一起塔式起重机事故分析

1、一起塔式起重机事故分析江苏省特种设备安全监督检验研究院宿迁分院 刘 兵邮政编码：223800通讯地址:江苏省宿迁市经济开发区建陵道西侧电话-mail: sq4367119二00五年五月十二日上午七时许，我市某工地一台塔式起重机在使用过程中，起升机构减速器输出轴突然断裂，引起吊钩和所吊重物失控下滑，导致正在作业的一名工人受伤。一、现场情况（一）总体情况1、该塔式起重机为井架式塔式起重机，无铭牌。2、变幅机构：正常，小车在起重臂的最前端，小车架无变形、修整现象，小车上的滑轮运转无卡阻现象；3、回转机构：正常。4、起升机构： 电动机型号：YD160M-4/2、9/11k

2、w、18.5/22.8A、1460/2930r/min，运转正常； 减速器：为两级减速器，无铭牌，输出轴断裂（断裂位置见图1），齿轮为斜齿圆柱齿轮，高速级轴距为150mm（减速比为85/13）、低速级轴距为205mm（减速比为84/14），低速齿轮分度圆直径为240，各级齿轮、轴承无磨损、损坏现象； 钢丝绳卷筒另一端支撑轴承型号为210，轴承座靠近电动机一端开裂，轴承倾斜在轴承座内（见示意图2），轴承运转良好、无卡阻现象； 钢丝绳卷筒与减速器输出轴之间原来采用花键联轴器联接（一部分与钢丝绳卷筒焊接固定，另一部分与减速器输出轴通过花键槽联接），现场检查发现该花键联轴器可移动部分被焊接固定并用螺纹

3、钢加固，使该花键联轴器变为固定式刚性联轴器。减速器输出轴断裂的部分留在联轴器内。钢丝绳卷筒、联轴器、减速器输出轴成为一整体从起升机构上脱落下来； 吊钩滑轮运转无卡阻现象；起升钢丝绳型号为61912.5，连同吊钩一起散落塔式起重机东南方向，其位置位于起重臂最大幅度位置下方（朱某也是在此位置受伤的）、距塔式起重机回转中心为25m，起升钢丝绳未报废；钢丝绳卷筒支撑轴承的中心与减速器输出轴的中心不重合，有1.0mm的偏差。5、安全附件：该塔式起重机未安装安全附件。6、塔式起重机的资料情况：由于使用单位未能提供该塔式起重机的随机资料，所以不能确定该塔式起重机的性能参数、生产厂家、出厂日期，根据与同类型塔

4、式起重机比对，可初步将该塔式起重机的型号确定为QT16（最大起重量为1600）、QT20（最大起重量为2000）两种型号中的一种。（二）安装、使用情况1、安装日期、投用日期该塔式起重机安装完工日期为2005年5月5日，当日即投入使用；2、司机该塔式起重机发生事故时的司机是江某，无有效的塔式起重机操作证件；（三）事故经过 2005年5月12日早上7时40分，工地工人朱某站在第二间（从东数）墙外第一层脚手架正在砌墙（此时此处墙已经砌有2.5m高），司机江某将一吊篮砖起吊后，回转、变幅至该位置附近上方，在吊篮下降至距地面5m左右时，起升机构减速器输出轴突然断裂，导致吊钩和吊篮失控下滑，将该处脚手架砸

5、断、局部墙被砸倒，致使朱某与脚手架一起坠落并被脚手架和砖砸成重伤。二、事故原因分析造成这次事故的技术上的直接原因是塔式起重机起升机构减速器输出轴断裂。（一）减速器输出轴断裂面断口情况：轴的断口上明显地有两个区域，一个是表面光滑区，一个是粗颗粒状区，呈现出典型的疲劳断裂断口特征。轴的断口发生在轴的截面突然变化的位置（见图1），此处是应力集中部位，是轴的薄弱处（容易产生疲劳裂纹）。（二）减速器输出轴强度分析计算1、 因为塔式起重机起升机构频繁周期性地升降吊物、工地上吊重经常变化以及钢丝绳在卷筒上来回缠绕，所以减速器输出轴承受交变载荷，在断口产生交变应力。2、 当钢丝绳卷筒与减速器输出轴之间采用花键

