淺談安全閥校驗站用起重機的研制

李學洪，滕榮蓉，王光楚

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院淮安分院，江蘇 淮安223000）

1 起重機的概述

起重機是指在一定范圍內垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械，主要用于起吊大噸位的物件。起重機分為橋門式起重機、門座式起重機、流動式起重機、塔式起重機等多種形式，它的工作特點是做間歇性運動，即在一個工作循環中取料、運移、卸載等動作的相應機構是交替工作的，起重機在市場上的發展和使用非常的廣泛在當前工業發展中也起及其重要的作用。大型鋼廠需要起重機吊運鋼水貨物，建筑工地需要起重機吊運水泥黃沙，路政工地需要起重機吊運鋼筋貨物，橋梁制作工程中需要起重機來架橋。普通企業也需要起重機來配合他們的日常生產，比如轉運貨物、維修設備、裝車、大件翻身等。起重機在當今已成為工業發展必不可缺的一樣產品，一個城市的發展水平，可以通過辨別其起重機的數目來確定。在特種設備檢驗行業中，起重機不僅僅作為檢驗的一種設備，更能夠作為檢驗的一種工具。大型承壓類安全設備的安全閥，法定需要檢驗。在人力無法達到的情況下，則必然需要起重設備的配合。本文結合現有起重機的研究基礎，綜合考慮安全閥校驗站的限制及需求，研制一種新型的起重設備，用于檢驗工作中配合的工具。

2 目前安全閥校驗站用起重設備的現狀

安全閥設備的校驗，都需要起重機的配合。當前安全閥校驗場所使用的起重機，普遍是普通橋門式起重機和定柱式搖臂起重機兩種形式。普通橋門式起重機弊端在于：對校驗場所的凈空高度要求較高，價格較貴，如果安全閥校驗的場所在普通廠房內則無法實施，需要大的廠房、車間才能滿足設備的移動，且較為危險。定柱式搖臂起重機目前運用于較多的安全閥校驗場所，下口由地腳螺栓組固定，上端安裝轉動懸臂，為了保證起吊時起重設備的抗傾覆性能，立柱底端就需要與直徑約3m、厚度約0.8m 左右的鋼筋混凝土基礎相連。這樣不僅地基價格較高，而且起重設備必須安裝在校驗廠房中間位置，降低了校驗場所的有效使用面積，也對校驗流程帶來了阻礙與干擾，并影響校驗環境的美觀。目前我國絕大多數安全閥校驗站，面積小，凈空高度低，使的市面上現有的起重機無法滿足校驗需求。本文所研發的轉柱式搖臂起重機能夠很好地解決上述起重設備所存在的弊端，使之廣泛滿足現今安全閥校驗場所使用。

3 轉柱式搖臂起重機的設計思路

本起重機主要的設計思路為安裝布局合理、物美價廉。布局合理在于,它是依靠校驗廠房內的立柱位置安裝起重設備，其下端直接固定于混凝土地面上，上端附著于立柱或與立柱相連的梁上，因其緊靠墻壁，不僅布局合理美觀，更大大提高了校驗場所的空間利用率，同時，可以充分利用搖臂下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙，依靠旋轉部件，形成一個扇形的吊運空間。價廉在于其用材價格低廉。采用了其他報廢設備的零部件，如報廢汽車輪轂、汽車后橋半軸，鋼材市場的無縫鋼管等。同時對起重機結構進行設計優化，使之金屬結構部分為同噸位起重機重量的2/5，大大降低了成本價格。同時，由于無縫管、汽車零部件都為成品，減少了普通起重機的焊接，裝配，機加工等工作，減少了部分費用。

起重機設計總體為立柱轉動的搖臂式起重機。立柱采用20＃φ21920 的無縫鋼管，起重機搖臂采用20a 工字鋼。這兩種材料占據本次研發的起重機設備總重的90%，故使用經濟截面鋼材，可有效降低起重機制造成本。

