鍛鋼吊鉤極限狀態(tài)和能力驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的確定

李 軍

太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024

0 引言

起重機(jī)械作為物料搬運(yùn)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、造船、水利水電、市政工程建設(shè)、交通運(yùn)輸、石油化工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，用于各類重型物品的搬運(yùn)。80%左右的起重機(jī)通過(guò)吊鉤抓取物品，但我國(guó)在起重機(jī)吊鉤方面尚無(wú)完善的設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。雖然GB/T 10051—2010《起重吊鉤》系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了起重吊鉤的力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料和技術(shù)條件、使用檢查等內(nèi)容，但缺乏在設(shè)計(jì)階段的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法和制造階段的能力驗(yàn)證方法標(biāo)準(zhǔn)，并且采用的是許用應(yīng)力法，與國(guó)際上現(xiàn)行的極限狀態(tài)法不能接軌。GB/T 41676—2022(ISO 17440:2014，MOD)《起重機(jī) 設(shè)計(jì)通則 鍛鋼吊鉤的極限狀態(tài)和能力驗(yàn)證》標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定了起重機(jī)用鍛鋼吊鉤的通用技術(shù)要求、靜強(qiáng)度計(jì)算、疲勞強(qiáng)度計(jì)算、符合性驗(yàn)證、適用性信息等內(nèi)容[1]，是國(guó)內(nèi)第一部基于極限狀態(tài)計(jì)算方法的起重機(jī)械機(jī)構(gòu)零部件標(biāo)準(zhǔn)。除在設(shè)計(jì)計(jì)算方法上有別于GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及相關(guān)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)和高等學(xué)校教科書的許用應(yīng)力法之外，在通用技術(shù)要求章節(jié)中規(guī)定了鍛鋼吊鉤的材料、工藝、制造公差、熱處理、加載驗(yàn)證、鉤身幾何形狀、鉤柄加工、螺母、吊鉤懸掛方式。在綜合考慮與GB/T 10051.1—2010 ～GB/T 10051.15—2010協(xié)調(diào)性、多年應(yīng)用的信息反饋以及國(guó)內(nèi)5 個(gè)吊鉤制造廠家的24 個(gè)試驗(yàn)樣鉤、50 組力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)（屈服極限、強(qiáng)度極限、伸長(zhǎng)率、低溫沖擊韌性）等多方面綜合因素的基礎(chǔ)上，相較于ISO 17440:2014 對(duì)材料的沖擊韌性和屈服極限、強(qiáng)度極限等力學(xué)性能指標(biāo)以及制造公差做了一定修改。這些主要技術(shù)指標(biāo)與ISO 17440:2014 相比，有相同、高于、低于之別。本文主要介紹主要技術(shù)指標(biāo)確立的指導(dǎo)思想，以供起重機(jī)設(shè)計(jì)、制造、使用相關(guān)人員參考。

1 力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

鍛鋼吊鉤的力學(xué)性能指標(biāo)包括屈服強(qiáng)度極限、抗拉強(qiáng)度極限、延伸率、沖擊吸收功。ISO 17440:2014（以下簡(jiǎn)稱ISO 17440）規(guī)定的力學(xué)性能如表1 所示[2]，GB/T 10051.1—2010《起重吊鉤 第1 部分：力學(xué)性能、起重量、應(yīng)力及材料》（以下簡(jiǎn)稱GB/T 10051.1）規(guī)定的力學(xué)性能如表2 所示[3]，兩者存在較大差異。首先在屈服極限方面，ISO 17440 中5 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的上屈服強(qiáng)度或0.2%延伸強(qiáng)度分別為：215 MPa、315 MPa、380 MPa、500 MPa、600 MPa，GB/T 10051.1 中5 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的上屈服強(qiáng)度或0.2%延伸強(qiáng)度分別為：215 MPa、315 MPa、390 MPa、490 MPa、620 MPa，雖然兩者有一定差異，但差異不大；其次相較于GB/T 10051.1，ISO 17440 增加了強(qiáng)度極限和最小延伸率；最后在低溫沖擊功方面，ISO 17440 與GB/T 10051.1 要求不一致，GB/T 10051.1 作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，給出了標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在+20℃和-20℃沖擊吸收功；ISO 17440 作為設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的沖擊試驗(yàn)溫度與吊鉤的工作溫度相關(guān)聯(lián)，按照吊鉤的工作溫度T≥-30℃、-30℃＞T≥-40℃、-40℃＞T≥-50℃，分別對(duì)應(yīng)低溫沖擊試驗(yàn)溫度為-30℃、-40℃、-50℃，且最小沖擊吸收功要求明顯高于GB/T 10051.1 的規(guī)定值，尤其是合金鋼的最小沖擊吸收功。如果按照本標(biāo)準(zhǔn)的編制原則，即對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)ISO 17440 與GB/T 10051.1 均有要求但要求不一致時(shí)，按照這2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求較嚴(yán)格且國(guó)內(nèi)制造廠家無(wú)需增加較大成本即可實(shí)施的要求執(zhí)行。為了驗(yàn)證國(guó)內(nèi)吊鉤制造廠家在按照GB/T 10051.1 規(guī)定的材料、制造工藝前提下，是否能夠滿足ISO 17440 規(guī)定的要求，或者采取何種有效措施可以滿足ISO 17440 規(guī)定的要求，全國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織了5 個(gè)吊鉤制造廠家參與了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

