起重机机械设计中材料的选择和应用浅析

王丽丽　李翔（新乡市起重设备厂有限责任公司，河南新乡　453000）



起重机机械设计中材料的选择和应用浅析

王丽丽李翔
（新乡市起重设备厂有限责任公司，河南新乡453000）

【摘 要】伴随着国民经济的快速发展以及市场竞争的日益加剧，各个行业对机械化和自动化的要求越来越高，使起重机械的需求增加，对设计技术发展水平的要求也不断提高。从实际工作中设计和生产角度出发，归纳提炼出起重机主要零部件和金属结构件应如何选择材料，选取何种材料。并推荐使用一些性价比高的新型材料，使起重机的设计轻量化，实用化和美观化。

【关键词】起重机机械设计材料选择应用

我国的起重机机械设计结构初期源于前苏联，近些年来模仿欧洲的欧式起重机的应用越来越多。有相关专家提出：在起重机机械设计的材料选择和应用中，要注重材料的优化和更新，并考虑实用性、经济性和美观性。笔者结合工作中的实践经验，就起重机械设计中材料的选择和应用谈谈自己的经验和想法。

1　起重机机械设计中材料的基本分类和选择的基本依据

起重机机械设计一般可分为机构设计和结构设计。其材料有机构设计中涉及到的机械加工零部件材料，有结构设计中涉及到的金属结构材料。材料的选择各有方法和特点，应根据实际用途选择性能和材质不同的材料。有的要求强度和刚度，有的要求疲劳强度，有的要求耐磨性，有的是美观性等等。所以选择时要以实用性为基本原则，并考虑经济性和美观性，以实际所需和使用情况来进行选材。

2　起重机机械设计中材料的选择内容

2.1机械加工零部件材料的选择

机械加工零部件由焊接件、轧制件、铸件和锻件做为毛坯件，经过各种机械加工工艺而成。为了改善其机械性能，提高机械零件的使用寿命和承载能力，对机械加工零件需要进行热处理。

起重机机械加工零部件主要有卷筒、车轮、滑轮、吊钩、吊钩螺母和吊钩横梁等等。

2.1.1卷筒材料的选择

卷筒可分为铸造卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒有铸铁和铸钢两种，铸铁卷筒采用不低于HT200的灰铸铁，铸钢卷筒采用不低于ZG230-450的铸钢。老式起重机设计中的卷筒一般采用HT200铸铁件，成品率较低，且强度不如铸钢卷筒，出于性价比的考虑，铸钢卷筒已逐步代替铸铁卷筒。焊接卷筒多采用Q235或Q345钢板经卷圆焊接而成，其卷筒壁厚小，重量轻，在大尺寸卷筒中尤其能显现出优越性。目前，已经有用带有绳槽热轧成型的钢板直接制造出来的焊接卷筒，适用于大批量生产。

2.1.2车轮材料的选择

车轮有铸造车轮、锻造车轮和轧制车轮。铸造车轮采用力学性能不低于GB/T699中规定的ZG340-640钢的材料。对于踏面直径不大于400mm的锻造车轮采用力学性能不低于GB/T699中规定的55钢材料，大于400mm则采用力学性能不低于60钢的材料。轧制车轮采用力学性能不低于GB/T699中规定的60钢材料。不论采用何种加工方法，都需要对车轮进行热处理以消除内应力。在欧式起重机的车轮设计中，新材料的应用使车轮的体积显著减小，自重降低，并降低对厂房的高度要求，使起重机使用方的土建成本降低。因而新材料的推广和应用发展迅速。例如：车轮采用42CrMo锻造，其强度是60钢的2.3倍，且韧性和淬透性好，在高温下有高的蠕变强度与持久强度，可在500℃下长期工作。同等强度下采用42CrMo锻造车轮不但可以减小车轮的体积，加工和使用性能也优越，性价比很高。

2.1.3滑轮材料的选择

起重机滑轮分为铸造滑轮和轧制滑轮。铸造滑轮采用灰铁或者铸钢材料。由于灰铁材质的滑轮成品率低，使用寿命短，使用量在逐步减少。而最多使用的是铸钢滑轮，强度较灰铁要好。轧制滑轮通常采用碳素结构钢Q235-B或低合金结构钢Q345-B制造。随着材料应用的发展，MC尼龙滑轮的使用逐步增多，其具有高耐磨性，摩擦系数低并带有自润滑功能，价格较低，容易加工。耐磨损寿命是钢滑轮的3～5倍。自润滑和优良的弹性使起重机钢丝绳的使用寿命也大幅提高。可以抵抗冲击载荷而不断裂，不怕撞击。在使用过程中钢丝绳与绳槽有相对的滑动，在紧急制动时也不会打滑，还有显著的吸振功能。值得大力推广。

