淺談安全閥校驗(yàn)站用起重機(jī)的研制

李學(xué)洪，滕榮蓉，王光楚

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院淮安分院，江蘇 淮安223000）

1 起重機(jī)的概述

起重機(jī)是指在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動作起重機(jī)械，主要用于起吊大噸位的物件。起重機(jī)分為橋門式起重機(jī)、門座式起重機(jī)、流動式起重機(jī)、塔式起重機(jī)等多種形式，它的工作特點(diǎn)是做間歇性運(yùn)動，即在一個(gè)工作循環(huán)中取料、運(yùn)移、卸載等動作的相應(yīng)機(jī)構(gòu)是交替工作的，起重機(jī)在市場上的發(fā)展和使用非常的廣泛在當(dāng)前工業(yè)發(fā)展中也起及其重要的作用。大型鋼廠需要起重機(jī)吊運(yùn)鋼水貨物，建筑工地需要起重機(jī)吊運(yùn)水泥黃沙，路政工地需要起重機(jī)吊運(yùn)鋼筋貨物，橋梁制作工程中需要起重機(jī)來架橋。普通企業(yè)也需要起重機(jī)來配合他們的日常生產(chǎn)，比如轉(zhuǎn)運(yùn)貨物、維修設(shè)備、裝車、大件翻身等。起重機(jī)在當(dāng)今已成為工業(yè)發(fā)展必不可缺的一樣產(chǎn)品，一個(gè)城市的發(fā)展水平，可以通過辨別其起重機(jī)的數(shù)目來確定。在特種設(shè)備檢驗(yàn)行業(yè)中，起重機(jī)不僅僅作為檢驗(yàn)的一種設(shè)備，更能夠作為檢驗(yàn)的一種工具。大型承壓類安全設(shè)備的安全閥，法定需要檢驗(yàn)。在人力無法達(dá)到的情況下，則必然需要起重設(shè)備的配合。本文結(jié)合現(xiàn)有起重機(jī)的研究基礎(chǔ)，綜合考慮安全閥校驗(yàn)站的限制及需求，研制一種新型的起重設(shè)備，用于檢驗(yàn)工作中配合的工具。

2 目前安全閥校驗(yàn)站用起重設(shè)備的現(xiàn)狀

安全閥設(shè)備的校驗(yàn)，都需要起重機(jī)的配合。當(dāng)前安全閥校驗(yàn)場所使用的起重機(jī)，普遍是普通橋門式起重機(jī)和定柱式搖臂起重機(jī)兩種形式。普通橋門式起重機(jī)弊端在于：對校驗(yàn)場所的凈空高度要求較高，價(jià)格較貴，如果安全閥校驗(yàn)的場所在普通廠房內(nèi)則無法實(shí)施，需要大的廠房、車間才能滿足設(shè)備的移動，且較為危險(xiǎn)。定柱式搖臂起重機(jī)目前運(yùn)用于較多的安全閥校驗(yàn)場所，下口由地腳螺栓組固定，上端安裝轉(zhuǎn)動懸臂，為了保證起吊時(shí)起重設(shè)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(chǔ)相連。這樣不僅地基價(jià)格較高，而且起重設(shè)備必須安裝在校驗(yàn)廠房中間位置，降低了校驗(yàn)場所的有效使用面積，也對校驗(yàn)流程帶來了阻礙與干擾，并影響校驗(yàn)環(huán)境的美觀。目前我國絕大多數(shù)安全閥校驗(yàn)站，面積小，凈空高度低，使的市面上現(xiàn)有的起重機(jī)無法滿足校驗(yàn)需求。本文所研發(fā)的轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)能夠很好地解決上述起重設(shè)備所存在的弊端，使之廣泛滿足現(xiàn)今安全閥校驗(yàn)場所使用。

3 轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)的設(shè)計(jì)思路

本起重機(jī)主要的設(shè)計(jì)思路為安裝布局合理、物美價(jià)廉。布局合理在于,它是依靠校驗(yàn)廠房內(nèi)的立柱位置安裝起重設(shè)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(yàn)場所的空間利用率，同時(shí)，可以充分利用搖臂下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙，依靠旋轉(zhuǎn)部件，形成一個(gè)扇形的吊運(yùn)空間。價(jià)廉在于其用材價(jià)格低廉。采用了其他報(bào)廢設(shè)備的零部件，如報(bào)廢汽車輪轂、汽車后橋半軸，鋼材市場的無縫鋼管等。同時(shí)對起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使之金屬結(jié)構(gòu)部分為同噸位起重機(jī)重量的2/5，大大降低了成本價(jià)格。同時(shí)，由于無縫管、汽車零部件都為成品，減少了普通起重機(jī)的焊接，裝配，機(jī)加工等工作，減少了部分費(fèi)用。

