0 引言
门式起重机是道路桥梁建设过程中的重要设备，被广泛运用于模板、梁片等大型重物的吊装作业。在吊装过程中，起升机构发挥着重要作用，减速器作为起升机构的重要组成，通过降低转速、增大转矩实现动力传递。在起重机工作期间，由于工作条件复杂恶劣，承受复杂的载荷变化，减速器易发生轴承损坏、齿轮失效、轴变形断裂等故障，导致设备停机甚至发生严重的事故。在起重机安全事故调查中，需要对诱发事故的各种因素进行梳理，结合事故现场勘查和物证分析查找事故原因。
1 事故概况
2019 年6 月，四川某高速公路建设项目部箱梁制备厂使用2 台75 t 门式起重机吊运一片125 t 的箱梁，起重机传动机构示意图如图1 所示。吊至离地2 m 时，起重机出现异响、电阻箱上方冒烟，随后起吊物坠落，现场如图2 所示。
1 ～ 6. 齿轮 7. 卷筒 8. 钢丝绳 9. 制动器10. 电机 11 ～ 18. 滚动轴承图1 门式起重机传动机构示意图
图2 起吊物坠落
经现场勘察，该机具体情况如下：
1）现场支腿、桥架梁完好；
2）吊钩砸落，钢丝绳未拉断，钢丝绳压板完好钢丝绳未拉脱；
3）卷筒固定完好，表面未见明显损伤；
4）减速器上箱盖碎裂，下箱座开裂，轴承座开裂，轴承14 的轴承座有磨损痕迹，见图3、图4；
5）齿轮轴Ⅰ弯曲变形，轮齿损坏严重，存在一处严重发蓝烧蚀面，两端轴承外圈破碎；齿轮2 完全破碎，齿轮3 轮齿变形折断，轴承13、14 外圈与保持架破碎，轴承14 内圈存在一处发蓝，见图5 ～图7；
图3 破损的减速器
图4 箱体磨痕
图5 齿轮2 挤压凹坑
图6 齿轮轴Ⅰ弯曲烧蚀
6）轴Ⅲ、轴Ⅳ及轴上齿轮、轴承基本完好；
7） 制动器完好， 但制动鼓背离电机位移约30mm；
8）联轴器连接完好，可见维修痕迹，图8 为齿轮轴Ⅰ与制动轮焊接；
9）电机外形完好，电气线路未见异常，电阻箱壳见一处油漆烧损，见图9。
图7 齿轮2 和轴承碎片
图8 齿轮轴Ⅰ与制动轮焊接
图 9 电阻箱壳烧蚀
2 事故原因要素分类与事故初步分析
2.1 起重事故要素分类
1）操作者原因 起重作业人员需要具备专业的知识，同时不应有不安全的行为。但现实中起重机操作人员往往存在技能不熟练、错误操作、忽视安全、忽视警告、疲劳作业等情况，这些因素都可能引发事故。
2）设备缺陷与故障原因 起重机在实际使用过程中容易出现钢丝绳损坏、结构部件磨损、传动系统部件损坏、电气零部件老化与功能失效、安全装置误动作与失效等故障，若不能及时发现和处理这些设备缺陷会导致重大事故 ；设备长期正常使用离不开良好的设备维护，维护保养不当同样会导致设备故障的产生。
3）设计制造和产品质量原因 GB/T 3811—2008《起重机设计规范》对起重机设计提出了具体要求，若存在设计不当、结构不合理等情况，将直接影响起重机的使用性能。起重机是由各种零部件组成的装配体，有各种金属结构件、机械传动部件、电气部件、安全保护和其他附属件GB/T 14406—2011《通用门式起重机》中对这些零部件有相应的试验方法和检验规定，产品若未进行有效的检验与实验就投入使用，极易导致设备故障。起重机零部件众多，制造时难免会出现产品质量缺陷，焊接结构易出现裂纹、未焊透、夹渣、气孔等缺陷；铸造结构易出现缩孔、疏松、夹杂等缺陷；零部件材料性能可能不合格，这些缺陷和不足会产生应力集中、强度不足，在起重吊装时可能导致构件破坏。零部件尺寸和公差超差将影响装配质量，对起重机正常使用产生影响。零部件的制造质量将直接影响其使用寿命，质量问题会引发过早失效，导致不可预期的起重机事故。
4）违规使用原因 不按GB/T 14406—2011《起重机安全使用》要求违章作业，歪拉斜吊、超载起升等情况，致使起重机结构破坏，造成事故；人为拆除安全装置，使设备失去保护，造成事故。根据相关数据统计，50% 以上事故原因归结为违规使用。
