吊运熔融金属的起重机在设计和制造中的问题探讨

陈晓伟陈增江戴汉政王加庆武 珂

（1.山东省特种设备检验研究院泰安分院 泰安 271000）

（2.泰山学院 泰安 271000）

吊运熔融金属的起重机在设计和制造中的问题探讨

陈晓伟1陈增江1戴汉政2王加庆1武 珂1

（1.山东省特种设备检验研究院泰安分院 泰安 271000）

（2.泰山学院 泰安 271000）

吊运熔融金属的起重机在冶金行业中大量应用，属于高度危险的特种设备，其设计和制造的合理性关乎起重机械的安全。本文介绍了吊运熔融金属的起重机的分类及相应安全技术规范和标准的规定，重点分析了此类设备在设计、制造中存在和值得注意的问题，并提出合理的建议。

吊运熔融金属的起重机 主起升机构 安全制动器 材料 焊接

吊运熔融金属的起重机是冶金行业中最重要的搬运工具之一，其能力、数量和安全性关系到冶金业的发展速度和生产安全。我国冶金业发展不均衡，既有宝钢集团、鞍钢集团等规模庞大，冶炼能力极强的大型国有企业，也有规模较小、冶炼能力较弱的小型冶金铸造厂，不同企业对起重机类型和起重能力的需求不同。一般来说，冶炼能力较强的大型企业使用起重能力强、金属结构和起升机构复杂的起重机，而冶炼能力较弱的铸造厂使用起重能力弱，结构和机构简单的起重机。这些起重机的作业环境为高温和粉尘环境，作业对象为高度危险的熔融金属，设备的安全成为其设计和制造关注的焦点，关系到企业的生产安全。因此，在相应的起重机械安全技术规范和设计制造标准的基础上，分析了吊运熔融金属的起重机在设计和制造中存在和值得注意的问题，提出合理的建议，降低事故概率和减少安全隐患，保证设备的使用安全。

1 相关安全技术规范和标准对吊运熔融金属的起重机设计和制造的要求

根据TSG Q0002—2008《起重机械安全技术监察规程——桥式起重机》、《关于冶金起重机械整治工作有关意见的通知》（质检办特〔2007〕375号，现已作废）、GB/T 3811—2008《起重机设计规范》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重机技术条件第1部分：通用要求》及JB/T 7688.5-2012《冶金起重机技术条件第5部分：铸造起重机》的相关规定，吊运熔融金属的起重机械主要有铸造起重机（型号一般为YZ）、通用桥式起重机（吊运熔融金属，型号一般为QDY或QDy）、电动葫芦作为起升机构用于吊运熔融金属的起重机即为冶金单（双）梁起重机（型号一般为LDY、LHY或LDy、LHy）等几种类型。

依据起重机械的安全技术规范、设计规范和制造标准的规定，吊运熔融金属的起重机不但要求钢丝绳、滑轮、电动机、减速器、联轴器等零部件及电气装置符合高温环境的要求，而且还有一些特殊的安全要求，具体要求如下［1,2,4,5］。

1.1 铸造起重机

1）在每套主起升机构传动链的驱动轴上应该装设两套符合JB/T 6406或JB/T 7020要求且能独立工作的制动器，每套制动器的安全系数符合如下规定：每套驱动装置有两个支持制动器，安全系数不低于1.25；彼此刚性连接的驱动装置每套装有两个支持制动器，安全系数不低于1.10；对于采用行星差动减速器传动的起升机构，每套驱动装置也应该装设两个制动器，制动器安全系数不低于1.75。

2）主起升机构传动链应满足下列条件之一：

（1）主起升机构应设置两套驱动装置，并且在输出轴上刚性连接。

（2）主起升机构设置两套驱动装置，在输出轴上无刚性连接或主起升机构设置一套驱动装置时，均应在钢丝绳卷筒上设置安全制动器。

（3）对于额定起重量不大于16t的起重机，在设计起升机构时其工作级别至少比实际作业条件所要求的高两级，最小工作级别不应低于M5级。

3）采用两套驱动装置的主起升机构，当其中一台或一套电控装置发生故障时，另一套驱动装置应能保证在额定起重量时完成一个工作循环。

4）主起升机构在上升极限位置应该设置不同形式的双重二级保护装置，并且能够控制不同的断路装置，当取物装置上升到设计规定的极限位置时，第一保护装置应能切断起升机构的上升动力源，第二保护装置应能切断更高一级动力源，需要时应装设下降极限位置连锁保护装置。

5）主起升机构应该设置超速保护装置。

6）起升机构应该保证电动机先通电，制动器后打开。当电动机失电后，高速轴制动器立即制动。主起升机构制动器的控制，应有防止因一个接触器损坏、粘连造成控制失效的措施。

1.2 通用桥式起重机（吊运熔融金属）

1）通用桥式起重机用于吊运熔融金属时的额定起重量小于75t的，工作级别为A7或A8。

2）起升机构装设有2套独立作用的制动器（双制动）。

3）装设有不同形式（一般为重锤式和旋转式并用）的上升极限位置的双重限位器（双限位），并应控制不同的断路装置，起升高度大于20m的起重机，还应根据需要装设下降极限位置限位器。

4）用可控硅定子调压、涡流制动器、能耗制动器、可控硅供电、直流机组供电调速以及其他由于调速可能造成超速的起升机构和20t以上用于吊运熔融金属的通用桥式起重机必须具有超速保护。

