起重機機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用淺析

王麗麗　李翔（新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng)　453000）

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起重機機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用淺析

王麗麗李翔
（新鄉(xiāng)市起重設(shè)備廠有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng)453000）

【摘 要】伴隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及市場競爭的日益加劇，各個行業(yè)對機械化和自動化的要求越來越高，使起重機械的需求增加，對設(shè)計技術(shù)發(fā)展水平的要求也不斷提高。從實際工作中設(shè)計和生產(chǎn)角度出發(fā)，歸納提煉出起重機主要零部件和金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)如何選擇材料，選取何種材料。并推薦使用一些性價比高的新型材料，使起重機的設(shè)計輕量化，實用化和美觀化。

【關(guān)鍵詞】起重機機械設(shè)計材料選擇應(yīng)用

我國的起重機機械設(shè)計結(jié)構(gòu)初期源于前蘇聯(lián)，近些年來模仿歐洲的歐式起重機的應(yīng)用越來越多。有相關(guān)專家提出：在起重機機械設(shè)計的材料選擇和應(yīng)用中，要注重材料的優(yōu)化和更新，并考慮實用性、經(jīng)濟性和美觀性。筆者結(jié)合工作中的實踐經(jīng)驗，就起重機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用談?wù)勛约旱慕?jīng)驗和想法。

1　起重機機械設(shè)計中材料的基本分類和選擇的基本依據(jù)

起重機機械設(shè)計一般可分為機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。其材料有機構(gòu)設(shè)計中涉及到的機械加工零部件材料，有結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及到的金屬結(jié)構(gòu)材料。材料的選擇各有方法和特點，應(yīng)根據(jù)實際用途選擇性能和材質(zhì)不同的材料。有的要求強度和剛度，有的要求疲勞強度，有的要求耐磨性，有的是美觀性等等。所以選擇時要以實用性為基本原則，并考慮經(jīng)濟性和美觀性，以實際所需和使用情況來進行選材。

2　起重機機械設(shè)計中材料的選擇內(nèi)容

2.1機械加工零部件材料的選擇

機械加工零部件由焊接件、軋制件、鑄件和鍛件做為毛坯件，經(jīng)過各種機械加工工藝而成。為了改善其機械性能，提高機械零件的使用壽命和承載能力，對機械加工零件需要進行熱處理。

起重機機械加工零部件主要有卷筒、車輪、滑輪、吊鉤、吊鉤螺母和吊鉤橫梁等等。

2.1.1卷筒材料的選擇

卷筒可分為鑄造卷筒和焊接卷筒。鑄造卷筒有鑄鐵和鑄鋼兩種，鑄鐵卷筒采用不低于HT200的灰鑄鐵，鑄鋼卷筒采用不低于ZG230-450的鑄鋼。老式起重機設(shè)計中的卷筒一般采用HT200鑄鐵件，成品率較低，且強度不如鑄鋼卷筒，出于性價比的考慮，鑄鋼卷筒已逐步代替鑄鐵卷筒。焊接卷筒多采用Q235或Q345鋼板經(jīng)卷圓焊接而成，其卷筒壁厚小，重量輕，在大尺寸卷筒中尤其能顯現(xiàn)出優(yōu)越性。目前，已經(jīng)有用帶有繩槽熱軋成型的鋼板直接制造出來的焊接卷筒，適用于大批量生產(chǎn)。

