起重机械失效与事故案例分析 -李向东

起重机械失效与事故案例分析江苏省特种设备安全监督检验研究院李向东2017年12月16日石家庄1.失效概述2.起重机械失效模式和常见失效形式3.起重机械的报废4.起重机械典型失效和事故案例分析

目录

1.1

有关失效和故障的术语

（1）GB3187-82《可靠性基本名词术语及定义》；

（2）GB3187-1994《可靠性、维修性术语》；

（3）GB/T5226.1-2002《机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》；

（4）GB/T5226.2-2002《机械安全机械电气设备第32部分：起重机械技术条件》

(5)GBT2900.13-2008《电工术语可信性与服务质量》；(6)GB/T15706-2012《机械安全

设计通则风险评估与风险减小》。

1.失效概述1.1.1失效和故障(1)GB3187-82《可靠性基本名词术语及定义》失效（故障）----产品丧失规定功能，对可修复产品，通常也称为故障。(2)GB3187-1994《可靠性、维修性术语》失效-----产品终止完成规定功能的能力这样的事件。故障-----产品不能执行规定的功能状态。预防性维修和其它计划性活动或缺乏外部资源的情况除外。故障通常是产品失效后产品的状态。但也可能在失效前就存在。1.1有关失效和故障的术语(3)GB/T5226.1-2002《机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》关于失效和故障的术语：失效failure执行某项规定功能能力的终结。注1：失效后，该功能项有故障。注2：“失效”是一个事件，而区别于作为一种状态的“故障”。注3：本概念作为定义，不适用于仅有软件组成的功能项目。[IEC60050(191):1990中191-04-01]注4：实际上，故障和失效这两个术语经常做同位语用。

故障fault产品不能完成要求功能的状态。预防性维护或其他计划性活动或因缺乏外部资源的情况除外。[IEV191-05-01]注1：故障通常是产品自身失效引起的，但即使失效未发生，故障也可能存在。注2：在机械领域，术语“故障（fault）”通常是按照IEV191-05-01给出的定义等同使用。注3：实际中，术语“故障（fault）”和“失效（fault）”通常作为同义词使用。1.1有关失效和故障的术语(4)GB/T5226.2-2002《机械安全机械电气设备第32部分：起重机械技术条件》关于失效和故障的术语：

失效failure执行某项规定功能能力的终结。注：1失效后，该功能项有故障。2失效是一个事件，其区别于作为一种状态的“故障”。3本概念作为定义，不适用于仅包含软件的功能项目．4实际上，术语故障和失效常常混用。故障fault功能项所表征的不能执行某种规定功能的状态．在预防性维护或其他有计划的操作过程中，或者因缺乏外部资源时的功能丧失除外。[GB/T14733.3-1993中191.05.01]注：1故障经常是功能项本身失效的结果，但可能在失效前就已经存在。2英语“故障“一词及其定义与在GB/T14733.3中191.05.01是一致的。但在机械领域中，法语和德语中常不用看上去符合定义的“panne”与“Fehlzustand"，而用“defaut”与“Fehler"。1.1有关失效和故障的术语(5)GBT2900.13-2008《电工术语可信性与服务质量》

1.1有关失效和故障的术语(6)GB/T15706-2012《机械安全

设计通则风险评估与风险减小》关于失效和故障的术语：

失效failure产品完成要求功能能力的中断注1：失效后产品处于失效状态注2：“失效“与”“故障”的区别在于，失效是一次事件，故障是一种状态。注3：这里定义的失效不适用于软件构成的产品。[IEV191-04-01]

故障fault不能执行某项规定功能的一种特征状态。它不包括在预防性维护或其他有计划的行动期间，以及因缺乏外部资源条件下不能执行规定的功能。注1：故障经常作为功能项本身失效的结果，但也许在失效前就已经存在。注2：英语用术语“fault“及其定义与IEC60050(191):1990中191-05-01]给出的等同。在机械领域，这一术语法语用“defaut”，德语用“Fehler"而不用“panne”和“Fehlzustand"。

失效分析通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。它的任务是既要揭示产品功能失效的模式和原因，找出失效的机理和规律，又要找出纠正和预防失效的措施。

失效分析学（即失效学）是人类长期生产实践的总结，它涉及广泛的学科领域和技术范畴。失效分析与其他学科的关系如图1所示。要进行失效分析，需要深厚的力学、材料学、化学、数学、断口学、裂纹学、痕迹学及机械装备设计、制造、使用、检测、管理等方面知识，许多学科可分为失效分析。而通过失效分析，其结果可为其他学科提供新的反馈资料来促进其发展。1.1.2失效分析failureanalysis失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。一般理解为失效的性质和类型。失效模式按其所定义的范围、属性、标准和参量，可分为一级失效模式和二级失效模式。要模式准确，即将是小的性质和类型判断准确。尤其将一级失效模式和二级失效模式判断准确。一级失效模式如断裂失效、变形失效、腐蚀失效、磨损失效等。断裂失效又可分为脆性断裂失效、疲劳断裂失效和韧性断裂失效等二级失效模式。1.1.3失效模式失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。是失效的内因。微观过程可追溯到原子、分子尺度和结构的变化。但与此相对的是它迟早也要表现出的一系列宏观（外在的）的性能、性质变化。1.1.4失效机理该术语常见于医学。如内伤、外伤、脑损伤、脊椎损伤、腰肌劳损等。损伤力学damagemechanics

