吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在設(shè)計和制造中的問題探討

陳曉偉陳增江戴漢政王加慶武 珂

（1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院泰安分院 泰安 271000）

（2.泰山學(xué)院 泰安 271000）

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在設(shè)計和制造中的問題探討

陳曉偉1陳增江1戴漢政2王加慶1武 珂1

（1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院泰安分院 泰安 271000）

（2.泰山學(xué)院 泰安 271000）

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在冶金行業(yè)中大量應(yīng)用，屬于高度危險的特種設(shè)備，其設(shè)計和制造的合理性關(guān)乎起重機(jī)械的安全。本文介紹了吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)的分類及相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，重點分析了此類設(shè)備在設(shè)計、制造中存在和值得注意的問題，并提出合理的建議。

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī) 主起升機(jī)構(gòu) 安全制動器 材料 焊接

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)是冶金行業(yè)中最重要的搬運(yùn)工具之一，其能力、數(shù)量和安全性關(guān)系到冶金業(yè)的發(fā)展速度和生產(chǎn)安全。我國冶金業(yè)發(fā)展不均衡，既有寶鋼集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)等規(guī)模龐大，冶煉能力極強(qiáng)的大型國有企業(yè)，也有規(guī)模較小、冶煉能力較弱的小型冶金鑄造廠，不同企業(yè)對起重機(jī)類型和起重能力的需求不同。一般來說，冶煉能力較強(qiáng)的大型企業(yè)使用起重能力強(qiáng)、金屬結(jié)構(gòu)和起升機(jī)構(gòu)復(fù)雜的起重機(jī)，而冶煉能力較弱的鑄造廠使用起重能力弱，結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)簡單的起重機(jī)。這些起重機(jī)的作業(yè)環(huán)境為高溫和粉塵環(huán)境，作業(yè)對象為高度危險的熔融金屬，設(shè)備的安全成為其設(shè)計和制造關(guān)注的焦點，關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)安全。因此，在相應(yīng)的起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)范和設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析了吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在設(shè)計和制造中存在和值得注意的問題，提出合理的建議，降低事故概率和減少安全隱患，保證設(shè)備的使用安全。

1 相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)設(shè)計和制造的要求

根據(jù)TSG Q0002—2008《起重機(jī)械安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——橋式起重機(jī)》、《關(guān)于冶金起重機(jī)械整治工作有關(guān)意見的通知》（質(zhì)檢辦特〔2007〕375號，現(xiàn)已作廢）、GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重機(jī)技術(shù)條件第1部分：通用要求》及JB/T 7688.5-2012《冶金起重機(jī)技術(shù)條件第5部分：鑄造起重機(jī)》的相關(guān)規(guī)定，吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)械主要有鑄造起重機(jī)（型號一般為YZ）、通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬，型號一般為QDY或QDy）、電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)用于吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)即為冶金單（雙）梁起重機(jī)（型號一般為LDY、LHY或LDy、LHy）等幾種類型。

依據(jù)起重機(jī)械的安全技術(shù)規(guī)范、設(shè)計規(guī)范和制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)不但要求鋼絲繩、滑輪、電動機(jī)、減速器、聯(lián)軸器等零部件及電氣裝置符合高溫環(huán)境的要求，而且還有一些特殊的安全要求，具體要求如下［1,2,4,5］。

1.1 鑄造起重機(jī)

1）在每套主起升機(jī)構(gòu)傳動鏈的驅(qū)動軸上應(yīng)該裝設(shè)兩套符合JB/T 6406或JB/T 7020要求且能獨立工作的制動器，每套制動器的安全系數(shù)符合如下規(guī)定：每套驅(qū)動裝置有兩個支持制動器，安全系數(shù)不低于1.25；彼此剛性連接的驅(qū)動裝置每套裝有兩個支持制動器，安全系數(shù)不低于1.10；對于采用行星差動減速器傳動的起升機(jī)構(gòu)，每套驅(qū)動裝置也應(yīng)該裝設(shè)兩個制動器，制動器安全系數(shù)不低于1.75。

