锻钢吊钩极限状态和能力验证标准技术指标的确定

李 军

太原重工股份有限公司技术中心 太原 030024

0 引言

起重机械作为物料搬运设备，广泛应用于航空航天、冶金、造船、水利水电、市政工程建设、交通运输、石油化工等国民经济的各个领域，用于各类重型物品的搬运。80%左右的起重机通过吊钩抓取物品，但我国在起重机吊钩方面尚无完善的设计计算标准。虽然GB/T 10051—2010《起重吊钩》系列标准规定了起重吊钩的力学性能、起重量、应力及材料和技术条件、使用检查等内容，但缺乏在设计阶段的静强度和疲劳强度计算方法和制造阶段的能力验证方法标准，并且采用的是许用应力法，与国际上现行的极限状态法不能接轨。GB/T 41676—2022(ISO 17440:2014，MOD)《起重机 设计通则 锻钢吊钩的极限状态和能力验证》标准，主要规定了起重机用锻钢吊钩的通用技术要求、静强度计算、疲劳强度计算、符合性验证、适用性信息等内容[1]，是国内第一部基于极限状态计算方法的起重机械机构零部件标准。除在设计计算方法上有别于GB/T 3811—2008《起重机设计规范》以及相关起重机设计手册和高等学校教科书的许用应力法之外，在通用技术要求章节中规定了锻钢吊钩的材料、工艺、制造公差、热处理、加载验证、钩身几何形状、钩柄加工、螺母、吊钩悬挂方式。在综合考虑与GB/T 10051.1—2010 ～GB/T 10051.15—2010协调性、多年应用的信息反馈以及国内5 个吊钩制造厂家的24 个试验样钩、50 组力学试验数据（屈服极限、强度极限、伸长率、低温冲击韧性）等多方面综合因素的基础上，相较于ISO 17440:2014 对材料的冲击韧性和屈服极限、强度极限等力学性能指标以及制造公差做了一定修改。这些主要技术指标与ISO 17440:2014 相比，有相同、高于、低于之别。本文主要介绍主要技术指标确立的指导思想，以供起重机设计、制造、使用相关人员参考。

1 力学性能试验验证

锻钢吊钩的力学性能指标包括屈服强度极限、抗拉强度极限、延伸率、冲击吸收功。ISO 17440:2014（以下简称ISO 17440）规定的力学性能如表1 所示[2]，GB/T 10051.1—2010《起重吊钩 第1 部分：力学性能、起重量、应力及材料》（以下简称GB/T 10051.1）规定的力学性能如表2 所示[3]，两者存在较大差异。首先在屈服极限方面，ISO 17440 中5 个强度等级对应的上屈服强度或0.2%延伸强度分别为：215 MPa、315 MPa、380 MPa、500 MPa、600 MPa，GB/T 10051.1 中5 个强度等级对应的上屈服强度或0.2%延伸强度分别为：215 MPa、315 MPa、390 MPa、490 MPa、620 MPa，虽然两者有一定差异，但差异不大；其次相较于GB/T 10051.1，ISO 17440 增加了强度极限和最小延伸率；最后在低温冲击功方面，ISO 17440 与GB/T 10051.1 要求不一致，GB/T 10051.1 作为产品标准，给出了标准产品在+20℃和-20℃冲击吸收功；ISO 17440 作为设计类标准，规定的冲击试验温度与吊钩的工作温度相关联，按照吊钩的工作温度T≥-30℃、-30℃＞T≥-40℃、-40℃＞T≥-50℃，分别对应低温冲击试验温度为-30℃、-40℃、-50℃，且最小冲击吸收功要求明显高于GB/T 10051.1 的规定值，尤其是合金钢的最小冲击吸收功。如果按照本标准的编制原则，即对于标准ISO 17440 与GB/T 10051.1 均有要求但要求不一致时，按照这2 个标准要求较严格且国内制造厂家无需增加较大成本即可实施的要求执行。为了验证国内吊钩制造厂家在按照GB/T 10051.1 规定的材料、制造工艺前提下，是否能够满足ISO 17440 规定的要求，或者采取何种有效措施可以满足ISO 17440 规定的要求，全国起重机械标准化技术委员会组织了5 个吊钩制造厂家参与了试验验证工作。