固体力学的分支。研究材料或构件在各种加载条件下，其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。由于材料中细结构的不可逆的衰坏过程而引起材料性能变化，称为损伤。。1.1.5损伤损伤力学认为，材料内部存在着分布的缺陷，如位错、微裂纹、微空洞、剪切带等，这些不同尺度的细结构是损伤的典型表现。损伤在热力学中，视为不可逆的耗散过程。物体中的损伤有多种，如脆性损伤、塑性损伤、蠕变损伤、疲劳损伤等。损伤力学选取合适的损伤变量（可以是标量、矢量或张量），利用连续介质力学的唯象方法或细观力学、统计力学的方法，导出含损伤的材料的本构关系和损伤演化方程，形成损伤力学的初、边值问题的提法，并求解物体的应力变形场和损伤场。损伤力学可大致分为连续损伤力学、细观损伤力学和基于细观的唯象损伤力学。损伤力学近年来得到发展并应用于破坏分析、力学性能预计、寿命估计、材料韧化等方面。从1958年P.M.卡恰诺夫提出完好度（损伤度）概念至今，损伤力学仍处在发展阶段。国际上公认的损伤力学体系尚在形成与发展之中。它与断裂力学一起组成破坏力学的主要框架，以研究物体由损伤直至断裂破坏的这样一类破坏过程的力学规律。1.1.5损伤1.2.1促进科学技术的发展

失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各向工作的改进。19世纪中期工业革命，蒸汽机的应用，促进了铁路运输的快速发展给人类的工作和生活带来了极大的便利，但随后不久频繁发生因车轴断裂的火车出轨事故。通过对大量断轴进行失效分析和试验研究工作，发现裂纹均从轮座内缘尖角处开始，从而认识到：金属构件在交变应力的作用下，即使该应力远低于金属材料的抗拉强度，经过一定的循环累积，也会发生断裂，即“疲劳”。后经过研究人员的深入系统的研究，使得疲劳断裂成为金属材料强度学中的一个重要领域，并设计了疲劳试验机，确立了“疲劳极限”的概念，提出了抗疲劳设计方法。研制出了抗疲劳性能良好的金属材料、结构和成形工艺。1.2失效分析的作用和意义

第二次世界大战期间，美国有4694艘全焊接结构“自由轮”，有1289艘发生不同程度失效。其中，238艘断成两截或严重损坏而报废，19艘沉没，24艘甲板完全断裂。事故大多发生在美国—冰岛—英国这条北大西洋航线上，这里气温都在零度以下。战后展开了大量的失效分析，认识到：钢材的“低温脆化”及“缺口敏感性”，即碳钢或低合金钢存在脆性转变温度，在低于某一温度就会变脆（对缺口极为敏感）。产品的失效与设计、选材、制造、检验、安装、使用、管理等环节有关。通过失效分析，不断将失效原因、预防措施等反馈到技术制造等部门，进行相应的改进，可促进产品质量和管理水平的提高。（1）向设计部门反馈：改进产品设计，完善技术规范。（2）向制造部门反馈：改进生产工艺，创新和推广新工艺。（3）向材料部门反馈：合理化选材，开发和研制新材料。（4）向用户反馈：健全和完善使用、维修管理制度。