2）主起升機(jī)構(gòu)傳動鏈應(yīng)滿足下列條件之一：

（1）主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，并且在輸出軸上剛性連接。

（2）主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，在輸出軸上無剛性連接或主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動裝置時，均應(yīng)在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器。

（3）對于額定起重量不大于16t的起重機(jī)，在設(shè)計起升機(jī)構(gòu)時其工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高兩級，最小工作級別不應(yīng)低于M5級。

3）采用兩套驅(qū)動裝置的主起升機(jī)構(gòu)，當(dāng)其中一臺或一套電控裝置發(fā)生故障時，另一套驅(qū)動裝置應(yīng)能保證在額定起重量時完成一個工作循環(huán)。

4）主起升機(jī)構(gòu)在上升極限位置應(yīng)該設(shè)置不同形式的雙重二級保護(hù)裝置，并且能夠控制不同的斷路裝置，當(dāng)取物裝置上升到設(shè)計規(guī)定的極限位置時，第一保護(hù)裝置應(yīng)能切斷起升機(jī)構(gòu)的上升動力源，第二保護(hù)裝置應(yīng)能切斷更高一級動力源，需要時應(yīng)裝設(shè)下降極限位置連鎖保護(hù)裝置。

5）主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置超速保護(hù)裝置。

6）起升機(jī)構(gòu)應(yīng)該保證電動機(jī)先通電，制動器后打開。當(dāng)電動機(jī)失電后，高速軸制動器立即制動。主起升機(jī)構(gòu)制動器的控制，應(yīng)有防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。

1.2 通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬）

1）通用橋式起重機(jī)用于吊運(yùn)熔融金屬時的額定起重量小于75t的，工作級別為A7或A8。

2）起升機(jī)構(gòu)裝設(shè)有2套獨立作用的制動器（雙制動）。

3）裝設(shè)有不同形式（一般為重錘式和旋轉(zhuǎn)式并用）的上升極限位置的雙重限位器（雙限位），并應(yīng)控制不同的斷路裝置，起升高度大于20m的起重機(jī)，還應(yīng)根據(jù)需要裝設(shè)下降極限位置限位器。

4）用可控硅定子調(diào)壓、渦流制動器、能耗制動器、可控硅供電、直流機(jī)組供電調(diào)速以及其他由于調(diào)速可能造成超速的起升機(jī)構(gòu)和20t以上用于吊運(yùn)熔融金屬的通用橋式起重機(jī)必須具有超速保護(hù)。

5）起升機(jī)構(gòu)應(yīng)具有正反向接觸器故障保護(hù)功能，防止電動機(jī)失電而制動器仍然在通電進(jìn)而導(dǎo)致失速發(fā)生。

1.3 冶金單（雙）梁起重機(jī)

TSG Q0002—2008相關(guān)規(guī)定：

1）以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)還應(yīng)當(dāng)符合以下要求：（1）額定起重量不得大于10t；（2）電動葫蘆的工作級別不小于M6級。

2）采用電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)，其制動器的設(shè)置應(yīng)當(dāng)符合以下要求：（1）當(dāng)額定起重量大于5t時，電動葫蘆除設(shè)置一個工作制動器外，還必須設(shè)置一個安全制動器，安全制動器設(shè)置在電動葫蘆的低速級上，當(dāng)工作制動器失靈或傳動部件破斷時，能夠可靠地支持住額定載荷；（2）當(dāng)額定起重量小于或者等于5t時，電動葫蘆除設(shè)置工作制動器外，也宜在低速級上設(shè)置安全制動器，否則電動葫蘆應(yīng)當(dāng)按1.5倍額定起重量設(shè)計，或者使用單位選用的起重機(jī)的額定起重量是最大起重量的1.5倍，并且用起重量標(biāo)志明確允許的最大起重量。