6、联轴器联接时，联轴器可以自动补偿卷筒轴中心与减速器输出轴中心的偏差；当花键联轴器被改造成固定式刚性联轴器时，联轴器不能补偿卷筒轴中心与减速器输出轴中心的偏差，致使减速器输出轴承受额外的附加交变载荷。3、 钢丝绳卷筒与减速器输出轴之间原来采用花键联轴器联接，此时卷筒轴与减速器输出轴为两根相对独立的轴，都可简化为静定梁，两根轴的受力比较简单；而当花键联轴器被改造成固定式刚性联轴器时，卷筒轴与减速器输出轴成为一根轴，并且只能简化为静不定梁，轴的受力情况比较复杂，经过计算（见强度计算书，附后）可以得出：联轴器改造后减速器输出轴在断口位置的抗弯曲强度显著降低、承载能力显著下降。（三）事故原因分析从现场调

7、查情况和以上分析、计算结果可以得出：当减速器输出轴的抗弯曲强度降低、承载能力下降而载荷状况恶化时，在交变应力的作用下，轴的表面首先在应力集中处产生微裂纹，这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，直到余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，轴突然断裂。裂纹扩展过程中，在变应力的重复作用下，裂纹两边相互摩擦形成断裂表面光滑区，最终发生断裂时，形成脆性断裂粗颗粒状区。强度计算书一、 说明：1、 本次强度计算的目的：当起升钢丝绳所受拉力相同时，比较不同的联轴器对减速器输出轴强度的影响；2、 由于起升钢丝绳在卷筒上来回缠绕，计算时假设钢丝绳所受拉力为6000N，并作用在卷筒中部圆周切线上。经测量，钢

8、丝绳拉力方向与水平方向夹角为33；3、 根据减速器输出轴的表面硬度及材质分析，得出减速器输出轴材料为45钢、并经调质处理，经查有关资料得： 4、 减速器输出轴齿轮齿数为85，啮合小齿轮齿数为14，低速级中心距为205mm。二、 卷筒及减速器装配尺寸（测绘值）1、 装配图、外形尺寸见图3 2、 卷筒壁厚为9.29.3mm。三、 卷筒与减速器采用花键联轴器联接此时图3可简化为两根静定梁：见图3-1和图3-2 （一）求卷筒轴两支座支反力R1、R2：根据图3-1有：式中：则有：解得： （二）求减速器输出轴受力F2及由卷筒传递的转矩T：根据图3-1和图3-2有：式中：R2为联轴器传递给卷筒的支反力F1为

9、钢丝绳拉力d1为卷筒直径，：d2为起升钢丝绳直径，经现场测量：则有：（三）求F2力在D点产生的弯矩M1：（四）求D点的当量弯矩Me及在此当量弯矩作用下轴的最小直径d： 因为减速器轴的应力为对称循环变应力，所以取则有：则有减速器输出轴在D点的最小直径d应为：实际测量D点的轴的直径d55mm。可见，此时轴在D点处是安全的。四、 卷筒与减速器采用固定式刚性联轴器联接：此时图3只能简化为一静不定梁，见图3-3 （一）求水平面内的支反力：见图3-3（a）则有方程组（1）式中：R1H为支座C水平面的支反力R2H为支座B水平面的支反力R3H为支座A水平面的支反力F1H为F1在水平面的分力：d3为减速器输出轴

10、齿轮分度圆直径：因为：低速级中心距(z1、z2分别为减速器输出轴齿轮齿数、啮合小齿轮齿数) 所以有： 得：所以：Fa为轮齿轴向反力Fr为轮齿径向分力Ft为轮齿圆周分力因为： 所以： 因为： 所以： 因为：（Fa、Fr、Ft合力为轮齿所受法向力Fn） YBF1H为支座B解除后，轴在力F1H作用下，B点的挠度YBR2H为支座B解除后，轴在力R2H作用下，B点的挠度YBFr为支座B解除后，轴在力Fr作用下，B点的挠度YBFa为支座B解除后，轴在力Fa作用下，B点的挠度将上述各值代入方程组（1）解得：（二）求D-D面在水平面上的弯矩MH：（三）求垂直面内的支反力：见图3-3（c）有方程组（2）：式中：R1V为支座C垂直面的支反力R2V为支座B垂直面的支反力R3V为支座A垂直面的支反力F1V为F1在垂直面的分力：YBF1V为支座B解除后，轴在力F1V作用下，B点的挠度YBR2V为支座B解除后，轴在力R2V作用下，B点的挠度YBFt为支座B解除后，轴在力Ft作用下，B点的挠度将上述各值代入方程组（2）解得：（四）求D-D面在垂直面上的弯矩MV：（五）求D-D面的当量弯矩Me：则有：减速器输出轴在D-D面的最小直径d