5）工作环境原因 起重机工作需要特定的环境条件，供电电源、轨道公差、接地电阻、温度、气候条件都有相应的要求，当运行条件超范围时，可能导致起重机故障。同时作业场地通常存在着场地杂乱、交叉作业等情况，也可能诱发事故。在特定工作环境条件下运行是起重机使用安全的保证。
2.2 事故初步分析
经过询问、查验相关资料和现场核实，发现起重作业人员有较好的职业素养和较强的专业能力，未出现违规操作情况，工作场地内秩序良好。根据现场勘查情况，起重机主梁、支腿、钢丝绳、卷筒、制动器等均保持完好，但减速器损坏严重，电阻箱壳见一处油漆烧损，因而查找起重机事故的原因，应从这两处异常处入手，寻找设备方面的原因，重点检查与分析减速器损坏原因，同时调查电阻箱壳油漆烧蚀起因。
3 减速器故障分析
3.1 故障原因
减速器常见故障原因有：设计不合理；加工装配不合格；轴承故障，通常由质量缺陷、润滑不良、异物、装配不当造成；齿轮与轴的故障，通常与质量缺陷和设计不合理有关；润滑系统故障等。
事故中损坏的减速器为三级展开式斜齿轮减速器，由箱座、箱盖、齿轮、轴、轴承和相关附件组成。事故发生后应对减速器进行设计校核，校核结果表明该减速器设计合理，强度与传动能满足要求。该减速器采用油池润滑，轴承为飞溅润滑，油品选用220 号齿轮油，使用单位对润滑油定期更换并进行了记录，现场残留润滑油的油质未见劣化，可排除润滑系统故障导致减速器故障。根据维修记录，该减速器更换过轴承部件，且检修后起重机运行期间有异响，由于减速器破坏严重，难以对其加工装配质量检查，因而不能排除检修装配不合格导致减速器故障的可能。
3.2 宏观检查
1）啮合破坏与齿轮损坏
减速器箱体破裂，轴Ⅰ弯曲烧蚀，轴Ⅱ上齿轮2 碎裂、三级传动完好。齿轮2 碎裂，将直接导致传动系统失效，发生重物坠落。齿轮轴Ⅰ上有严重发蓝切削烧蚀面，烧蚀面方向与一级传动齿轮切线方向吻合，这是由于轴Ⅰ被制动器锁死后，齿轮2 顶棱切削齿轮1 所致。在齿轮2 破裂前，齿轮1 和齿轮2 啮合已开始破坏，重物在啮合破坏后开始滑落，齿轮碰撞形成的冲击载荷会使轴Ⅰ弯曲，切削作用会产生烧蚀面。齿轮2 碎裂后，碎片做离心运动也会击碎箱体。整个过程中产生的冲击载荷，导致轴承座、箱体撕裂。因此，齿轮1 和齿轮2啮合的破坏和齿轮2 的碎裂将直接导致起吊物坠落。齿轮在使用过程中齿面可能出现疲劳点蚀、齿面胶合和磨粒磨损，也可能因过载或疲劳而折断。本次事故的齿轮齿面有较严重的点蚀，判断是由于长期的交变齿面接触应力反复作用产生，断齿和破碎的齿轮2 的断口为脆性断裂形貌，判断是由于事故过程中短时过载或冲击载荷产生。轮齿塑性变形说明事故过程中齿轮受到了强应力超过材料屈服极限。点蚀影响传动的平稳性并产生振动和噪声，甚至不能正常工作，事故过程中存在的短时过载导致了齿轮损坏。
2）轴承失效与箱体破裂
现场发现在齿轮2 附近箱体上有一圈圆形磨损痕迹，在剖分面位置有较明显的挤压凹坑，在齿轮2 碎块上同样发现一处明显的挤压凹坑，齿轮2 直径与箱体上发现的圆形磨痕尺寸相近，判断圆形磨痕与挤压凹坑源于齿轮2 与箱体间的异物卡滞。现场检查箱体内部除事故产生的碎片，未发现其他外来异物，测量齿轮2 齿面外沿与箱体间隙约16 mm，脱落钢球直径为17.46 mm和19.05 mm，钢珠具有卡滞的可能。挤压产出的凹坑形貌与现场发现的轴承钢球较吻合，异物卡滞导致齿轮和和箱体被挤裂。因此，钢球卡滞是齿轮2 碎裂、箱体开裂的重要原因。