3）設(shè)置不同形式的上升極限位置的雙重限位器，并且能夠控制不同的斷路裝置，當(dāng)起升高度大于20m時，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置下降極限位置限位器。

4）起升機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有正反向接觸器故障保護(hù)功能，防止電動機(jī)失電而制動器仍然在通電，導(dǎo)致電動機(jī)失速造成重物墜落。

JB/T 7688.5—2012的相應(yīng)規(guī)定：

額定起重量不大于16t時，可采用電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，電動葫蘆除應(yīng)滿足一般要求外，還應(yīng)滿足下列要求：以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)還應(yīng)當(dāng)符合以下要求：

1）當(dāng)額定起重量大于5t時，電動葫蘆除設(shè)置一個工作制動器外，還必須設(shè)置一個安全制動器，安全制動器設(shè)置在電動葫蘆的低速級上，當(dāng)工作制動器失靈或傳動部件破斷時，能夠可靠地支持住額定載荷。

2）當(dāng)額定起重量小于或者等于5t時，電動葫蘆除設(shè)置工作制動器外，也宜在低速級上設(shè)置安全制動器，否則電動葫蘆應(yīng)當(dāng)按1.5倍額定起重量設(shè)計。

3）選用具有高溫隔熱功能的電動葫蘆。

4）電動葫蘆的工作級別不小于M6級。

2 鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置問題探討

所謂的冗余系統(tǒng)就是為增加系統(tǒng)的可靠性，而采取兩套或兩套以上相同、相對獨立配置的設(shè)計。由于鑄造起重機(jī)械是高度危險的特種設(shè)備，設(shè)置兩套相同獨立的起升機(jī)構(gòu)，防止在其中一套起升系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一套系統(tǒng)能夠完成一個或者多個工作循環(huán)，不但保證設(shè)備的安全，還提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，不會因為設(shè)備故障而使生產(chǎn)線停止運(yùn)行。同時，起升系統(tǒng)的可靠性大幅度提高，假如單獨系統(tǒng)的故障率為p，而采取冗余系統(tǒng)后可以將故障率降低到p/2。

BS EN 13135—2：2004《起重機(jī) 設(shè)備安全設(shè)計要求 第2部分：非電氣設(shè)備》、ISO/10972—1：1998《起重機(jī) 對機(jī)構(gòu)的要求 第1部分 總則》都有對于吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)械設(shè)置冗余系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定。目前，我國現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7688.5—2012《冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第5部分：鑄造起重機(jī)》規(guī)定：主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，并且在輸出軸上剛性連接，若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器；或者主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動裝置，且在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器。無論鑄造起重機(jī)額定起重量的大小，主起升機(jī)構(gòu)的設(shè)置上都可以采用單套驅(qū)動裝置加上鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器的形式。因此，起重機(jī)械的生產(chǎn)廠家為了節(jié)約成本，增加設(shè)備價格競爭力，廣泛的采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。鑄造起重機(jī)的這種設(shè)置形式使小車結(jié)構(gòu)簡單、自重輕，主梁截面尺寸較小，主梁結(jié)構(gòu)輕量化，能夠達(dá)到節(jié)能的目的；節(jié)約一套起升機(jī)構(gòu)的成本，進(jìn)一步降低制造成本，一定程度上提高設(shè)備的性價比；同時，在額定起重量較小時基本上能夠保證設(shè)備的安全性，受到廣大中小型冶金企業(yè)的歡迎。對于額定起重量較大的鑄造起重機(jī)，這種設(shè)置形式雖然能夠節(jié)約更多的制造成本、更節(jié)能，但是該形式存在很大的安全隱患。首先，這種設(shè)置故障率是兩套驅(qū)動裝置故障率的2倍，設(shè)備的故障率提高，更容易出現(xiàn)安全事故；其次，這種設(shè)置的驅(qū)動裝置一旦出現(xiàn)損壞，理論上安全制動器必然要動作，在額定起重量很大的情況下必然會有產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)動慣量，此能量需要在很短的時間內(nèi)消耗，強(qiáng)大的沖擊載荷必然會使設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)損壞或造成人員傷亡；再次，這種設(shè)置的驅(qū)動裝置一旦損壞將無法再完成一個或者更多的工作循環(huán)，只能使大量的的熔融金屬滯停在空中，使生產(chǎn)線中斷、增加不安全因素，若大的鋼水包很難從空中安全降落到地面，不易恢復(fù)生產(chǎn)，造成企業(yè)較大的經(jīng)濟(jì)損失；最后，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)置主要出現(xiàn)在中小型的起重機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)，這些企業(yè)設(shè)計能力、焊接水平、組裝工藝、零部件和安全保護(hù)裝置質(zhì)量及安裝水平相對落后，進(jìn)一步增加了設(shè)備的安全隱患。