表1 ISO 17440:2014 規(guī)定的材料強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能

表2 GB/T 10051.1—2010 規(guī)定的材料強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能

2 低溫沖擊吸收功指標(biāo)確定

試驗(yàn)單位對(duì)每種材料至少做3 個(gè)試樣的-40℃低溫沖擊試驗(yàn)，對(duì)于-40℃時(shí)試驗(yàn)結(jié)果達(dá)不到35 J 要求的情況，再加做-30℃的沖擊試驗(yàn)。對(duì)于之前曾經(jīng)做過(guò)-30℃、-40℃、-50℃低溫沖擊試驗(yàn)的廠家，搜集相關(guān)延伸率和沖擊功以供綜合分析。

抽取24 個(gè)試驗(yàn)樣鉤，鉤號(hào)分別為5、16、20、25、40、50、63、80、100、125、250，有單鉤和雙鉤，試驗(yàn)測(cè)試了材料的屈服強(qiáng)度極限、抗拉強(qiáng)度極限、延伸率以及-20℃、-30℃、-40℃的沖擊功。沖擊吸收功試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 沖擊吸收功試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3 試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

1）對(duì)于低溫沖擊韌性指標(biāo)，參與試驗(yàn)的Q345qD、Q420qD、34Cr2Ni2Mo 這3 種材料，100% 同時(shí)滿足ISO 17440、GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）參與試驗(yàn)的35CrMo 材料，共得到81 個(gè)沖擊吸收功數(shù)據(jù)，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，有10 個(gè)沒(méi)有滿足GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)27 J 的規(guī)定，有19 個(gè)沒(méi)有滿足ISO 17440 標(biāo)準(zhǔn)35 J 的規(guī)定。同時(shí)，沖擊吸收功數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，-20℃沖擊吸收功最大達(dá)到163 J，最小為29 J；-40℃沖擊吸收功最大達(dá)到148 J，最小為12 J，數(shù)值差異很大。以35CrMo 材料的單鉤為例，對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到單鉤的低溫沖擊吸收功的誤差如圖1 所示。從圖中可以看出，相同鉤號(hào)-20℃時(shí)的沖擊吸收功均值明顯高于-40℃，說(shuō)明材料的韌性隨著溫度的降低而減小；相同鉤號(hào)-20℃時(shí)的沖擊吸收功的標(biāo)準(zhǔn)差大于-40℃，表明材料隨著溫度的降低沖擊功數(shù)值更不穩(wěn)定；隨著單鉤鉤號(hào)的增加，單鉤截面的尺寸相應(yīng)增大，沖擊功基本呈遞減趨勢(shì)，但5 號(hào)特型、20 號(hào)鉤不符合整體變化趨勢(shì)。因此，可以得出35CrMo 材料低溫沖擊吸收功數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，這可能是材料本身的特性決定的。對(duì)于沖擊功要求嚴(yán)格的產(chǎn)品，為了降低出現(xiàn)廢品的可能性，應(yīng)盡量避免使用35CrMo。當(dāng)然，這些試驗(yàn)未覆蓋所有的吊鉤鉤號(hào)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏少，也可能導(dǎo)致沖擊吸收功數(shù)據(jù)無(wú)法體現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。

