起重機(jī)起升載荷試驗及試驗吊籠設(shè)計方法探討

高立程， 李 軍

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

GB/T 5905—2011《起重機(jī)試驗規(guī)范和程序》第3.2條規(guī)定：“起重機(jī)在出廠交付使用前，制造商應(yīng)對其進(jìn)行試驗和檢驗。對于在使用地點進(jìn)行安裝或總裝的起重機(jī)，也應(yīng)在投入使用前進(jìn)行試驗和檢驗”[1]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗和檢驗包括三種類型：起重機(jī)性能的合格試驗和檢驗、目測檢驗和起升載荷試驗。本文主要討論的是起重機(jī)起升載荷試驗。

1 起升載荷試驗

根據(jù)GB/T 5905的規(guī)定，起升載荷試驗主要包括靜載試驗和動載試驗[2]。

靜載試驗的目的是檢驗起重機(jī)以及各結(jié)構(gòu)件的承載能力。每個起升機(jī)構(gòu)的靜載試驗應(yīng)分別進(jìn)行，靜載試驗的載荷為1.25Gn。對于橋式起重機(jī)，Gn為制造商規(guī)定的最大起重量，即起重機(jī)的額定起重量。試驗載荷應(yīng)被逐漸加大，起升至離地面100～200 mm處，懸空時間不少于10 min。卸載后，檢查起重機(jī)，如未出現(xiàn)永久變形、油漆剝落或?qū)ζ鹬貦C(jī)的性能和安全有影響的損壞，連接處沒有出現(xiàn)松動或損壞，則靜載試驗合格。

動載試驗的目的主要是驗證起重機(jī)各機(jī)構(gòu)和制動器的功能及安全裝置的可靠性。起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的動載試驗應(yīng)分別進(jìn)行，然后做聯(lián)合動作的試驗。起升機(jī)構(gòu)按1.1Gn加載。試驗中，對每種動作應(yīng)在其行程范圍內(nèi)作往復(fù)起動和制動。對懸掛著的試驗載荷作空中起動時，試驗載荷不應(yīng)出現(xiàn)反向動作。試驗時應(yīng)按該起重機(jī)的電動機(jī)接電持續(xù)率留有操作的間隙時間，按操作規(guī)程進(jìn)行控制，且應(yīng)注意把加速度、減速度和速度限制在起重機(jī)正常工作的范圍內(nèi)。按接電持續(xù)率及其工作循環(huán)、試驗時間至少應(yīng)延續(xù)1 h。如果各部件能完成其功能試驗，并在隨后的目測檢查中未發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)或構(gòu)件有損壞，連接處也沒有發(fā)現(xiàn)松動或損壞，則認(rèn)為這項試驗結(jié)果合格。

通過GB/T 5905的要求可知，起重機(jī)起升載荷試驗的最大試驗載荷為起重機(jī)額定起重量的1.25倍，根據(jù)GB/T 22415《起重機(jī)對試驗載荷的要求》，試驗載荷可以是單個單元或者是由幾個部分組成。有些起重機(jī)的額定起重量非常大，采用單個單元的試驗載荷是很難實現(xiàn)的，而且試驗載荷是被逐漸地增加上去的，所以只能采用由幾個已知質(zhì)量的部分來組成試驗載荷，試驗吊籠加試重塊作為試驗載荷就是常用的方法。

2 起升載荷試驗吊籠

起升載荷試驗吊籠是起重機(jī)進(jìn)行起升載荷試驗的專用工具，如圖1所示。將一定數(shù)量的試重塊按一定分布擺放到試驗吊籠上，試重塊的規(guī)格可以是相同的，也可以是不同的，但需要滿足試重塊和試驗吊籠的總質(zhì)量達(dá)到試驗要求的載荷值。然后將起重機(jī)的吊具與試驗吊籠的吊耳通過銷軸連接起來進(jìn)行試驗。

圖1 試驗吊籠示意圖

試驗吊籠作為承載試重塊的工具，自身必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，且試驗吊籠自身質(zhì)量也包含在試驗載荷里，可以適當(dāng)提高設(shè)計的安全系數(shù)，但考慮到方便運輸以及降低成本等因素，試驗吊籠的外形尺寸和整體質(zhì)量也不能過大。

試驗吊籠一般采用若干箱形梁組成主體框架來作為主要承重結(jié)構(gòu)，如圖2所示，這樣試驗吊籠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性都能得到一定的保證。根據(jù)吊點數(shù)量和分布情況設(shè)計1根或2根梁作為主梁，吊耳通常就設(shè)置在主梁上。吊籠的四周用邊梁來圍成一個矩形框架，邊梁與主梁直接連接或通過若干連接梁相連。箱形梁之間的空當(dāng)則用平臺來填補(bǔ)，平臺實際為工字梁或多個工字梁組合的結(jié)構(gòu)，梁與梁之間以及梁與平臺之間的筋板對中排布，進(jìn)一步加強(qiáng)了試驗吊籠整體的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性。試驗吊籠的外形尺寸一般都非常大，為方便運輸，需做分段處理，分段處通常采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。在吊籠的四周邊梁外側(cè)設(shè)置欄桿，防止可能出現(xiàn)的試重塊意外滑落事故。