因此，大噸位的鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用冗余系統(tǒng)設(shè)置，即主起升機(jī)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置兩套驅(qū)動裝置。結(jié)合我國目前起重機(jī)械的制造水平以及冶金企業(yè)對鑄造起重機(jī)械的需要情況，建議鑄造起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置如下：

1）對于額定起重量不大于16t的鑄造起重機(jī)，主起升機(jī)構(gòu)可以設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，并且在輸出軸上剛性連接，或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器；也可以主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動裝置，且在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器；還可以在設(shè)計起升機(jī)構(gòu)時其工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高2級，最小工作級別不應(yīng)低于M5級。

2）對于額定起重量大于16t且小于75t的鑄造起重機(jī)，主起升機(jī)構(gòu)可以設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，并且在輸出軸上剛性連接，或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器；也可以在主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置一套驅(qū)動裝置上，且在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器。

3）對于額定起重量大于或等于75t的鑄造起重機(jī)，主起升機(jī)構(gòu)須設(shè)置兩套驅(qū)動裝置，并且在輸出軸上剛性連接，或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器。

3 通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬）安全制動器的設(shè)置問題探討

通用橋式起重機(jī)用于吊運(yùn)熔融金屬是“鐵嶺事故”發(fā)生后一個過渡階段的產(chǎn)物，“鐵嶺事故”表明在很多中小型的冶金企業(yè)中存在使用通用橋式起重機(jī)吊運(yùn)熔融金屬的現(xiàn)象，并且還有不少的使用單位訂購了通用橋式起重機(jī)用于吊運(yùn)熔融金屬，這些設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入制造過程但是沒有出廠和交付使用單位。因此，“鐵嶺事故”后國家質(zhì)檢總局從安全及經(jīng)濟(jì)兩個方面考慮下發(fā)了《關(guān)于冶金起重機(jī)械整治工作有關(guān)意見的通知》（質(zhì)檢辦特〔2007〕375號，現(xiàn)已作廢）的文件作為各地整治或整改用于吊運(yùn)熔融金屬的通用橋式起重機(jī)依據(jù)，對在用的起重機(jī)進(jìn)行改造使其符合文件要求；對于未出廠的起重機(jī)械，制造單位須將此設(shè)備作為一種新型號進(jìn)行型式試驗且取得相應(yīng)的制造許可證，取證后的企業(yè)大量生產(chǎn)這種類型的起重機(jī)。

這種起重機(jī)與通用橋式起重機(jī)無本質(zhì)差別，結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生根本變化，只是將工作級別提高，將零部件換成適用高溫環(huán)境的，增設(shè)了超速保護(hù)，設(shè)置雙制動器和不同形式的雙重起升高度限位，但是未考慮低速軸的保護(hù)和主起升機(jī)構(gòu)冗余系統(tǒng)的設(shè)置，使設(shè)備具有重大的安全隱患。同時，這種起重機(jī)在中小型冶金企業(yè)中大量應(yīng)用，這類企業(yè)的作業(yè)環(huán)境相對惡劣，人員安全意識較差，設(shè)備使用頻率很高，設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)不及時，進(jìn)一步增加了設(shè)備的安全隱患。