可以说，失效分析是提高产品质量、创建名牌产品的必由之路。1.2.2促进产品的质量和管理水平的提高1.2.3提高设备运行和使用的安全性一次重大的失效可能导致一场灾难性的事故，通过失效分析，可以避免和预防类似失效，从而提高设备安全性。设备的安全问题是一个大问题，从航空航天到电子仪表，从电站设备到游乐设施，从大型压力容器到家用液化气罐，都存在失效的可能。通过失效分析确定失效的可能因素和环节，从而有针对性地采用防范措施，则可起到事半功倍的效果。1.2.4经济效益和社会效益（1）设备及构件失效带来直接及间接的经济损失，进行失效分析找出失效原因及防止措施，使得同样的失效不再发生，减少了损失，带来了经济效益。（2）失效分析提高设备及构件质量，使用寿命增加，维修费用降低及高的产品质量信誉等，这也间接带来了经济效益。（3）失效分析可揭示规章、制度、法规及标准的不足，为制订或修改技术标准提供依据。（4）失效分析能分清失效事故责任，为仲裁失效事故、开展技术保险业务及对外贸易中索赔等提供重要依据。失效分析的基本方法包括宏观分析和微观分析：宏观形貌分析、电子显微镜分析、金相分析、化学成分分析、力学性能测试、无损检测、残余应力测试等，简介如下：1.3失效分析基本方法用目视、放大镜和体视显微镜对失效零件进行直接观察与分析的方法。称为宏观分析法。其放大镜倍数通常规定在50倍以下。（1）宏观分析法优点简便、迅速、试样尺寸不受限制，不必破坏失效零件，观察范围大，能够观察与分析失效裂纹（断裂）和零件形状的关系、断口与变形的关系、端口与受力状态的关系，能够初步判断裂纹源位置、失效性质与原因。因此该方法是失效分析中的基础方法，最方便、最常用和必不可少。（2）宏观分析法缺点从宏观分析很难获得失效件细微结构的信息，职能从较宏观的角度上判断失效性质和原因，而且需要较丰富的经验。因此，单从宏观分析来判断失效性质及原因会不完全可靠。宏观分析法只是一种最初步、最基本的失效分析和研究方法。1.3.1.宏观形貌分析电子显微镜分析包括扫描电镜分析和透射电镜分析。1.3.2.电子显微镜分析1）扫描电镜分析扫描电子显微镜简称扫描电镜，它利用聚焦得非常细的高能电子束在式样上扫描，激发各种物理信息。提供这些信息的接受、放大和显示成像，以便对试样表面进行分析。扫描电镜的试样制作简单，有的试样可以不经制作直接放入电镜内部观察。因而更接近物质的自然状态，并能迅速得到结果。（2）透射电镜分析透射电镜用于分析金属薄膜样品，可达到零点几纳米。主要用于失效形貌观察和非金属夹杂物及析出物的物相结构分析。已成功应用到磨损和腐蚀等失效形式的分析研究中。在对一些无法解剖破坏的大的结构断裂分析中，射电投射也是重要的检测分析工具之一。金相分析是用光学显微镜来观察研究金属材料显微组织与结构的检测技术，是失效分析中最常用的一种实验观测技术。它能提供有关金属材料的基体组织、晶粒度、第二相等参数的定性和定量的观测结果，也能提供关于各种材料微观与细观缺陷的信息。1.3.3金相分析在失效分析中，经常需对失效零件的材料成分、外来物（如溅射附着物）、表面沉积物、腐蚀产物及氧化物等进行定性会定量分析，以便为最终的失效分析结论提供依据。1.3.4化学成分分析微观组织的变化一般会通过宏观的力学性能表征出来，对零部件的失效分析几乎都要测定材料的力学性能。1.3.5力学性能测试1.3.6无损检测通过无损检测可以查找零件（构件）的微观缺陷，方法较多，常见的无损检测方法有：射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测等。这是失效分析的基础之一。3.7残余应力测试金属构件经受各种冷热加工，其内部就会存在一定的残余应力。而残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都有很大的影响。因残余应力的存在导致的早期失效案例非常多。因此，有必要对残余应力进行测定。残余应力的测定方法有：X射线应力测定法、电阻应变法、光弹性覆膜法及声学法等。起重机械常见的机械失效模式起重机械由零部件（机构）、结构、电气、液压（气压）、安全保护装置等组成。失效模式（机械）可分为：1.磨损失效2.变形失效3.断裂失效4.腐蚀失效等。5.稳定性失效6.组合失效7.电气失效2.起重机械失效模式和常见失效形式2.1磨损失效起重机械一般要实现多个运动，由多个机构组成，使用了大量的齿轮、轴承、车轮、轨道、吊钩、卷筒、滑轮以及钢丝绳等易损件。磨损失效是起重机械使用中常见的失效模式，具体分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等五种失效形式：1）粘着磨损。当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。2.起重机械失效模式和常见失效形式

2）磨料磨损。磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。2.起重机械失效模式和常见失效形式

3）疲劳磨损。疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。2.起重机械失效模式和常见失效形式

4）腐蚀磨损。在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。2.起重机械失效模式和常见失效形式2.起重机械失效模式和常见失效形式5）微动磨损。两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被发现。微动磨损的最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小[一般为2μm～20μm]的相对运动，由此发生摩擦磨损。例如，在起重机械中常见的键联接处、过盈配合处、螺栓联接处、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，联接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。起重机械由大量零部件和结构件组成，断裂是起重机械失效的基本模式之一。可分为延性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等三种失效形式。1）韧性断裂零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为韧性断裂。2.2断裂失效金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。2）脆性断裂螺栓的韧性和脆性断裂对比起重机械的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准大于标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约（80-90）%。3）疲劳断裂由于有的起重机械露天作业或在化工厂长期使用，所以腐蚀失效也是起重机械零部件重要的一种失效模式。腐蚀失效可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种失效形式。1）化学腐蚀。金属表面与介质如气体或非电解质溶液等因发生化学作用而引起的腐蚀，称作化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时没有电流产生。2.3腐蚀失效地脚螺栓的腐蚀失效2）电化学腐蚀。金属表面在介质如潮湿空气、电解质溶液等中，因形成微电池而发生电化学作用而引起的腐蚀称作电化学腐蚀。（1）塑形变形失效起重机械金属构件（如主梁等）的塑形变形达到一定程度时，将发生失稳现象，承载能力降低，影响其他部件的正常工作。2）弹性变形失效当应力和温度引起的零件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现了弹性变形失效。2.4变形失效主梁变形

起重机械的失效除上面介绍的常见模式外，还有诸如整机倾覆失效、连接松动等失效模式。起重机械零部件的失效形式更是花样众多，大家可就起重机械液压系统的失效形式进行分析。2.5稳定性失效起重机械的失效可以由一种或多种过程引起，其失效形式可以是单一的过程现象，也可以是组合的过程现象，其结果是一个宏观现象的表征。如腐蚀一般被认为是单一的过程，过程表征是构件表面受到腐蚀损伤；疲劳一般也被认为是单一的过程，由周期变动载荷引起构件的机械损伤，过程表征是构件中疲劳裂纹的萌生、扩展以至断裂。腐蚀或疲劳各是独立的一种失效形式，而腐蚀疲劳则可认为是组合的过程现象，由于其出现的普遍性、后果的严重性，并且腐蚀与疲劳互相增强，往往不作为是两个单一失效形式的同时出现，而是两者组合有协同效应引起的一种失效形式。在腐蚀疲劳失效中，活性腐蚀的存在会加剧疲劳过程，而周期变动的疲劳载荷的存在又加剧了腐蚀过程。