圖2 試驗吊籠典型結(jié)構(gòu)圖

吊耳的型式主要是由吊具決定的。有的用戶要求起重機(jī)吊鉤與試驗吊籠直接相連，吊鉤一般都比較厚，這就要求吊耳2個側(cè)板的間距比較大，與吊鉤相連的銷軸也比較長，如圖3所示。這種型式的側(cè)板和銷軸受力都比較大，需要選用較厚的側(cè)板和機(jī)械性能較好的銷軸材料。有的用戶要求起重機(jī)吊具的側(cè)板與試驗吊籠相連，對應(yīng)吊具的每一個側(cè)板，可以設(shè)置1根銷軸和2個側(cè)板與之配合，這樣銷軸就比較短，如圖4所示。相比前一種型式，這種型式的側(cè)板和銷軸受力都相對較小，可以選取較薄的側(cè)板，銷軸材料的機(jī)械性能要求也相對較低。

除了這兩種常用型式外，還有其他一些型式，這里就不再介紹，吊耳的型式都要根據(jù)吊具型式來設(shè)計，在保證連接可靠的基礎(chǔ)上，盡可能提高連接的方便性。

圖3 吊耳型式一

圖4 吊耳型式二

3 起升載荷試驗吊籠設(shè)計方法

影響試驗吊籠外形尺寸的因素主要有起重機(jī)的跨度、吊耳的型式、試重塊的尺寸及數(shù)量、方便運輸?shù)?。通常在設(shè)計試驗吊籠之前，起重機(jī)的跨度和吊具的型式就已經(jīng)確定了，吊耳的型式主要由吊具的型式?jīng)Q定，試重塊的規(guī)格一般由用戶提供，運輸尺寸則要綜合考慮從生產(chǎn)廠房到用戶廠房的運輸、用戶廠房內(nèi)部的運輸以及運輸成本等因素。在綜合考慮以上因素，同時可以參照已有相同或相近噸位試驗吊籠的基礎(chǔ)上，初步確定試驗吊籠的外形尺寸范圍，還可以預(yù)估試驗吊籠的質(zhì)量。用試驗載荷總質(zhì)量減去試驗吊籠的質(zhì)量就可以估算出所需試重塊的總質(zhì)量，進(jìn)一步得出試重塊的數(shù)量。試重塊的規(guī)格可能有多種，要盡可能選取一種作為主要規(guī)格使用。

若試驗載荷總質(zhì)量為Gz，試驗吊籠的質(zhì)量為GL，所需質(zhì)量為 G1，G2，…，Gi的試重塊的數(shù)量分別為n1，n2，…，ni，則

利用CAD軟件，在圖3，圖4模擬試重塊的擺放，模擬時要為吊耳留出足夠的空間，試重塊的分布也應(yīng)該均勻?qū)ΨQ。試重塊的層數(shù)不宜過多，層數(shù)過多會導(dǎo)致吊籠表面單位面積壓力過大，需增加箱形梁的截面尺寸來加強(qiáng)；試驗吊籠的外形尺寸也不宜過大，以免增加運輸?shù)碾y度和成本，所以要綜合考慮兩方面的因素。

試驗吊籠各箱形梁的截面尺寸可以先按經(jīng)驗或參照已有噸位相同或相近的吊籠進(jìn)行設(shè)定。在確定試重塊的排布后，再對試驗吊籠的強(qiáng)度進(jìn)行校核。各箱形梁均為靜不定梁，為簡化計算，假設(shè)主梁承受全部載荷，校核主梁的強(qiáng)度，根據(jù)校核結(jié)果修改主梁截面尺寸，其余箱形梁和平臺的截面尺寸則按其承受載荷的大小相應(yīng)減小。

試驗吊籠的基本尺寸確定后，可采用有限元分析軟件進(jìn)行計算，再根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化試驗吊籠。試驗吊籠設(shè)計完成后，可以計算出吊籠的總質(zhì)量，從而得出所需試重塊的總質(zhì)量，最后按計算結(jié)果調(diào)整試重塊的數(shù)量和排布。

4 結(jié)論

1）采用箱形梁組成主體框架，保證了試驗吊籠整體的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，試驗吊籠的總質(zhì)量也可以極大地降低。

2）試驗吊籠的外形尺寸一般都很大，需進(jìn)行分段處理，分段處采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。

3）綜合考慮多種因素來確定試驗吊籠的外形尺寸，通過計算得出箱形梁的截面尺寸，并利用有限元分析來進(jìn)行優(yōu)化。