因此，這種起重機(jī)符合相關(guān)安全規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的同時，應(yīng)該增加主起升機(jī)構(gòu)低速軸的保護(hù)，即在低速軸的鋼絲繩卷筒上增設(shè)安全制動器。建議這種起重機(jī)安全制動器的設(shè)置情況如下：

1）對于額定起重量不大于16t的通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬），若設(shè)計的主起升機(jī)構(gòu)的工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高2級且最小工作級別不低于M5級時，在其鋼絲繩卷筒上可以不設(shè)置安全制動器，否則，需要在其鋼絲繩卷筒上增設(shè)安全制動器。

2）對于額定起重量大于16t且小于75t的通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬），需要在主起升機(jī)構(gòu)的在鋼絲繩卷筒上設(shè)置安全制動器。

4 冶金單（雙）梁式起重機(jī)額定起重量設(shè)置問題探討

冶金單（雙）梁起重機(jī)是以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)，大量應(yīng)用于小型的鋼鐵和有色金屬鑄造廠。這種起重機(jī)一般作業(yè)環(huán)境較差，沒有專職的司機(jī)操作，使用頻率高，設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)狀態(tài)不及時，設(shè)備安全隱患較大。同時，這種起重機(jī)一般是地面遙控操作，操作視線較差，大車運(yùn)行速度一般較同類型的普通起重機(jī)要高50%左右，電動葫蘆一般是單吊點吊運(yùn)，冶金單梁還沒有專門的傾倒鋼水包的裝置，在此種情況下若設(shè)備額定起重量過大，設(shè)備的安全隱患將進(jìn)一步增大。

TSG Q0002—2008規(guī)定以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)的額定起重量不得大于10t，而JB/T 7688.5—2012則對此有所放寬，規(guī)定額定起重量不應(yīng)大于16t。由于TSG Q0002—2008為強(qiáng)制執(zhí)行的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范，而JB/T 7688.5—2012為推薦性的制造標(biāo)準(zhǔn)，在實際設(shè)計和制造中必須要符合特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，即這種設(shè)備的額定起重量不應(yīng)超過10t。但從設(shè)計角度考慮，這種起重機(jī)存在兩種結(jié)構(gòu)形式，即單梁形式和雙梁形式，后者比前者要穩(wěn)定、可靠和安全，可以將額定起重量依據(jù)JB/T 7688.5—2012適當(dāng)?shù)奶岣摺Ｒ虼?，建議這種起重機(jī)額定起重量按如下要求設(shè)置：

1）以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)吊運(yùn)熔融金屬的電動單梁起重機(jī)的額定起重量不應(yīng)超過10t。

2）以電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)吊運(yùn)熔融金屬的電動雙梁起重機(jī)的額定起重量不應(yīng)超過16t。

5 吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在設(shè)計上材料問題探討

吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的整機(jī)工作級別一般為A6～A8，這就要求金屬結(jié)構(gòu)的工作級別較高，一般為E6～E8。根據(jù)GB/T 3811—2008的相關(guān)要求，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計要滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求。考慮這類起重機(jī)的工作級別較高且危險性較大，使用單位一般要求制造單位設(shè)計時采用較高的安全系數(shù)并且指定使用強(qiáng)度級別較高的低合金鋼Q345代替強(qiáng)度級別較低的低碳鋼Q235制作金屬結(jié)構(gòu)（主梁、副主梁、端梁、小車架等）。

事實上，這是一個錯誤的觀念，使用強(qiáng)度級別較高的Q345只是提高了金屬結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并不能提高金屬結(jié)構(gòu)的剛度和疲勞強(qiáng)度，而工作級別較高的金屬結(jié)構(gòu)需要驗算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，其設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)即是疲勞強(qiáng)度，只有構(gòu)件的實際疲勞應(yīng)力不超過構(gòu)件許用疲勞應(yīng)力才能滿足設(shè)計要求。