腐蚀疲劳已被作为一种独立的失效形式。2.6组合失效2.7.电气故障与失效电器元件失效机械失效电子元器件失效电气连接广义上是指电气产品中所有电气回路的集合，包括电源连接部件例如电源插头、电源接线端子等、电源线、内部导线、内部连接部件等；而狭义上的电气连接则只是指产品内部将不同导体连接起来的所有方式。2.7.1.电气连接失效5.1.1断路由于自然灾害、人为破坏等外部因素导致的线路损坏、中断。5.1.2接触不良5.1.3腐蚀绝缘性能的失效是电气设备所有失效中导致的后果最为严重的，轻则造成整机设备的损坏，重则导致人体受伤甚至死亡。因此，为提高设备的绝缘性能，其结构设计应考虑绝缘零件结构、绝缘零件材料选择、接点中心距（绝缘有效间隔）、连接器应用环境条件等因素。2.7.2绝缘失效3.1.1绝缘结构一种或几种绝缘材料的组合。根据电气设备的特点和尺寸要求，将它与导体部件设计成为一个整体，用以支撑、隔绝有电位差的导电部分。绝缘结构应保证在规定的气候环境应力作用下达到或超过规定指标的能力和工作的稳定性，杜绝导体绝缘介质严生漏电、发热、电晕、击穿等现象。5.2.1绝缘结构失效绝缘件结构设计主要是保证两导电体间的绝缘间隙（即两导电零件之间最短的空间距离）和爬电距离（即两导电零件之间沿绝缘体表面的最短距离）足够承受所要求的耐电压值。一般来讲，影响绝缘间隙的主要因素有：瞬时过电压、电场条件（即导电零件的形状）、污染情况和海拔高度等；影响爬电距离的主要因素有：绝缘耐电压、工作电压、污染（其程度取决于温度、爬电距离的方向和位置、绝缘表面形状、静电沉积）、绝缘材料性能、同间隙的关系（爬电距离不能小于有关间隙，有可能最短爬电距离就等于间隙）、承受电压的时间以及其他因素。当导电零件间的绝缘间隙足够大时，可以有效地限制瞬时过电压的危害，因为绝缘间隙足够大时瞬时，过电压虽产生飞弧，但仍不足以电离绝缘间隙。导电零件间漏电流的大小取决于持续工作电压的有效值或直流值，所以爬电距离的大小就限制了持续工作的电压大小。爬电距离和绝缘间隙额定绝缘电压（V）绝缘间隙（mm）≤3006300~6608661~80010801~150014额定绝缘电压（V）爬电距离（mm）≤30010300~66014661~80020801~150028由于起重机通常使用环境较差，建议将电气间隙增加50%或更多。由于有些起重机的使用场合粉尘较多，尺寸小于2~3mm的凹槽不宜计爬电距离。5.2.2绝缘材料失效5.2.2.1电气老化在长期电场作用下绝缘中发生的老化称为电气老化（又称“电老化”）。固体绝缘本征击穿场强非常高。电器设备中绝缘材料击穿场强比本征击穿场强低。原因：厚度效应、杂质及气孔。绝缘击穿机理：电击穿、热击穿、电－机械击穿。油浸绝缘

很少的水分及纤维杂质的混入，将使击穿电压下降。描述电老化的模型，主要有以下两种，即反幂模型和指数模型，由Peek在1929提出的。式中，L为失效时间；U为施加电压；k、n、c均为待定常数电老化实质上是局部放电对绝缘的破坏作用。在高电场强度作用下，在绝缘中某一区域内形成的树枝状局部损坏。在电场的持续作用下，树枝状微通道顺着电场方向贯穿整个绝缘。雷电是人们最早熟悉的树枝化击穿。后来在含有空气隙的固体绝缘中和油浸纸绝缘中也发现树枝化击穿。树枝都是起始于绝缘中电场集中的地方。（1）电树枝在干燥介质中，引发和发展主要是电场强度的作用，称为电树枝。脉冲电压和接地短路也能产生电树枝。电树枝通常笼廓较清晰树枝状放电的发展

（2）水树枝在潮湿的介质中，在电场强度比较低的条件下，经过电场的长时期作用也能产生树枝，在树枝的扩展过程观测不到放电，称为水树枝。水树枝通常笼廓较模糊如果介质中含有杂质和水分或化学溶液进入介质中，在低电场的长期作用下，产生有颜色的树枝，称为电化学树枝。因为水树枝和电化学树枝的引发机理相似，习惯上也可统称为水树枝。电树枝、水树枝和化学树枝的区别项目电树枝水树枝化学树枝树枝起始电压较高工作电压下大于零即可局部放电必要或存在无不必要或不存在外来液体不必必要需要或存在引发时间较长较短较短扩展时间较短较长较长形态连续管道，内壁富有碳粒，充满不同气体水聚集在微小空隙群中树枝有颜色区别，带有化学沉积物基本产生条件高场强集中水和电场化学水溶液的渗透破坏形式电树枝直接击穿转化为电树枝击穿转化为电树枝而击穿电气设备绕组的电磁振动使绕组端部的主绝缘持续地承受着交变机械负荷，导致绝缘逐渐老化，主绝缘在这一情形下的老化称为机械老化。5.2.2.2机械老化机械老化模型一般用下列经验公式来表示：式中，ε为反复弯曲变形的大小；N为剩余击穿电压降低到所规定电压以下的反复弯曲次数；m和km为常数5.2.2.2机械老化电机定子主绝缘的机械老化实质上是线棒在电磁力作用下的振动老化。有以下特点：首先是绝缘的磨损；其次是由于振动使槽楔松、绑绳松和垫块松，形成间隙，不仅诱发局部放电，且使线棒悬空象悬臂梁一样振动，振幅大大高于设计标准，最终导致事故发生。5.2.2.2