起重機(jī)設(shè)計(jì)總體為立柱轉(zhuǎn)動的搖臂式起重機(jī)。立柱采用20＃φ21920 的無縫鋼管，起重機(jī)搖臂采用20a 工字鋼。這兩種材料占據(jù)本次研發(fā)的起重機(jī)設(shè)備總重的90%，故使用經(jīng)濟(jì)截面鋼材，可有效降低起重機(jī)制造成本。

起重機(jī)轉(zhuǎn)動支撐均采用報(bào)廢汽車部件，一是價(jià)格低廉，二是強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。起重機(jī)上口使用報(bào)廢汽車后橋半軸，半軸上部通過法蘭片與廠房內(nèi)立柱牛腿（或橫梁）相連，起固定半軸的作用。插入無縫管內(nèi)的半軸下端部分套有固定卡盤，卡盤外徑與無縫鋼管內(nèi)徑為間隙配合，起到轉(zhuǎn)柱轉(zhuǎn)動時(shí)的軸承作用。起重機(jī)立柱無縫管下口與報(bào)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(jī)立柱與起重臂為一整體，相對于底座實(shí)現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)功能。因汽車后橋半軸為高強(qiáng)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(lián)合載荷，滿足本次研發(fā)的起重設(shè)備受力要求。

由于該起重機(jī)采用搖臂式，又能實(shí)現(xiàn)整體轉(zhuǎn)動，故我們將此次研發(fā)的起重機(jī)稱為：轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)。起重機(jī)設(shè)計(jì)草圖見圖1。

4 起重機(jī)主要構(gòu)件的性能校核計(jì)算

4.1 工字鋼搖臂的性能校核

轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)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(shè)F1為拉桿的拉力，F(xiàn)2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(dāng)最大起重量處于最大回轉(zhuǎn)幅度時(shí)，假設(shè)搖臂最大回轉(zhuǎn)幅度為L=4.5m，拉桿與起重臂之間夾角θ=9o，Qmax=2500kg。

由質(zhì)點(diǎn)受力平衡可知：

圖1 轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)草圖

圖2 起重機(jī)端部受力圖

解得：F1=159.81×103N F2=157.84×103N

故當(dāng)最大起重量處于最大回轉(zhuǎn)輻度時(shí)，搖臂滿足穩(wěn)定性要求。

對搖臂進(jìn)行強(qiáng)度校核：

當(dāng)最大起重量處于搖臂中間位置時(shí)，搖臂所受彎矩最大。

故搖臂強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 無縫鋼管立柱的性能校核

轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)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(xiǎn)截面為搖臂與立柱的交接點(diǎn),即約H=4m 位置。設(shè)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(jìn)行強(qiáng)度校核：

當(dāng)最大起重量處于最大回轉(zhuǎn)輻度時(shí),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(jī)整體有限元分析

最后對起重機(jī)整體進(jìn)行有限元分析。有限元分析是對一個(gè)產(chǎn)品整體受力，變形等情況進(jìn)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(jī)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(jié)構(gòu)件進(jìn)行建模，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖5），材料設(shè)置，施加約束，施加作用力，求解變形情況（見圖6）及應(yīng)力情況（見圖7）。workbench 的力學(xué)分析結(jié)果通過顏色云圖展示，顏色越紅代表受應(yīng)力或變形越大，顏色越藍(lán)代表受應(yīng)力或變形越小。由此可見，轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)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(yīng)力分析結(jié)果無紅色區(qū)域，則表示起重設(shè)備所受應(yīng)力值較小，都在許用值范圍內(nèi)。由有限元分析可得，變形和應(yīng)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(jī)整體受力滿足使用需求。這則說明，在使用剛強(qiáng)度鋼材的情況下，同時(shí)滿足要求。

5 此類起重機(jī)的目的、意義及前景

圖5 模型網(wǎng)格化

圖6 模型變形情況熱圖

圖7 模型受應(yīng)力情況

轉(zhuǎn)柱式搖臂起重機(jī)的研發(fā)，目的在于方便安全閥校驗(yàn)過程中，對安全閥能夠輕松的吊裝及轉(zhuǎn)運(yùn)。其物美低廉，國內(nèi)同噸位起重機(jī)價(jià)格都在3 萬元以上，而此款起重機(jī)價(jià)格僅在8 千元左右，關(guān)鍵解決了安全閥等單位廠房內(nèi)布局的難題，可以廣泛推廣與全國各地安全閥校驗(yàn)場所。本文研制的起重機(jī)，是基于對當(dāng)前國內(nèi)外安全閥校驗(yàn)站通用起重機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的去粗取精，基于對廢舊物品的回收利用。此類起重機(jī)不僅僅能運(yùn)用在安全閥校驗(yàn)站中，同時(shí)，對于空間狹小的維修車間，如汽車修理店，小型鋼板放樣區(qū)，小件倉庫等，都可以采用此類起重設(shè)備。這種設(shè)備起重范圍廣，占地面積小，對空間要求低，價(jià)格低廉，符合中國制造2025“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的基本方針。具有很好的使用前景。