390 t 起重机吊钩承载能力分析

徐伟明

（江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏无锡 214400）

0 引言

起重机是在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称天车、航吊、吊车等。桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空，进行物料吊运的起重设备，它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍，是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。

起重机的吊钩系由钢锭经锻造制成，无论是单钩型还是双钩型，其第一阶段锻造均经下料—镦粗—拔长各工序。锻造去除内部的铸造缺陷外，铸态的树枝状组织将被打碎，使晶粒得到细化，使毛坯形成具有很高韧性和强度的连续性纤维带，其纤维方向与吊钩结构方向相同。纤维带的形成对吊钩的性能有着重要作用和影响。在第二阶段锻造中，单钩将直接煨弯成形，其内部纤维方向不变；而双钩则在钩头部位继续锻造，并经气割成形后再由模锻整理达到成品形状，其内部纤维组织呈二次连续性。

某大型钢铁企业装备了1 台390 t 桥式双钩起重机，主要用于宽厚板轧机的支承辊吊装更换作业和牌坊的技改安装作业。本文主要研究吊钩的安全性。

1 问题的提出

宽厚板产线的轧机牌坊重达390 t，支承辊组件也在300 t左右，支承辊工装更换作业频繁，对起重机安全运行维护提出了更高的要求。其中吊钩的危险断面是日常检查和安全检测时的重要部位，为了更好地了解和掌握吊钩设备，需要知道吊钩的危险截面和部位，才能有针对性地维护检测设备。390 t 起重机在主轧垮布置如图1 所示，吊钩结构如图2 所示。吊钩钩身材料为DG20Mn 锻件，销轴材料45#钢，拉杆材料Q345B。

图1 起重机主轧垮布置

图2 吊钩结构

2 吊钩受力分析

（1）钩柄螺纹部分：螺纹牙承受剪切应力，螺纹牙根弯曲应力。

（2）A—A 截面：存在剪切应力。

（3）B—B 截面：钩柄部分最小截面，该断面上产生拉伸应力。

（4）C—C 截面：销轴承受剪切应力。

（5）D 面：挤压应力。

3 理论计算

在静载荷的情况下，钢的［τ］许用剪应力=（0.5～0.6）［σ］许用拉应力；动态载荷下，许用剪应力比静载荷下还要低。目前国家标准吊钩安全系数一般为4～6。

3.1 钩柄螺纹部分

3.1.1 螺纹中部剪切应力

式中 τ——剪切应力

Q——提升力，取390 t

d5——螺纹小径，mm

P——螺距，取40 mm

d5=d3-2×0.55P=316 mm，其中d3为梯形圆螺纹外径，取360 mm。

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

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

假定前3 个螺纹承受载荷的80%，安全系数n2=0.5σS/τ=3＜4，不符合要求。

3.1.2 螺纹根部弯曲应力

式中 M——弯矩

Wz——抗弯截面模量

式中 h1——螺纹中径到小径的距离

h1=0.55P/2+ac=13 mm，其中ac 为螺纹牙间间隙。

Wz=bh2/6=π×d5×0.0269×0.0269/6=0.000 119 m3，其中h为螺纹根部厚度，h=26.9 mm。

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

假定前3 个螺纹承受载荷的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。

弯曲安全系数n4=2.8＜4，不符合要求。

3.2 A—A 截面

屈服强度σS=315 MPa，截面面积SA=0.268 m2。剪切应力τ=×Q/2SA=10.3 MPa。

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

3.3 B—B 截面

钩柄部最小截面的应力，忽略各种缺口的应力集中。

最小直径d1=316 mm，截面积SB=π×=0.078 m3。拉应力σ=Q/（π×）=49.7 MPa。

拉伸安全系数n6=σS/σ=315/49.7=6.3＞4。

3.4 C—C 截面

面积SC=0.07 m2，材料45#钢，σS=345 MPa，和A—A 剪切计算方法相同。剪切应力τ=37.1 MPa。

安全系数n7=0.5×345/37.1=4.6＞4。

3.5 D 面

挤压面为弧面，取受力面对半径的投影面计算得到的最大挤压应力和实际基本吻合。此截面下Q345 材料的σS=275 MPa，SD=0.03 m2，挤压应力σjy=Q/2SD=65 MPa。

挤压安全系数n8=σS/σjy=275/65=4.2＞4。

3.6 结论

钩柄螺纹部分安全系数小于4，为吊钩的危险截面和位置。

4 结束语

针对吊钩的危险截面和位置需要做好日常检查，定期进行探伤检测，提前发现缺陷隐患。