机械老化电气绝缘在电气设备运行中会因温度升高受热而发生物理和化学变化，导致其绝缘材料变质和老化，这种由于温度升高而发生的绝缘老化称为热老化。5.2.2.3热老化热老化速度与温度高低关系密切，有温度升高10℃寿命减半的所谓“10℃减半规则”。

不同耐热等级的绝缘材料在各种运行温度下长期运行的寿命热老化一般数学模型表达式：其中：L为失效时间；T为温度；常数A、B由化学反应的活化能来确定。该式是1948年Dekin在Arrhenius方程基础上建立的理论模型。局部电弧水带绝缘介质水分被吸收到电介质内部或吸附到电介质的表面以后，它能溶解离子类杂质或使强极性的物质解离，严重影响介质内部或沿面的电气性能：在外施电压下，或者在电极间构成通路，或者在高温下汽化形成“汽桥”而使击穿电压显著降低。5.2.2.4受潮5.2.2.5化学稳定性及抗生物特性2.7.3电器元件失效电器元件是接通和断开电路或调节、控制和保护电路及电气设备用的电工器具。起重机中常见的电器元件包括接触器、断路器、熔断器、按钮等。为了简化类别，将通俗意义上的电气装置如变频器、定子调压装置也归于电器元件。接触器的组成部分（1）电磁机构：由线圈、动铁心（衔铁）和静铁心组成。（2）触头系统：包括主触头和辅助触头。主触头用于通断主电路，有3对或4对常开触头；辅助触头用于控制电路，起电气联锁或控制作用，通常有两对常开两对常闭触头。（3）灭弧装置：容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。对于小容量的接触器，常采用双断口桥形触头以利于灭弧；对于大容量的接触器，常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。（4）其他部件：包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及外壳等。主触点接线控制线圈接线辅助触点接线5.3.1接触器/继电器接触器/继电器利用电磁感应原理进行工作。闭合:线圈通电线圈中心的铁芯被磁化衔铁吸合推动簧片动作常开触点吸合、常闭触点打开断开：切断线圈电流铁芯失去磁性衔铁复位簧片复位

常开触点打开、常闭触点吸合接触器内部结构示意图通过电器触点的电流超过触点本身的额定电流，或由于电器老化，触点之间电阻增大致使触点发热直至熔合粘连叫触点熔焊。初期较轻的触点粘连不影响接触器/继电器的正常工作，但是此时触点表面已经不平整，很容易造成进一步的触点熔焊，使接触器触点不能正常分断。（1）触点熔焊接触器触点烧损是比触点熔焊更严重的故障，可能将整个触点烧掉或有爆炸状银粒飞溅。触点烧损的原因和触点熔焊的原因类似，可能是接触器本身质量问题或是选型不当以及操作频繁等原因。还有一种情况需要注意的是缺相，缺相可能是线路问题或是由于起动电流过大造成某相触点首先烧损而缺相，最后因为缺相造成电流更大将其他触点烧掉，或者将电动机烧掉。（2）触点烧损静触点动触点灭弧罩灭弧栅内可见触头材料颗粒接触器/继电器因长期使用，触点表面不干净、锈蚀、变形、磨损、由于电弧烧蚀造成凹凸、氧化、毛刺、以及机械卡阻等缺陷，反映到工作中变现为触点接触不牢、有间隙、接触面积下降、电阻变大、触点温度过高，更加严重的时候可导致接触器不导通。（3）触点接触不良触点接触不良是长期使用的接触器中常见的故障之一，特别是那些在恶劣环境中使用却得不到良好维保的起重机。触点中有异物有机沾污无机沾污颗粒状白色附着物白色附着物聚集成薄膜状触点磨损簧片与壳体接触（4）簧片断裂