2.1.2車輪材料的選擇

車輪有鑄造車輪、鍛造車輪和軋制車輪。鑄造車輪采用力學(xué)性能不低于GB/T699中規(guī)定的ZG340-640鋼的材料。對于踏面直徑不大于400mm的鍛造車輪采用力學(xué)性能不低于GB/T699中規(guī)定的55鋼材料，大于400mm則采用力學(xué)性能不低于60鋼的材料。軋制車輪采用力學(xué)性能不低于GB/T699中規(guī)定的60鋼材料。不論采用何種加工方法，都需要對車輪進行熱處理以消除內(nèi)應(yīng)力。在歐式起重機的車輪設(shè)計中，新材料的應(yīng)用使車輪的體積顯著減小，自重降低，并降低對廠房的高度要求，使起重機使用方的土建成本降低。因而新材料的推廣和應(yīng)用發(fā)展迅速。例如：車輪采用42CrMo鍛造，其強度是60鋼的2.3倍，且韌性和淬透性好，在高溫下有高的蠕變強度與持久強度，可在500℃下長期工作。同等強度下采用42CrMo鍛造車輪不但可以減小車輪的體積，加工和使用性能也優(yōu)越，性價比很高。

2.1.3滑輪材料的選擇

起重機滑輪分為鑄造滑輪和軋制滑輪。鑄造滑輪采用灰鐵或者鑄鋼材料。由于灰鐵材質(zhì)的滑輪成品率低，使用壽命短，使用量在逐步減少。而最多使用的是鑄鋼滑輪，強度較灰鐵要好。軋制滑輪通常采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B或低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345-B制造。隨著材料應(yīng)用的發(fā)展，MC尼龍滑輪的使用逐步增多，其具有高耐磨性，摩擦系數(shù)低并帶有自潤滑功能，價格較低，容易加工。耐磨損壽命是鋼滑輪的3～5倍。自潤滑和優(yōu)良的彈性使起重機鋼絲繩的使用壽命也大幅提高。可以抵抗沖擊載荷而不斷裂，不怕撞擊。在使用過程中鋼絲繩與繩槽有相對的滑動，在緊急制動時也不會打滑，還有顯著的吸振功能。值得大力推廣。

2.1.4吊鉤材料的選擇

吊鉤分為片式吊鉤和鍛造吊鉤。片式吊鉤由多片鋼板疊加一起進行鉚接組成，不會整體突然斷裂，安全可靠，可以更換單個鉤片。一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B或低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345-B制造。考慮到多應(yīng)用在鑄造起重機上，工作級別高，而Q345-B的疲勞強度較好，所以采用Q345-B材料居多。鍛造吊鉤最為常用，在老式起重機上一般采用DG20鋼或者DG20Mn鋼，其強度等級一般為M級或P級。在歐式起重機上則多采用T級的DG34CrMo鋼。相同噸位的吊鉤，以32噸吊鉤為例：工作級別M5時，M級吊鉤鉤號為25號，重量為160kG；T級吊鉤鉤號為12號，重量為55 Kg。T級吊鉤的重量僅是M級吊鉤的三分之一，而且T級的外形尺寸比M級的要小得多。采用高強度等級的吊鉤不僅有利于減輕機構(gòu)的自身重量，也可以大幅度提高起升機構(gòu)的上極限位置，擴大了起重機的工作范圍，性價比高。老式起重機也可以借鑒歐式起重機吊鉤的選材，使起重機更輕，工作范圍更廣。

2.1.5吊鉤螺母和吊鉤橫梁材料的選擇

吊鉤螺母采用20鋼、45鋼、35CrMo鋼和42CrMo鋼等材料。選擇的基本依據(jù)是吊鉤螺母和配套吊鉤的材質(zhì)應(yīng)一致或接近。吊鉤橫梁采用45鋼，35CrMo鋼和42CrMo鋼等等。選擇依據(jù)同吊鉤螺母。