2.1.4吊钩材料的选择

吊钩分为片式吊钩和锻造吊钩。片式吊钩由多片钢板叠加一起进行铆接组成，不会整体突然断裂，安全可靠，可以更换单个钩片。一般采用碳素结构钢Q235-B或低合金结构钢Q345-B制造。考虑到多应用在铸造起重机上，工作级别高，而Q345-B的疲劳强度较好，所以采用Q345-B材料居多。锻造吊钩最为常用，在老式起重机上一般采用DG20钢或者DG20Mn钢，其强度等级一般为M级或P级。在欧式起重机上则多采用T级的DG34CrMo钢。相同吨位的吊钩，以32吨吊钩为例：工作级别M5时，M级吊钩钩号为25号，重量为160kG；T级吊钩钩号为12号，重量为55 Kg。T级吊钩的重量仅是M级吊钩的三分之一，而且T级的外形尺寸比M级的要小得多。采用高强度等级的吊钩不仅有利于减轻机构的自身重量，也可以大幅度提高起升机构的上极限位置，扩大了起重机的工作范围，性价比高。老式起重机也可以借鉴欧式起重机吊钩的选材，使起重机更轻，工作范围更广。

2.1.5吊钩螺母和吊钩横梁材料的选择

吊钩螺母采用20钢、45钢、35CrMo钢和42CrMo钢等材料。选择的基本依据是吊钩螺母和配套吊钩的材质应一致或接近。吊钩横梁采用45钢，35CrMo钢和42CrMo钢等等。选择依据同吊钩螺母。

2.2金属结构材料的选择

金属结构材料的选取要考虑结构的重要程度、载荷的分布特征、工作级别、应力状态、机械连接方式、工作环境的温度以及所选钢材的厚度等因素。因而要注意以下几点：不应选用沸腾钢；厚度大于50mm的钢板，用作焊接承载构件时必须慎重，许用应力应降低约10%使用；选用高强度钢材做结构件时，应注意焊接工艺的合理性并进行相关的焊接工艺评定，以防止焊缝开裂及钢材结构的变形；所选钢材必须具有足够的抗脆性破坏的能力，并依据相关条件来选择钢材的质量组别。起重机的主要承载金属结构件有主梁、端梁、小车架和门腿等等。这些部件一般选取碳素结构钢Q235-B或低合金结构钢Q345-B来进行制作。Q345-B的强度要高于Q235-B。根据笔者多年的设计经验总结，当起重机跨度较小时，决定主梁设计条件的主要是其强度，因此选择Q345-B材料能减小主梁的截面和重量，优先选用Q345-B。当跨度大时，决定主梁设计条件的主要是刚度，而Q345-B不再有优势，没有特殊要求的话，优先选用Q235-B。其它结构件也是如此。

表1　玻璃钢与其它材料的强度对比

对于工作在高于100℃和低于-40℃的极端温度条件下的起重机结构件的材料，在选择时要慎之又慎。高温环境下钢材许用应力降低，材料会发生膨胀，弹性模量也降低，以塑性破坏为主。选择材料时必须注意实际的许用应力。低温环境下钢材脆性增强，严重削

············

弱钢材的使用性能，许用应力也会降低，这时要依据相关条件来选择钢材的质量组别。例如，我公司为俄罗斯某企业制造的钢结构件在设计时除了进行强度计算、刚度计算和疲劳计算，还考虑纵向残余拉伸应力和自重载荷引起的纵向拉伸应力的联合作用、工作环境的温度和结构件材料的厚度等条件因素，最终选用的结构件材质为Q345-E。

制作操纵室、机房、走台、电缆滑架、栏杆等附件时一般采用Q235-A、20钢等材料。传统的设计中，操纵室的外壳和起重机机房一般选用Q235-A材料，经焊接而成。外观差，加工繁琐。在一些起重机上有采用玻璃钢制作的司机室。玻璃钢是一种复合的新型材料，确切名称叫玻璃纤维增强塑料，其比强度高，可与钢材媲美，可以大面积整体成型，减少零部件及连接紧固件，流线型外观流畅美观，隔音、隔热，防振性能优于金属，工艺简单、轻巧耐用。玻璃钢的力学性能最突出的特点是质量轻强度高，密度小，比拉伸强度是钢的3～4倍，比某些特殊合金钢还高，见表1所示。

在起重机的走台设计中通常采用花纹板进行铺设，容易积聚灰尘而且铺设不平整有波浪起伏，人踩上去会下沉并发出声音。选择玻璃钢格栅来铺设走台通道，首先强度足够，而且重量也轻。其次加工时简单，避免多处焊接。整体美观大方，整齐漂亮，不积聚灰尘。

3　结语

起重机制造行业的竞争越来越激烈，使得各个制造厂家从实用化、轻量化、美观化和高端化入手来提高产品的竞争力。原来通用的老型起重机已逐步被市场所淘汰，开发结构紧凑、自重轻、外形美观、吊装死角小的欧式起重机就要选用性价比最高的材料，并且选用美观实用的材料。使起重机用最优化的设计来发挥最大的作用。才能在竞争中站稳脚跟，并取得更大发展。

参考文献：

［1］王金诺，张质文，程文明，等.起重机设计手册［M］.北京:中国铁道出版社，2013.

［2］徐格宁.机械装备金属结构设计［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［3］郭世红.MC尼龙滑轮在起重机上的应用［J］.起重运输机械，2007 （9）:77-78.