簧片沿晶断口及晶界过热、熔融簧片断裂位置线圈失效情况很多，常见的有线圈引出线的连接处脱落、线圈烧毁或断线等，较多发生的是线圈烧毁。其原因有电压过高或过低、选型错误、铁芯油污、机械卡阻、吸合磁隙过大等，环境方面的因素如通风不良、过分潮湿、环境温度过高等，都会引起这种故障。（5）线圈失效线圈引出线断裂位置漆包线断裂形貌引出线与漆包线之间虚焊焊点脱开5.3.2变频器5.3.2变频器但工程应用反馈的情况表明，大容量IGBT的故障损坏率较比小电流的高很多，据不完全统计，中、高压变频器因IGBT失效而导致的故障占90%以上，而且年故障率较高，例如进口中压变频器（690V/400kW），平均每年损坏5~6次。5.3.2.1功率元件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是继GTR（功率晶体管）之后研发出的新型功率晶体管器件，目的主要是解决GTR存在的二次击穿问题。IGBT是将MOSFET（场效应晶体管）和GTR集成一体的复合器件，具有驱动功率小，开关速度快等优点，特别是解决了二次击穿问题，安全工作区扩宽，器件可靠性有所提高。目前的IGBT，已经由起初的200A/1200V发展到1500A/3000V。较大电流的IGBT都采用模块封装工艺，芯片被一次性固化在模块内部，模块标称电流为300A的器件，实际是4只75A芯片并联；而标称为600A的模块，内部则是8只芯片并联。大功率IGBT应用实践中反映出来的损坏率高的问题，显然和器件的多芯并联密切相关，除了不均流导致的电流损坏之外，多芯并联将使器件的电压可靠性大为降低。原因是并联的芯片只要有一个电压击穿，整个器件就完全失效，器件耐压的可靠性是并联芯片耐压可靠性的乘积，多芯并联的弊端显而易见。一些案例（1）过压失效IGBT芯片耐压环位置损坏严重IGBT芯片耐压环位置损坏严重故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。故障点靠近硅片边沿或传感器,其电场较强。（2）过流失效故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背部的‘C’到绑定线部位的‘E’。IGBT芯片绑线点位置损坏严重（3）过热失效故障点位于硅片中心附近,该区域发热严重。IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出典型过热损坏IGBT芯片有龟裂的现象并且底部有锡溢出IGBT芯片表面有熔融的球状物并且底部有锡溢出（4）门极过电压故障点位于栅氧化层,由于栅氧化层几乎分布在硅片的每个部位，所以故障点可能随机出现在硅片的任意地方。放大后IGBT芯片门极总线点有损坏的痕迹（5）功率循环疲劳键合线从硅片脱落。由于热膨胀系数的不同而产生的应力，导致铝线剥落。（6）热循环疲劳位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂，这是由于热膨胀系数的不同而产生的应力所导致。对于IGBT发生爆炸，国外早有文献分析和记载，例如有文献认为，IGBT发生爆炸归结为：“现代的IGBT变流器分布电感较小，没有对电流限制的电感。如果失效发生，设备中的电容所存储的能量将会被快速释放。（能量通过IGBT器件），模块内的键合线（金属联线）被汽化，而且绝大多数的能量以等离子体的形式释放。如果等离子体由于模块设计而被限制在一个小的容积中，（便可能引起爆炸）。爆炸产生许多高能碎片将会损坏变流器的基本结构，以及周边的器件，还有可能伤及暴露的工作人员”。（7）IGBT爆炸滤波电容器作用是滤除全波整流后的电压纹波及负载变化引起的电压波动，使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻。5.3.2.2滤波电容器电容器的失效模式主要包括：击穿、开路、电参数变化、漏液、引线腐蚀或断裂、绝缘子破裂或表面飞弧等。电容器击穿、开路、引线断裂、绝缘子破裂等使电容器完全失去工作能力的失效属致命性失效，其余一些失效会使电容不能满足使用要求，并逐渐向致命失效过渡。滤波电容器爆炸1.整流器件损坏，交流电进入电解电容。2.散热不好，电容温升太高。3.分压电阻失效，导致电容击穿。4.电容器本身质量问题。5.安装问题。爆炸的直接原因无非是温度升高后，导致电容内部的电解液急速汽化膨胀，冲破外壳束缚而爆发3.1管理要求（1）《中华人民共和国特种设备安全法》第四十八条规定，特种设备存在严重事故隐患，无改造、修理价值，或者达到安全技术规范规定的其他报废条件的，特种设备使用单位应当依法履行报废义务，采取必要措施消除该特种设备的使用功能，并向原登记的负责特种设备安全监督管理的部门办理使用登记证书注销手续。前款规定报废条件以外的特种设备，达到设计使用年限可以继续使用的，应当按照安全技术规范的要求通过检验或者安全评估，并办理使用登记证书变更，方可继续使用。允许继续使用的，应当采取加强检验、检测和维护保养等措施，确保使用安全。（2）《起重机械安全监察规定》第二十六条规定，起重机械具有下列情形之一的，使用单位应当及时予以报废并采取解体等销毁措施：（一）存在严重事故隐患，无改造、维修价值的；（二）达到安全技术规范等规定的设计使用年限或者报废条件的。（3）GB/T6067.1-2010规定了起重机械的具体报废标准。3起重机械的报废GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》3.9金属结构的修复及报废规定如下：（1）主要受力构件失去整体稳定性时不应修复，应报废。（2）主要受力构件发生腐蚀时，应进行检查和测量。当主要受力构件断面腐蚀达设计厚度的10%时，如不能修复，应报废。（3）主要受力构件产生裂纹时，应根据受力情况和裂纹情况采取阻止措施，并采取加强或改变应力分布的措施，或停止使用。（4）主要受力构件因产生塑性变形，使工作机构不能正常地安全运行时，如不能修复，应报废。3.2金属结构的报废3.3.1钢丝绳的报废GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.1.6钢丝绳的保养、维护、安装、检验、报废应符合GB/T5972的有关规定。3.3.2制动器的报废GB6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.6.7规定：制动器的零件出现下述情况之一时，其零件应更换或制动器报废：1.驱动装置（1）磁铁线圈或电动机绕组烧损；（2）推动器推力达不到松闸要求或无推力。2.制动弹簧（1）弹簧出现塑性变形且变形量达到了弹簧工作变形量的10%以上；（2）弹簧表现出现20%以上的锈蚀或有裂纹等缺陷的明显损伤。3.传动构件（1）构件出现影响性能的严重变形；（2）主要摆动铰点出现严重磨损，并且磨损导致制动器驱动行程损失达原驱动行程20%以上时。