2.2金屬結(jié)構(gòu)材料的選擇

金屬結(jié)構(gòu)材料的選取要考慮結(jié)構(gòu)的重要程度、載荷的分布特征、工作級別、應(yīng)力狀態(tài)、機械連接方式、工作環(huán)境的溫度以及所選鋼材的厚度等因素。因而要注意以下幾點：不應(yīng)選用沸騰鋼；厚度大于50mm的鋼板，用作焊接承載構(gòu)件時必須慎重，許用應(yīng)力應(yīng)降低約10%使用；選用高強度鋼材做結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)注意焊接工藝的合理性并進行相關(guān)的焊接工藝評定，以防止焊縫開裂及鋼材結(jié)構(gòu)的變形；所選鋼材必須具有足夠的抗脆性破壞的能力，并依據(jù)相關(guān)條件來選擇鋼材的質(zhì)量組別。起重機的主要承載金屬結(jié)構(gòu)件有主梁、端梁、小車架和門腿等等。這些部件一般選取碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B或低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345-B來進行制作。Q345-B的強度要高于Q235-B。根據(jù)筆者多年的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，當起重機跨度較小時，決定主梁設(shè)計條件的主要是其強度，因此選擇Q345-B材料能減小主梁的截面和重量，優(yōu)先選用Q345-B。當跨度大時，決定主梁設(shè)計條件的主要是剛度，而Q345-B不再有優(yōu)勢，沒有特殊要求的話，優(yōu)先選用Q235-B。其它結(jié)構(gòu)件也是如此。

表1　玻璃鋼與其它材料的強度對比

對于工作在高于100℃和低于-40℃的極端溫度條件下的起重機結(jié)構(gòu)件的材料，在選擇時要慎之又慎。高溫環(huán)境下鋼材許用應(yīng)力降低，材料會發(fā)生膨脹，彈性模量也降低，以塑性破壞為主。選擇材料時必須注意實際的許用應(yīng)力。低溫環(huán)境下鋼材脆性增強，嚴重削

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弱鋼材的使用性能，許用應(yīng)力也會降低，這時要依據(jù)相關(guān)條件來選擇鋼材的質(zhì)量組別。例如，我公司為俄羅斯某企業(yè)制造的鋼結(jié)構(gòu)件在設(shè)計時除了進行強度計算、剛度計算和疲勞計算，還考慮縱向殘余拉伸應(yīng)力和自重載荷引起的縱向拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用、工作環(huán)境的溫度和結(jié)構(gòu)件材料的厚度等條件因素，最終選用的結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為Q345-E。

制作操縱室、機房、走臺、電纜滑架、欄桿等附件時一般采用Q235-A、20鋼等材料。傳統(tǒng)的設(shè)計中，操縱室的外殼和起重機機房一般選用Q235-A材料，經(jīng)焊接而成。外觀差，加工繁瑣。在一些起重機上有采用玻璃鋼制作的司機室。玻璃鋼是一種復(fù)合的新型材料，確切名稱叫玻璃纖維增強塑料，其比強度高，可與鋼材媲美，可以大面積整體成型，減少零部件及連接緊固件，流線型外觀流暢美觀，隔音、隔熱，防振性能優(yōu)于金屬，工藝簡單、輕巧耐用。玻璃鋼的力學(xué)性能最突出的特點是質(zhì)量輕強度高，密度小，比拉伸強度是鋼的3～4倍，比某些特殊合金鋼還高，見表1所示。

在起重機的走臺設(shè)計中通常采用花紋板進行鋪設(shè)，容易積聚灰塵而且鋪設(shè)不平整有波浪起伏，人踩上去會下沉并發(fā)出聲音。選擇玻璃鋼格柵來鋪設(shè)走臺通道，首先強度足夠，而且重量也輕。其次加工時簡單，避免多處焊接。整體美觀大方，整齊漂亮，不積聚灰塵。

3　結(jié)語

起重機制造行業(yè)的競爭越來越激烈，使得各個制造廠家從實用化、輕量化、美觀化和高端化入手來提高產(chǎn)品的競爭力。原來通用的老型起重機已逐步被市場所淘汰，開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、外形美觀、吊裝死角小的歐式起重機就要選用性價比最高的材料，并且選用美觀實用的材料。使起重機用最優(yōu)化的設(shè)計來發(fā)揮最大的作用。才能在競爭中站穩(wěn)腳跟，并取得更大發(fā)展。

參考文獻：

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［2］徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

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