圖1 35CrMo 低溫沖擊吸收功的變化曲線

3）參與試驗(yàn)的30Cr2Ni2Mo 共24 個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅有1 個(gè)-40℃沖擊吸收功達(dá)不到ISO 17440 標(biāo)準(zhǔn)的35 J要求，但全部達(dá)到GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)的27 J 要求。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、ISO 17440 標(biāo)準(zhǔn)要求值、GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)要求值，綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)編制原則后確定低溫沖擊性能按照表4 執(zhí)行。

表4 吊鉤材料的沖擊試驗(yàn)和延伸率要求

對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼Q345qD、Q420qD 來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)-20℃最小沖擊吸收功39 J、對(duì)應(yīng)-30℃和-40℃最小沖擊吸收功35 J 可以同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 17440、GB/T 10051.1 的要求值，相對(duì)于GB/T 10051.1 變化也不大。當(dāng)工作溫度高于-30℃時(shí)，作-20℃沖擊試驗(yàn)，低溫沖擊功的要求按照GB/T 10051.1 執(zhí)行；當(dāng)工作溫度-30℃＞T≥-40℃時(shí)，作-30℃沖擊試驗(yàn)，當(dāng)工作溫度-40℃＞T≥-50℃時(shí)，作-40℃沖擊試驗(yàn)，低溫沖擊功的要求按照ISO 17440 執(zhí)行。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看也是完全可以達(dá)到要求的。

對(duì)于合金鋼30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo、35CrMo來(lái)說(shuō)，當(dāng)工作溫度高于-30℃時(shí)，作-20℃沖擊試驗(yàn)，低溫沖擊功要求達(dá)到35 J，滿足ISO 17440 要求，高于GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)27 J 的要求。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo、35CrMo 這3 種材料都可以滿足這一要求。當(dāng)工作溫度-30℃＞T≥-40℃、-40℃＞T≥-50℃時(shí)，分別作-30℃、-40℃沖擊試驗(yàn)，低溫沖擊功要求達(dá)到27 J，低于ISO 17440 標(biāo)準(zhǔn)要求值。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo 在-30℃、-40℃的沖擊吸收功可以滿足這一要求，35CrMo 在8 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中有5 組達(dá)不到這一要求。考慮到在溫度低于-30℃時(shí)還能繼續(xù)正常工作的地方和場(chǎng)合不是很多（估計(jì)不大于5%），一味按照ISO 17440 把沖擊值提高到35 J，可能要增加制造成本；另外當(dāng)有溫度低于-30℃時(shí)還能繼續(xù)正常工作的要求以及出口產(chǎn)品有要求時(shí)，可以用30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo 替代35CrMo，避免35CrMo 材料低溫沖擊吸收功數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問(wèn)題。

3 強(qiáng)度、最小延伸率指標(biāo)確定

在屈服強(qiáng)度方面，雖然ISO 17440 和GB/T 10051.1兩者的規(guī)定值有一定差異，但差異不大，按照兩者規(guī)定值的較大者確定；在抗拉強(qiáng)度和最小延伸率方面，GB/T 10051.1 沒(méi)有規(guī)定值，因此按照ISO 17440 規(guī)定值執(zhí)行。

以35CrMo 材料的單鉤為例，分析其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律如圖2 所示。從曲線中可以得出，隨著單鉤鉤號(hào)的增大，單鉤截面尺寸相應(yīng)增大，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率基本呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，但抗拉強(qiáng)度在20 號(hào)和25 號(hào)單鉤處數(shù)值有增大，同時(shí)注意到5 號(hào)特型吊鉤測(cè)得的延伸率偏大，一方面可能是每個(gè)試樣的材料和控制工藝有輕微差異，另一方面可能有測(cè)量誤差的原因。這些指標(biāo)均能滿足ISO 17440 和GB/T 10051.1 的要求。