该减速器轴承类型为深沟球轴承，轴Ⅰ和轴Ⅱ的轴承型号分别为6309、6310。滚动轴承由套圈、滚动体、保持架组成，两个套圈之间放置若干滚动体，通过保持架使滚动体保持一定间隔，实现滚动。保持架往往是轴承结构最薄弱最关键的位置，在高速、高负荷、高频、高热等多种激励下，长时间累积，保持架会发生疲劳、铆接拉脱、断裂，若发现不及时会导致事故。现场发现轴承外圈碎裂、轴承保持架铆接处多处脱开，保持架碎裂，钢珠脱落，在损坏的轴承14 内圈可见一处发蓝蚀痕。事故发生时轴承已失效，不能起到支承和约束作用，造成传动啮合破坏，导致一系列问题的出现和事故的发生。因此保持架破裂和钢珠脱出导致的轴承失效是事故发生的直接原因。
对轴承碎片断口形貌进行宏观检验，发现既有疲劳灰纹又有脆性断裂，脆性断裂可归因于事故过程中的短时过载和冲击载荷，疲劳灰纹产生则与周期性的交变载荷有关。零部件制造过程中可能会存在微观的缺陷，在交变载荷作用下产出疲劳断裂。交变载荷的出现与多种因素有关，但通常与装配质量密切相关。现场发现齿轮轴Ⅰ与制动轮有焊痕，焊接质量较差，而查设计文件该处按设计应通过键联接，判断该焊接结构为检修时私自焊接所致。检修不当会对减速器后续使用造成隐患，甚至引发事故。直接将传动轴与制动器联轴器焊接会产生多种不良后果，由于焊接过程中需要加热至金属熔融，对传动轴有热影响，产生一定的变形与残余应力，焊缝金属也可能产生轴的质量偏心。传动轴特别是高速轴的制造和装配要求极高，部分传动轴还需要进行动平衡，装配前要保证轴跳动在允差范围内，装配时要求严格的找正。事故减速器因传动轴与制动器装配后焊接，既会使轴变形又会使轴系产生不平衡，且传动轴Ⅰ运转速度较高，在运行过程中会产生冲击载荷，冲击载荷使齿面点蚀进一步破坏传动的平稳性，轴承也应冲击载荷而出现保持架损坏，钢珠脱落进而失效，进一步造成本次严重事故发生。因此，将轴Ⅰ与制动器焊接，不当的检修是事故的根本原因。
4 相关问题分析与建议
事故中电阻箱上方出现冒烟的现象，检查未发现电气线路烧损痕迹，但在电阻箱壳上存在一片油漆烧蚀。推断起重机事故过程中过载使电气负荷激增，发热温度上升使箱壳油漆膜开始分解烧蚀，但温度还未超过电线绝缘层的耐受温度。这也从侧面印证了事故过程中出现的短暂的超负荷。
事故中后高速轴Ⅰ整体背离电机端发生位移。该现象是由于1 级传动采用斜齿轮，在运行过程存在轴向力，在事故中轴失去轴向定位约束发生位移现象。事故中齿轮2 为铸铁材质，且铸件内部存在一定的缺陷。GB/T 14406—2011《通用门式起重机》中规定了优先选用的减速器，在优先选用的减速器标准中规定齿轮采用锻件，不准采用铸造齿轮。虽然未强制要求使用优先选用的减速器，但是有缺陷的铸造齿轮削弱了齿轮承载和抵抗破坏的能力，在钢珠卡滞时被挤裂。
事故原因为检修不当，对此提出以下建议措施 ：1）加强对检修人员的技能培训，按作业指导书进行检修，完善检修作业工艺 ；2）加强检修完成后的质量验收工作；3）使用过程中加强对起重机的运行监控，发现隐患及时消除；4）加强对起重机技术状态、采购、检验等环节的控制；5）对制梁场同类起重设备进行摸底检查，彻底消除安全隐患。
5 结语
通过起重机事故原因的定位分析可知，轴承失效是导致事故发生的直接原因，事故的根源则是检修时违规将轴与制动器焊接。检修不当的起重机在投入运行时，产出了周期性的交变冲击载荷导致轴承失效，轴承的约束支撑作用受到影响，齿轮啮合情况发生改变，脱落的钢珠造成卡滞，最终整个减速器失效，发生严重事故。使用人员反映检修后的减速器有异响情况，但未及时查找原因消除隐患，造成故障扩大，造成坠落事故。通过现场形貌宏观检查分析已查明了事故原因，所以未进行理化检验分析。
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