起重機轉動支撐均采用報廢汽車部件，一是價格低廉，二是強度達標。起重機上口使用報廢汽車后橋半軸，半軸上部通過法蘭片與廠房內立柱牛腿（或橫梁）相連，起固定半軸的作用。插入無縫管內的半軸下端部分套有固定卡盤，卡盤外徑與無縫鋼管內徑為間隙配合，起到轉柱轉動時的軸承作用。起重機立柱無縫管下口與報廢汽車的輪轂通過法蘭片連接，輪轂起著軸承支座作用。起重機立柱與起重臂為一整體，相對于底座實現整體旋轉功能。因汽車后橋半軸為高強度圓鋼，汽車輪轂采用雙列圓錐滾子軸承，能夠承受軸向與徑向的聯合載荷，滿足本次研發的起重設備受力要求。

由于該起重機采用搖臂式，又能實現整體轉動，故我們將此次研發的起重機稱為：轉柱式搖臂起重機。起重機設計草圖見圖1。

4 起重機主要構件的性能校核計算

4.1 工字鋼搖臂的性能校核

轉柱式搖臂起重機的搖臂采用Q235B 工字鋼材料，搖臂和無縫管立柱之間為鉸接。假設F1為拉桿的拉力，F2為工字鋼的水平力，安全閥自重為Qmax（圖2），拉桿與懸臂角度為θ。當最大起重量處于最大回轉幅度時，假設搖臂最大回轉幅度為L=4.5m，拉桿與起重臂之間夾角θ=9o，Qmax=2500kg。

由質點受力平衡可知：

圖1 轉柱式搖臂起重機草圖

圖2 起重機端部受力圖

解得：F1=159.81×103N F2=157.84×103N

故當最大起重量處于最大回轉輻度時，搖臂滿足穩定性要求。

對搖臂進行強度校核：

當最大起重量處于搖臂中間位置時，搖臂所受彎矩最大。

故搖臂強度滿足設計要求。

4.2 無縫鋼管立柱的性能校核

轉柱式搖臂起重機立柱采用20＃φ219×20 無縫鋼管，立柱總高度為4.5m。因立柱兩端采用鉸接，由受力分析可知，其最危險截面為搖臂與立柱的交接點,即約H=4m 位置。設立柱上下支座處受到的水平力分別為P2、P1（見圖3）。

圖3 無縫管立柱受力分析圖

對立柱進行強度校核：

當最大起重量處于最大回轉輻度時,該部位的彎矩：

圖4 無縫管立柱彎矩圖

立柱抗彎截面模量:

立柱截面積:

4.3 起重機整體有限元分析

最后對起重機整體進行有限元分析。有限元分析是對一個產品整體受力，變形等情況進行的綜合性分析。此次建模軟件為solidworks2014，有限元分析軟件為workbench19.0。賦予起重機的材料為普通碳素鋼材料，拉索為鋼絲繩拉索。對主要受力結構件進行建模，對其進行網格劃分（見圖5），材料設置，施加約束，施加作用力，求解變形情況（見圖6）及應力情況（見圖7）。workbench 的力學分析結果通過顏色云圖展示，顏色越紅代表受應力或變形越大，顏色越藍代表受應力或變形越小。由此可見，轉柱式搖臂起重機在起吊位置的變形最大，立柱部分及懸臂根部位置基本無變形。而應力分析結果無紅色區域，則表示起重設備所受應力值較小，都在許用值范圍內。由有限元分析可得，變形和應力均符合要求。此次有限元分析，賦予的材料皆為普通材料，在這種情況下，起重機整體受力滿足使用需求。這則說明，在使用剛強度鋼材的情況下，同時滿足要求。

5 此類起重機的目的、意義及前景

圖5 模型網格化

圖6 模型變形情況熱圖

圖7 模型受應力情況

轉柱式搖臂起重機的研發，目的在于方便安全閥校驗過程中，對安全閥能夠輕松的吊裝及轉運。其物美低廉，國內同噸位起重機價格都在3 萬元以上，而此款起重機價格僅在8 千元左右，關鍵解決了安全閥等單位廠房內布局的難題，可以廣泛推廣與全國各地安全閥校驗場所。本文研制的起重機，是基于對當前國內外安全閥校驗站通用起重機優缺點的去粗取精，基于對廢舊物品的回收利用。此類起重機不僅僅能運用在安全閥校驗站中，同時，對于空間狹小的維修車間，如汽車修理店，小型鋼板放樣區，小件倉庫等，都可以采用此類起重設備。這種設備起重范圍廣，占地面積小，對空間要求低，價格低廉，符合中國制造2025“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化”的基本方針。具有很好的使用前景。