圖2 35CrMo 單鉤強(qiáng)度、延伸率的變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)樣鉤測(cè)得的材料的屈服強(qiáng)度極限、抗拉強(qiáng)度極限、延伸率這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出參與5 個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的試驗(yàn)吊鉤其材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率指標(biāo)，100%滿足ISO 17440、GB/T 10051.1 標(biāo)準(zhǔn)的要求，故能夠滿足本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。

4 制造公差確定

鍛鋼吊鉤的上部鉤柄部分尺寸公差受加工質(zhì)量控制，下部鉤身部分尺寸公差受鍛造質(zhì)量控制，加工后的鉤柄中心線與鉤腔中心線的偏差受加工和鍛造質(zhì)量的綜合影響。兩者差異較大，ISO 17440 規(guī)定的公差與公稱尺寸成一定比例，如鉤口圓直徑和開(kāi)口尺寸應(yīng)在[0；+7%]的公稱尺寸范圍內(nèi)，鉤尖高度應(yīng)在[-7%；+7%]的公稱尺寸范圍內(nèi)，加工后鉤柄中心線偏離鉤口中心線的允許值為±0.02a1，GB/T 10051.1 按照鉤號(hào)給定公差尺寸如表5 所示。

表5 ISO 17440 與GB/T 10051.1 制造公差對(duì)比 mm

從表5 可以看出，對(duì)于鉤口圓直徑a1、開(kāi)口度a2、鉤尖高度a3以及加工后鉤柄中心線與鉤口中心線允許偏離值，ISO 17440 規(guī)定公差分別規(guī)定為公稱尺寸的7%和0.02a1，這樣會(huì)導(dǎo)致當(dāng)鉤號(hào)較小時(shí)公差帶較小，制造工藝難以滿足；當(dāng)鉤號(hào)較大時(shí)公差帶很大，公差值也很大。GB/T 10051.1 針對(duì)不同的鉤號(hào)按照一定的檔次劃分給出比較合理的公差，避開(kāi)了鉤號(hào)較小時(shí)公差帶較小引起制造困難、鉤號(hào)較大時(shí)公差帶很大可能會(huì)影響使用的問(wèn)題。GB/T 10051.1 自2010 年發(fā)布以來(lái)，還未收到吊鉤制造廠和使用單位關(guān)于制造公差的反饋意見(jiàn)，說(shuō)明GB/T 10051.1 關(guān)于公差的規(guī)定是合理的。因此，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：?jiǎn)毋^和雙鉤的毛坯件尺寸公差應(yīng)分別符合GB/T 10051.4—2010《起重吊鉤 第4 部分：直柄單鉤毛坯件》和GB/T 10051.6—2010《起重吊鉤 第6 部分：直柄雙鉤毛坯件》的規(guī)定[4，5]；加工后鉤柄中心線與鉤腔中心線的偏差應(yīng)符合GB/T 10051.2——2010《起重吊鉤 第2部分：鍛造吊鉤技術(shù)條件》的規(guī)定[6]。

根據(jù)ISO 17440，規(guī)定了吊鉤在厚度方向上應(yīng)保持左右對(duì)稱，每個(gè)橫截面的形心應(yīng)保證在中心面（對(duì)稱面）兩側(cè)0.025d1范圍內(nèi)，這是GB/T 10051.1 所沒(méi)有的公差控制尺寸。

5 結(jié)論

結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)以及多年生產(chǎn)制造統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)ISO 17440 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的吊鉤材料的沖擊韌性和屈服極限、強(qiáng)度極限、沖擊吸收功、制造公差等部分的要求做了適當(dāng)調(diào)整，保證修改轉(zhuǎn)化后的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在不降低ISO 17440 要求的前提下，既經(jīng)濟(jì)合理、便于操作，又與國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。

GB/T 41676—2022《起重機(jī) 設(shè)計(jì)通則 鍛鋼吊鉤的極限狀態(tài)和能力驗(yàn)證》(ISO 17440:2014，MOD)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，完善了我國(guó)起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)體系，彌補(bǔ)了起重機(jī)吊鉤設(shè)計(jì)計(jì)算方法和能力驗(yàn)證方法標(biāo)準(zhǔn)缺失，為起重機(jī)吊鉤設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。對(duì)實(shí)現(xiàn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌、提升我國(guó)起重機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、提高起重機(jī)運(yùn)行安全性方面具有重要意義。