3.3主要零部件的报废4.制动衬垫（1）铆接或组装式制动衬垫的磨损量达到衬垫原始厚度的50%；（2）带钢背的卡装式制动衬垫的磨损量达到衬垫原始厚度的2/3；（3）制动衬垫表面出现炭化或剥脱面积达到衬垫面积的30%；（4）制动衬垫表面出现裂纹或严重的龟裂现象。5.制动轮出现下述情况之一时，应报废：（1）影响性能的表面裂纹等缺陷；（2）起升、变幅机构的制动轮，制动面厚度磨损达原厚度的40%；（3）其他机构的制动轮，制动面厚度磨损达原厚度的50%；（4）轮面凹凸不平度达1.5mm时，如能修理，修复后制动面厚度应符合5（2）、（3）要求。GB6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.8中规定：使用维护说明书中没有提供传齿报废指标的，出现下列情况之一时，应报废：（1）轮齿塑性变形造成齿面的峰或谷比理论齿形高于或低于轮齿模数的20%；（2）轮齿折断大于等于齿宽的1/5，轮齿裂纹大于等于齿宽的1/8；注：轮齿的裂纹未达到报废标准时，应设法除掉，制止发展。（3）齿面点蚀面积达轮齿工作面积的50%；或20%以上点蚀坑最大尺寸达0.2模数；或对于起升、非平衡变幅机构的20%的点蚀坑深度达0.1模数；或对于其他机构的20%的点蚀坑深度达0.15模数；3.3.3齿轮的报废（4）齿面胶合面积达工作齿面面积的20%及胶合沟痕的深度达0.1模数；（5）齿面剥落的判定准则与齿面点蚀的判定准则相同；（6）对于起升、非平衡变幅机构齿根两侧磨损量之和达0.1模数；对于其他机构齿根两侧磨损量之和达0.15模数；（7）吊运炽热金属或易燃易爆等危险品的起升、非平衡变幅机构，其传动齿轮的齿面点蚀面积及齿面剥落达3）、5)中的50%时；或齿根两侧磨损达6)中的50%时。补充：齿轮常见的失效形式（1）疲劳点蚀点蚀，是轮齿经长期运转后，由于过高的脉动接触应力的反复作用，在靠近节线（偏下）的齿面产生疲劳裂纹，裂纹扩展，使齿面小块金属剥落，形成“麻坑”，即疲劳点蚀。在密闭传动中，润滑条件良好的硬面齿轮的典型失效形式是点蚀。（2）齿面磨损齿面磨损，是由于互相啮合的二轮齿表面存在着相对滑动，在载荷作用下引起齿面磨损。磨损后轮齿变薄，齿廓曲线亦改变，使轮齿抗弯强度降低，运动精度下降。在开式齿轮传动中，齿轮暴露在空气中，灰尘较多，润滑条件较差。因此，磨损是其主要失效形式，一般不发生点蚀。因为在这种条件下，磨损发展较快，点蚀麻坑在出现前就被磨掉了。（3）齿面胶合齿面胶合，主要是在高速重载情况下，润滑不当或散热不良造成的。轮齿啮合面间油膜被破坏，齿面摩擦产生的瞬间高温，使齿面啮合点粘在一起，较软的齿面被撕下一块。为防止胶合，在低速重载的齿轮传动中，应采用高粘度润滑油，或适当提高齿面硬度和光洁度。（4）塑性变形对齿面较软、载荷较大的齿轮转动，由于过载和摩擦力过大，使齿面产生塑性变形。以上四种失效形式都使齿面偏离了原有的齿廓曲线形状，从而造成齿轮瞬时角速度不等，引起振动、噪声等。5）断齿轮齿的折断，通常发生在齿根部。这是因为齿根部弯曲应力最大，并有应力集中。断齿一般有三种情况：1）过载折断。即轮齿根部受到的弯曲应力超过极限应力，一般是由意外短期过载或过大冲击载荷造成的。2）疲劳折断。即由于齿根部弯曲应力最大，而且当此交变应力超过疲劳极限时，齿根产生疲劳裂纹且逐渐扩展，导致轮齿折断。此种失效在断齿中最为常见。3）缺陷折断。由轮齿加工或热处理不当引起的。1.锻造吊钩的报废GB6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.2.8规定：锻造吊钩达到GB/T10051.3的相关报废指标时，应更换。目前最新的GB/T10051.3标准是GB/T10051.3-2010《起重吊钩第3部分：锻造吊钩使用检查》，其3.2“使用检查”中对锻造吊钩的报废作出了规定。3.3.4取物装置的报废（1）吊钩的表面不允许存在裂纹，否则应报废。（2）变形1）钩号006〜5的吊钩应检查开口尺寸a2，其余钩号的吊钩应检査测量长度y或y1及y2(如图28、图29)，其值超过使用前基本尺寸的10%时，吊钩应报废。2）检査吊钩的扭转变形，当钩身的扭转角a(如图28、图29)超过10°时，吊钩应报废。3）吊钩的钩柄不应有塑性变形，否则应报废。（3）磨损吊钩的磨损量△s不应超过基本尺寸（单钩见GB/T10051.4-2010表1中h2，双钩见GB/T10051.6-2010表1中h）的5%，否则吊钩应报废。（4）腐蚀1）钩柄直径d1腐蚀的尺寸不应大于基本尺寸的5%(单钩见GB/T10051.4，双钩见GB/T10051.6),否则吊钩应报废。2）吊钩的螺纹不得腐蚀。（5）吊钩的缺陷不允许焊补2.片式吊钩的报废GB6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.2.10规定：片式吊钩出现下列情况之一时，应更换：1.表面裂纹；2.每一钩片侧向变形的弯曲半径小于板厚的10倍；3.危险断面的总磨损量达名义尺寸的5%。GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.5.3规定：滑轮出现下述情况之一时，应报废。1.影响性能的表面缺陷（如：裂纹等）；2.轮槽不均匀磨损达3mm；3.轮槽壁厚磨损达原壁厚的20%；4.因磨损使轮槽底部直径减少量达钢丝绳直径的50%。（注意：GB5144《塔式起重机安全规程》规定为25%）3.3.5滑轮的报废3.3.6铸造车轮的报废GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.7规定：在钢轨上工作的车轮出现下列情况之一时，应报废：1.影响性能的表面裂纹等缺陷；2.轮缘厚度磨损达原厚度的50%；3.轮缘弯曲变形达原厚度的20%；4.踏面厚度磨损达原厚度的15%；5.当运行速度低于50m/min时，圆度达1mm；当运行速度高于50m/min时，圆度达0.1mm时。3.3.7卷筒的报废GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.4.5规定：卷筒出现下述情况之一时，应报废：1.影响性能的表面缺陷（如：裂纹等）；2.筒壁磨损达原壁厚的20%（注意：GB5144《塔式起重机安全规程》规定为10%）。3.3.8起重用短环链的报废1．起重用钢制圆环非校准链GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.3.2规定：起重用钢制圆环非校准链出现下列情况之一时，应报废：（1）裂纹；（2）严重的锈蚀或粘有不能除去的附着物；（3）明显的变形；（4）链环的环间磨损达原直径的10%；（5）吊链的极限工作载荷的标牌和标签脱落，且所需信息未在主环上或通过其他方式标示。GB/T6067.1-2010《起重机械安全规程