根據(jù)GB/T 3811—2008的規(guī)定，構(gòu)件的許用疲勞應(yīng)力與構(gòu)件的應(yīng)力循環(huán)特性r及構(gòu)件的拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力［σ-1］的基本值有關(guān)。其中，應(yīng)力循環(huán)特性r是結(jié)構(gòu)件某一個應(yīng)力循環(huán)過程中最小應(yīng)力和最大應(yīng)力的比值，對于吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)械的應(yīng)力循環(huán)特性為r的范圍為：0≤r≤1。［σ-1］是在r=-1時對稱應(yīng)力循環(huán)試驗中得到的疲勞極限（具有90%的可靠度）除以1.34安全系數(shù)，并考慮構(gòu)件的工作級別級具體的構(gòu)件連接的應(yīng)力集中情況等級和構(gòu)件材質(zhì)等三個因素后的疲勞許用應(yīng)力值。應(yīng)力集中分為非焊接件和焊接件兩種情況，其中，非焊接件構(gòu)件連接的［σ-1］要高于焊接件構(gòu)件連接的［σ-1］，其中，焊接件的應(yīng)力集中情況分為K0、K1、K2、K3、K4五個等級，具體焊接件構(gòu)件連接的［σ-1］見表1［3］：

表1 部分拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值［σ-1］ MPa

應(yīng)力循環(huán)特性為0＜r＜1的構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力：

其中，σb為結(jié)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，Q235為370MPa，Q345為490MPa，其余參數(shù)同上。

由拉伸許用應(yīng)力和壓縮許用應(yīng)力的計算公式可以看出，影響連接構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力的因素主要是［σ-1］，結(jié)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度σb影響很小。例如，構(gòu)件工作級別為E7，應(yīng)力集中等級為K3，應(yīng)力循環(huán)特性為0.10的Q235和Q345的構(gòu)件的疲勞壓縮許用應(yīng)力分別為：

因此，使用強(qiáng)度級別較高的Q345代替強(qiáng)度級別較低的Q235不能明顯地提高連接構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力，在起重機(jī)械的設(shè)計上是沒有任何意義的，但是，Q345代替Q235增加設(shè)備的制作成本，造成無謂的浪費。

從金屬結(jié)構(gòu)材料Q235和Q345對焊接缺陷敏感程度來說，Q345對焊接缺陷更加敏感，即Q235的可焊性要優(yōu)于Q345，使用材料Q345不但增加制造難度，還容易在起重機(jī)械的使用過程中產(chǎn)生疲勞裂紋，影響設(shè)備的使用，因此，Q235比Q345更適合用于制作吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)。

6 吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)制造中焊接問題探討

焊接是起重機(jī)械最基本的成型技術(shù)，焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到起重機(jī)械的質(zhì)量，特別是工作級別較高的起重機(jī)，主要受力結(jié)構(gòu)件的受力焊縫一旦存在焊接缺陷便會以較快的速度擴(kuò)展，影響設(shè)備的性能和壽命，產(chǎn)生較大的安全隱患。因此，吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)件的主要受力焊縫必須保證焊接質(zhì)量，特別是翼緣板、腹板的對接連接的焊縫、上翼緣板和主腹板的連接焊縫及T型鋼與腹板和翼緣板的連接焊縫，這些焊縫不但要求焊透，而且無損檢測也應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

