390 t 起重機吊鉤承載能力分析

徐偉明

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇無錫 214400）

0 引言

起重機是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，又稱天車、航吊、吊車等。橋式起重機是橫架于車間、倉庫和料場上空，進行物料吊運的起重設備，它的兩端坐落在高大的水泥柱或者金屬支架上，形狀似橋。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙，是使用范圍最廣、數量最多的一種起重機械。

起重機的吊鉤系由鋼錠經鍛造制成，無論是單鉤型還是雙鉤型，其第一階段鍛造均經下料—鐓粗—拔長各工序。鍛造去除內部的鑄造缺陷外，鑄態的樹枝狀組織將被打碎，使晶粒得到細化，使毛坯形成具有很高韌性和強度的連續性纖維帶，其纖維方向與吊鉤結構方向相同。纖維帶的形成對吊鉤的性能有著重要作用和影響。在第二階段鍛造中，單鉤將直接煨彎成形，其內部纖維方向不變；而雙鉤則在鉤頭部位繼續鍛造，并經氣割成形后再由模鍛整理達到成品形狀，其內部纖維組織呈二次連續性。

某大型鋼鐵企業裝備了1 臺390 t 橋式雙鉤起重機，主要用于寬厚板軋機的支承輥吊裝更換作業和牌坊的技改安裝作業。本文主要研究吊鉤的安全性。

1 問題的提出

寬厚板產線的軋機牌坊重達390 t，支承輥組件也在300 t左右，支承輥工裝更換作業頻繁，對起重機安全運行維護提出了更高的要求。其中吊鉤的危險斷面是日常檢查和安全檢測時的重要部位，為了更好地了解和掌握吊鉤設備，需要知道吊鉤的危險截面和部位，才能有針對性地維護檢測設備。390 t 起重機在主軋垮布置如圖1 所示，吊鉤結構如圖2 所示。吊鉤鉤身材料為DG20Mn 鍛件，銷軸材料45#鋼，拉桿材料Q345B。

圖1 起重機主軋垮布置

圖2 吊鉤結構

2 吊鉤受力分析

（1）鉤柄螺紋部分：螺紋牙承受剪切應力，螺紋牙根彎曲應力。

（2）A—A 截面：存在剪切應力。

（3）B—B 截面：鉤柄部分最小截面，該斷面上產生拉伸應力。

（4）C—C 截面：銷軸承受剪切應力。

（5）D 面：擠壓應力。

3 理論計算

在靜載荷的情況下，鋼的［τ］許用剪應力=（0.5～0.6）［σ］許用拉應力；動態載荷下，許用剪應力比靜載荷下還要低。目前國家標準吊鉤安全系數一般為4～6。

3.1 鉤柄螺紋部分

3.1.1 螺紋中部剪切應力

式中 τ——剪切應力

Q——提升力，取390 t

d5——螺紋小徑，mm

P——螺距，取40 mm

d5=d3-2×0.55P=316 mm，其中d3為梯形圓螺紋外徑，取360 mm。

τ=Q÷（π×d5×P）=390×104/（π×0.316×0.04）=98.26 MPa。材料為DG20Mn，σS=315 MPa。

剪切安全系數n1=0.5σS/τ=0.5×315/98.26=1.6＜4，不符合要求。

假定前3 個螺紋承受載荷的80%，安全系數n2=0.5σS/τ=3＜4，不符合要求。

3.1.2 螺紋根部彎曲應力

式中 M——彎矩

Wz——抗彎截面模量

式中 h1——螺紋中徑到小徑的距離

h1=0.55P/2+ac=13 mm，其中ac 為螺紋牙間間隙。

Wz=bh2/6=π×d5×0.0269×0.0269/6=0.000 119 m3，其中h為螺紋根部厚度，h=26.9 mm。

彎曲安全系數n3=σS/σw=315/213.4=1.47＜4，不符合要求。

假定前3 個螺紋承受載荷的80%：M=80%×Q×h1=4×104N·m，Wz=3×bh2/6=0.000 357 m3，σw=M/Wz=4×104/0.000 357=112 MPa。

彎曲安全系數n4=2.8＜4，不符合要求。

3.2 A—A 截面

屈服強度σS=315 MPa，截面面積SA=0.268 m2。剪切應力τ=×Q/2SA=10.3 MPa。

鉤身A—A 截面的剪切安全系數n5=0.5σS/τ=0.5×315/10.3=15.3＞4。

3.3 B—B 截面

鉤柄部最小截面的應力，忽略各種缺口的應力集中。

最小直徑d1=316 mm，截面積SB=π×=0.078 m3。拉應力σ=Q/（π×）=49.7 MPa。

拉伸安全系數n6=σS/σ=315/49.7=6.3＞4。

3.4 C—C 截面

面積SC=0.07 m2，材料45#鋼，σS=345 MPa，和A—A 剪切計算方法相同。剪切應力τ=37.1 MPa。

安全系數n7=0.5×345/37.1=4.6＞4。

3.5 D 面

擠壓面為弧面，取受力面對半徑的投影面計算得到的最大擠壓應力和實際基本吻合。此截面下Q345 材料的σS=275 MPa，SD=0.03 m2，擠壓應力σjy=Q/2SD=65 MPa。

擠壓安全系數n8=σS/σjy=275/65=4.2＞4。

3.6 結論

鉤柄螺紋部分安全系數小于4，為吊鉤的危險截面和位置。

4 結束語

針對吊鉤的危險截面和位置需要做好日常檢查，定期進行探傷檢測，提前發現缺陷隱患。