表1 ISO 17440:2014 规定的材料强度等级对应的力学性能

表2 GB/T 10051.1—2010 规定的材料强度等级对应的力学性能

2 低温冲击吸收功指标确定

试验单位对每种材料至少做3 个试样的-40℃低温冲击试验，对于-40℃时试验结果达不到35 J 要求的情况，再加做-30℃的冲击试验。对于之前曾经做过-30℃、-40℃、-50℃低温冲击试验的厂家，搜集相关延伸率和冲击功以供综合分析。

抽取24 个试验样钩，钩号分别为5、16、20、25、40、50、63、80、100、125、250，有单钩和双钩，试验测试了材料的屈服强度极限、抗拉强度极限、延伸率以及-20℃、-30℃、-40℃的冲击功。冲击吸收功试验数据如表3 所示。

表3 冲击吸收功试验数据

由表3 试验结果可以得出：

1）对于低温冲击韧性指标，参与试验的Q345qD、Q420qD、34Cr2Ni2Mo 这3 种材料，100% 同时满足ISO 17440、GB/T 10051.1 标准的要求。

2）参与试验的35CrMo 材料，共得到81 个冲击吸收功数据，从试验结果来看，有10 个没有满足GB/T 10051.1 标准27 J 的规定，有19 个没有满足ISO 17440 标准35 J 的规定。同时，冲击吸收功数据很不稳定，-20℃冲击吸收功最大达到163 J，最小为29 J；-40℃冲击吸收功最大达到148 J，最小为12 J，数值差异很大。以35CrMo 材料的单钩为例，对其试验数据进行处理，得到单钩的低温冲击吸收功的误差如图1 所示。从图中可以看出，相同钩号-20℃时的冲击吸收功均值明显高于-40℃，说明材料的韧性随着温度的降低而减小；相同钩号-20℃时的冲击吸收功的标准差大于-40℃，表明材料随着温度的降低冲击功数值更不稳定；随着单钩钩号的增加，单钩截面的尺寸相应增大，冲击功基本呈递减趋势，但5 号特型、20 号钩不符合整体变化趋势。因此，可以得出35CrMo 材料低温冲击吸收功数据不稳定，这可能是材料本身的特性决定的。对于冲击功要求严格的产品，为了降低出现废品的可能性，应尽量避免使用35CrMo。当然，这些试验未覆盖所有的吊钩钩号，试验数据偏少，也可能导致冲击吸收功数据无法体现出明显的变化趋势。

图1 35CrMo 低温冲击吸收功的变化曲线

3）参与试验的30Cr2Ni2Mo 共24 个试验数据，仅有1 个-40℃冲击吸收功达不到ISO 17440 标准的35 J要求，但全部达到GB/T 10051.1 标准的27 J 要求。

结合试验数据、ISO 17440 标准要求值、GB/T 10051.1 标准要求值，综合考虑标准编制原则后确定低温冲击性能按照表4 执行。

表4 吊钩材料的冲击试验和延伸率要求

对于结构钢Q345qD、Q420qD 来说，对应-20℃最小冲击吸收功39 J、对应-30℃和-40℃最小冲击吸收功35 J 可以同时满足标准ISO 17440、GB/T 10051.1 的要求值，相对于GB/T 10051.1 变化也不大。当工作温度高于-30℃时，作-20℃冲击试验，低温冲击功的要求按照GB/T 10051.1 执行；当工作温度-30℃＞T≥-40℃时，作-30℃冲击试验，当工作温度-40℃＞T≥-50℃时，作-40℃冲击试验，低温冲击功的要求按照ISO 17440 执行。从试验数据来看也是完全可以达到要求的。

对于合金钢30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo、35CrMo来说，当工作温度高于-30℃时，作-20℃冲击试验，低温冲击功要求达到35 J，满足ISO 17440 要求，高于GB/T 10051.1 标准27 J 的要求。从试验数据来看，30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo、35CrMo 这3 种材料都可以满足这一要求。当工作温度-30℃＞T≥-40℃、-40℃＞T≥-50℃时，分别作-30℃、-40℃冲击试验，低温冲击功要求达到27 J，低于ISO 17440 标准要求值。从试验数据看，30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo 在-30℃、-40℃的冲击吸收功可以满足这一要求，35CrMo 在8 组试验数据中有5 组达不到这一要求。考虑到在温度低于-30℃时还能继续正常工作的地方和场合不是很多（估计不大于5%），一味按照ISO 17440 把冲击值提高到35 J，可能要增加制造成本；另外当有温度低于-30℃时还能继续正常工作的要求以及出口产品有要求时，可以用30Cr2Ni2Mo、34Cr2Ni2Mo 替代35CrMo，避免35CrMo 材料低温冲击吸收功数据不稳定的问题。