由于焊接構(gòu)件的應(yīng)力集中情況直接影響連接構(gòu)件的拉伸和壓縮疲勞許用應(yīng)力的基本值［σ-1］，而且隨著應(yīng)力集中等級的遞增，結(jié)構(gòu)疲勞許用應(yīng)力的基本值遞減，影響連接構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力，其值隨著集中等級的遞增快速遞減，影響設(shè)備的使用性能。因此，在實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量采取較為合理的應(yīng)力集中情況等級，盡量選擇GB/T 3811—2008中表O.2（續(xù)）規(guī)定的焊縫連接類別小于或等于K2，如果焊接工藝人員發(fā)現(xiàn)重要結(jié)構(gòu)件焊接件的連接類別不能保證小于或等于K2時，應(yīng)該進(jìn)行修改并達(dá)到此要求。這些焊縫主要包括主梁翼緣板、主副腹板、T型鋼連接的對接焊縫，翼緣板與主副腹板連接的角焊縫及大肋板與翼緣板和主副腹板連接的角焊縫。這些對接焊縫的余高、角焊縫的焊腳尺寸要符合相應(yīng)要求，焊縫表明要進(jìn)行打磨直至光滑；焊縫內(nèi)部不應(yīng)有超標(biāo)缺陷存在；避免出現(xiàn)交叉焊縫，以減少應(yīng)力集中。大肋板與翼緣板和腹板的連接的角焊縫與翼緣板和腹板連接的角焊縫容易出現(xiàn)交叉焊縫，一般將大肋板作倒角或者切角處理以避免出現(xiàn)交叉焊縫，減少焊縫應(yīng)力集中。以下是某起重機(jī)械制造廠制作鑄造起重機(jī)時大肋板的倒角或切角處理情況，如圖1、圖2所示。

圖1 大肋板的設(shè)計圖

圖2 倒角和切角的大肋板

7 結(jié)束語

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)包括鑄造起重機(jī)、通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬）以及冶金單（雙）梁起重機(jī)三種類型，此類設(shè)備的設(shè)計和制造過程在符合相應(yīng)的安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建議達(dá)到以下要求：超過75t的鑄造起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)設(shè)置冗余系統(tǒng)；超過16t的通用橋式起重機(jī)（吊運(yùn)熔融金屬）在低速軸卷筒上設(shè)置安全制動器；冶金單梁起重機(jī)的額定起重量不超過10t，冶金雙梁起重機(jī)的額定起重量不超過16t。

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)的材料應(yīng)該選擇焊接性較好、價格較低且不影響連接構(gòu)件疲勞許用應(yīng)力的低碳鋼Q235；機(jī)構(gòu)件在制作過程中要保證焊縫的焊接質(zhì)量，焊縫內(nèi)部無超標(biāo)缺陷；降低焊縫的應(yīng)力集中，盡量選擇GB/T 3811—2008中表O.2（續(xù)）規(guī)定的焊縫連接類別小于或等于K2，避免出現(xiàn)K4，以保證連接構(gòu)件的疲勞許用應(yīng)力，從設(shè)計和制造的源頭上保證吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的安全。

［1］ TSG Q0002—2008 起重機(jī)械安全監(jiān)察規(guī)程——橋式起重機(jī)［S］.

［2］ 關(guān)于冶金起重機(jī)械整治工作有關(guān)意見的通知（質(zhì)檢辦特〔2007〕375號）。

［3］ GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ JB/T 7688.1—2008 冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第1部分：通用要求［S］.

［5］ JB/T 7688.5—2012 冶金起重機(jī)技術(shù)條件 第5部分：鑄造起重機(jī)［S］.

行業(yè)動態(tài)

Discussion on the Designing and Manufacturing of the Hoisting Molten Metal Crane

Chen Xiaowei1Chen Zengjiang1Dai Hanzheng2Wang Jiaqing1Wu Ke1
（1. Shandong Special Equipment Inspection Institute Tai'an Branch Tai'an 271000）
（2. Taishan University Tai'an 271000 ）

Hoisting molten metal crane is widely used in metallurgical industry， belonging to the special equipment with highly dangerous. The design and manufacture rationality is about the safety of hoisting machinery. This paper introduces classification of the hoisting molten metal crane and the regulations of safety technical specification and standard， focuses on the analysis of the design， manufacture and noticeable problems of such equipment， and put forward reasonable suggestions.

Hoisting molten metal crane Main hoisting mechanism Safety brake Material Welding

X941

B

1673-257X（2015）05-40-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.008

陳曉偉（1985～）， 男，工程師，主要研究方向為金屬材料焊接工藝、起重機(jī)械設(shè)計制造及檢驗。

2015-01-04）