第1部分：总则》4.2.3.3规定：起重用钢制圆环校准链出现下列情况之一时，应报废：（1）裂纹；（2）严重的划痕和裂口；（3）明显的变形；（4）严重的腐蚀；(5）有不能去除的附着物；（6）卡尺测量的长度增量超过了链条制造厂的推荐值，在缺少链条制造厂的推荐值时，如果用卡尺在任意的5、7、9或11环测量的链环长度超过了未经使用的同样链环总的长度下述值，应予更换，即电动的为2%，手动的为3%；（7）如果内环的磨损面粗糙，表明链条磨损严重，此时链条应立即报废。2.起重用钢制圆环校准链

1、事故概况

某公司一台产品型号为LD20-11.5A3的电动单梁起重机大车运行装置坠落，造成一人死亡的事故。2、事故原因分析(1)经过对事故起重机驱动装置联接用的弹簧垫圈材料分析，元素含量不符合GB/T1222-2007《弹簧钢》中的有关材质要求，实际使用材料仅仅与《优质碳素结构钢》（GB/T699-1999）中的10#钢中的元素相近。表面硬度也远远低于《弹性垫圈技术条件弹簧垫圈》相关要求。(2)起重机械工作的特定是断续的、频繁起动及制动，频繁往复运动。负载欠规律，时轻时重，还经常承受大的过载和机械冲击。所以对大车运行机构驱动装置的安装要有一定的防松要求。根据事故现场勘察情况可以看出4只联接螺栓的断裂时间是有前后的，非同时断裂的。根据全新断裂的螺栓组合使用的防松弹簧垫圈实际现状，由于使用了不符合材料、工艺要求的弹簧垫圈，可以看到该弹簧垫圈在自由状态下其自由高度H与弹簧垫圈厚度S基本一致，说明弹簧垫圈已失去弹性，几乎没有防松效果。根据起重机械的工作特点，一旦螺栓失去紧固作用，螺栓会承受较大的往复剪力，当超过疲劳极限时螺栓发生断裂导致驱动装置坠落。4.起重机械失效分析实例单梁起重机大车运行机构坠落事故1现场起重机靠北面一侧端梁上的大车驱动装置已经脱落，驱动装置整体坠落在车间地面。驱动装置与端梁的联接是依靠4只M12螺栓联接的，事故现场4只螺栓全部折断脱落。端梁与驱动装置的联接面上4只螺栓孔内有残留的断裂螺栓，从断裂截面看，其中3只螺栓的断裂截面有新旧断裂痕迹，左上角1只螺栓断裂截面为为全新断裂痕迹。与全新断裂的螺栓组合使用的防松弹簧垫圈已失去弹性。

1、事故经过2006年5月28日，某公司一名操作工在操作一台LD5-15电动单梁起重机进行起吊工件时，该起重机的电动葫芦行走小车电机(含减速箱)突然坠落，砸到该操作工头部，导致操作工死亡。2、事故原因主要原因：起重机电动葫芦行走小车润滑状况差，致使齿轮严重磨损，造成小车行走中发生振动，固定行走小车电机(减速箱)的螺栓发生松动，导致螺栓连接失效；起重机小车螺栓连接可能不可靠，如：个别弹簧垫圈未装、螺栓预紧力不足、螺纹配合较松等；该起重机使用近一年，但无法提供相应的维修保养记录，无法对使用过程的润滑情况进行追溯，而且由于操作人员无起重机械操作证，可能违章操作。从而，造成日常维修保养不良、违章操作，导致事故发生。4起重机械失效分析实例2电动单梁起重机电动葫芦行走小车电机(减速箱)坠落事故

2003年5月14日，某机械厂压容分厂锻工班双梁桥式电动葫芦，起重机发生一起操作工坠落死亡的事故。当日，设备管理员、电工、操作工3人在电动葫芦厂检查、维护设备，电工在司机室，设备管理员在调整小车的制动器，操作工在给小车供电滑线的行走轮加润滑油。当设备管理员调整好小车制动器，准备让操作工操作小车试验一下效果时，却不见操作工平某，司机室的电工这才发现平某已坠落在地上。事后观察到平某是从小车滑线侧走台板穿过后坠落的，此处的走台板已锈蚀严重。事故