3 强度、最小延伸率指标确定

在屈服强度方面，虽然ISO 17440 和GB/T 10051.1两者的规定值有一定差异，但差异不大，按照两者规定值的较大者确定；在抗拉强度和最小延伸率方面，GB/T 10051.1 没有规定值，因此按照ISO 17440 规定值执行。

以35CrMo 材料的单钩为例，分析其屈服强度、抗拉强度和延伸率试验数据的变化规律如图2 所示。从曲线中可以得出，随着单钩钩号的增大，单钩截面尺寸相应增大，屈服强度、抗拉强度和延伸率基本呈现递减趋势，但抗拉强度在20 号和25 号单钩处数值有增大，同时注意到5 号特型吊钩测得的延伸率偏大，一方面可能是每个试样的材料和控制工艺有轻微差异，另一方面可能有测量误差的原因。这些指标均能满足ISO 17440 和GB/T 10051.1 的要求。

图2 35CrMo 单钩强度、延伸率的变化曲线

根据试验样钩测得的材料的屈服强度极限、抗拉强度极限、延伸率这些试验数据，可以得出参与5 个强度级别的试验吊钩其材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率指标，100%满足ISO 17440、GB/T 10051.1 标准的要求，故能够满足本标准的规定值。

4 制造公差确定

锻钢吊钩的上部钩柄部分尺寸公差受加工质量控制，下部钩身部分尺寸公差受锻造质量控制，加工后的钩柄中心线与钩腔中心线的偏差受加工和锻造质量的综合影响。两者差异较大，ISO 17440 规定的公差与公称尺寸成一定比例，如钩口圆直径和开口尺寸应在[0；+7%]的公称尺寸范围内，钩尖高度应在[-7%；+7%]的公称尺寸范围内，加工后钩柄中心线偏离钩口中心线的允许值为±0.02a1，GB/T 10051.1 按照钩号给定公差尺寸如表5 所示。

表5 ISO 17440 与GB/T 10051.1 制造公差对比 mm

从表5 可以看出，对于钩口圆直径a1、开口度a2、钩尖高度a3以及加工后钩柄中心线与钩口中心线允许偏离值，ISO 17440 规定公差分别规定为公称尺寸的7%和0.02a1，这样会导致当钩号较小时公差带较小，制造工艺难以满足；当钩号较大时公差带很大，公差值也很大。GB/T 10051.1 针对不同的钩号按照一定的档次划分给出比较合理的公差，避开了钩号较小时公差带较小引起制造困难、钩号较大时公差带很大可能会影响使用的问题。GB/T 10051.1 自2010 年发布以来，还未收到吊钩制造厂和使用单位关于制造公差的反馈意见，说明GB/T 10051.1 关于公差的规定是合理的。因此，本标准规定：单钩和双钩的毛坯件尺寸公差应分别符合GB/T 10051.4—2010《起重吊钩 第4 部分：直柄单钩毛坯件》和GB/T 10051.6—2010《起重吊钩 第6 部分：直柄双钩毛坯件》的规定[4，5]；加工后钩柄中心线与钩腔中心线的偏差应符合GB/T 10051.2——2010《起重吊钩 第2部分：锻造吊钩技术条件》的规定[6]。

根据ISO 17440，规定了吊钩在厚度方向上应保持左右对称，每个横截面的形心应保证在中心面（对称面）两侧0.025d1范围内，这是GB/T 10051.1 所没有的公差控制尺寸。

5 结论

结合我国国情，在试验验证数据以及多年生产制造统计资料的基础上，对ISO 17440 标准规定的吊钩材料的冲击韧性和屈服极限、强度极限、冲击吸收功、制造公差等部分的要求做了适当调整，保证修改转化后的国家标准在不降低ISO 17440 要求的前提下，既经济合理、便于操作，又与国内相关标准协调一致。

GB/T 41676—2022《起重机 设计通则 锻钢吊钩的极限状态和能力验证》(ISO 17440:2014，MOD)标准的发布，完善了我国起重机械标准体系，弥补了起重机吊钩设计计算方法和能力验证方法标准缺失，为起重机吊钩设计和验证提供标准依据。对实现与国际标准接轨、提升我国起重机产品设计水平、提高起重机运行安全性方面具有重要意义。