规章制度。一旦发生台风导致断电和风速仪联锁使大车走行断电的紧急情况，就要及时采取防风应急措施，防止起重机被风吹跑起来。拖拖拉拉、行动不及时就会失去最佳的防风时间。

（3）如图1所示的起重机为一半大车走行轮为主动轮式。即8个大车轮中有4个车轮为主动轮。如果所有大车走行车轮皆为主动轮式的话，起重机的防风制动能力就能提高一倍，将能有效提高门式起重机的紧急防风能力。

3 结束语

防止风灾引起的紧急情况下门式起重机的倾翻事故要以“安全生产、预防为主、综合治理”的安全方针为指导思想，从提高人员综合素质上着手，在管理、使用、维修保养、定期检验方面高度重视防风工作，所有相关人员应经严格的业务培训了解防风知识和相关的维护保养知识并经考试合格后持证上岗，同时要加强日常检查工作，严格按操作规程作业，并且在分析和总结事故原因的同时对门式起重机的防风措施和设备进行一些适当的改进和借鉴，这样就能有益于减少和避免紧急情况下起重机风灾事故的发生。

责任编辑：王华 于建明
来稿日期：2014-01-09