5）起升机构应具有正反向接触器故障保护功能，防止电动机失电而制动器仍然在通电进而导致失速发生。

1.3 冶金单（双）梁起重机

TSG Q0002—2008相关规定：

1）以电动葫芦作为起升机构，吊运熔融金属的起重机还应当符合以下要求：（1）额定起重量不得大于10t；（2）电动葫芦的工作级别不小于M6级。

2）采用电动葫芦作为起升机构吊运熔融金属的起重机，其制动器的设置应当符合以下要求：（1）当额定起重量大于5t时，电动葫芦除设置一个工作制动器外，还必须设置一个安全制动器，安全制动器设置在电动葫芦的低速级上，当工作制动器失灵或传动部件破断时，能够可靠地支持住额定载荷；（2）当额定起重量小于或者等于5t时，电动葫芦除设置工作制动器外，也宜在低速级上设置安全制动器，否则电动葫芦应当按1.5倍额定起重量设计，或者使用单位选用的起重机的额定起重量是最大起重量的1.5倍，并且用起重量标志明确允许的最大起重量。

3）设置不同形式的上升极限位置的双重限位器，并且能够控制不同的断路装置，当起升高度大于20m时，还应当设置下降极限位置限位器。

4）起升机构应当具有正反向接触器故障保护功能，防止电动机失电而制动器仍然在通电，导致电动机失速造成重物坠落。

JB/T 7688.5—2012的相应规定：

额定起重量不大于16t时，可采用电动葫芦作为起升机构，电动葫芦除应满足一般要求外，还应满足下列要求：以电动葫芦作为起升机构，吊运熔融金属的起重机还应当符合以下要求：

1）当额定起重量大于5t时，电动葫芦除设置一个工作制动器外，还必须设置一个安全制动器，安全制动器设置在电动葫芦的低速级上，当工作制动器失灵或传动部件破断时，能够可靠地支持住额定载荷。

2）当额定起重量小于或者等于5t时，电动葫芦除设置工作制动器外，也宜在低速级上设置安全制动器，否则电动葫芦应当按1.5倍额定起重量设计。

3）选用具有高温隔热功能的电动葫芦。

4）电动葫芦的工作级别不小于M6级。

2 铸造起重机主起升机构驱动系统设置问题探讨

所谓的冗余系统就是为增加系统的可靠性，而采取两套或两套以上相同、相对独立配置的设计。由于铸造起重机械是高度危险的特种设备，设置两套相同独立的起升机构，防止在其中一套起升系统出现故障时，另一套系统能够完成一个或者多个工作循环，不但保证设备的安全，还提高了设备的运行效率，不会因为设备故障而使生产线停止运行。同时，起升系统的可靠性大幅度提高，假如单独系统的故障率为p，而采取冗余系统后可以将故障率降低到p/2。

BS EN 13135—2：2004《起重机 设备安全设计要求 第2部分：非电气设备》、ISO/10972—1：1998《起重机 对机构的要求 第1部分 总则》都有对于吊运熔融金属起重机械设置冗余系统的相关规定。目前，我国现行的行业标准JB/T 7688.5—2012《冶金起重机技术条件 第5部分：铸造起重机》规定：主起升机构应设置两套驱动装置，并且在输出轴上刚性连接，若不刚性连接需要在钢丝绳卷筒上设置安全制动器；或者主起升机构设置一套驱动装置，且在钢丝绳卷筒上设置安全制动器。无论铸造起重机额定起重量的大小，主起升机构的设置上都可以采用单套驱动装置加上钢丝绳卷筒上设置安全制动器的形式。因此，起重机械的生产厂家为了节约成本，增加设备价格竞争力，广泛的采用这种结构设计形式。铸造起重机的这种设置形式使小车结构简单、自重轻，主梁截面尺寸较小，主梁结构轻量化，能够达到节能的目的；节约一套起升机构的成本，进一步降低制造成本，一定程度上提高设备的性价比；同时，在额定起重量较小时基本上能够保证设备的安全性，受到广大中小型冶金企业的欢迎。对于额定起重量较大的铸造起重机，这种设置形式虽然能够节约更多的制造成本、更节能，但是该形式存在很大的安全隐患。首先，这种设置故障率是两套驱动装置故障率的2倍，设备的故障率提高，更容易出现安全事故；其次，这种设置的驱动装置一旦出现损坏，理论上安全制动器必然要动作，在额定起重量很大的情况下必然会有产生很大的转动惯量，此能量需要在很短的时间内消耗，强大的冲击载荷必然会使设备的薄弱环节损坏或造成人员伤亡；再次，这种设置的驱动装置一旦损坏将无法再完成一个或者更多的工作循环，只能使大量的的熔融金属滞停在空中，使生产线中断、增加不安全因素，若大的钢水包很难从空中安全降落到地面，不易恢复生产，造成企业较大的经济损失；最后，通过调研发现，这种设置主要出现在中小型的起重机械生产企业，这些企业设计能力、焊接水平、组装工艺、零部件和安全保护装置质量及安装水平相对落后，进一步增加了设备的安全隐患。

因此，大吨位的铸造起重机的主起升机构应该采用冗余系统设置，即主起升机构应该设置两套驱动装置。结合我国目前起重机械的制造水平以及冶金企业对铸造起重机械的需要情况，建议铸造起重机主起升机构设置如下：

1）对于额定起重量不大于16t的铸造起重机，主起升机构可以设置两套驱动装置，并且在输出轴上刚性连接，或若不刚性连接需要在钢丝绳卷筒上设置安全制动器；也可以主起升机构设置一套驱动装置，且在钢丝绳卷筒上设置安全制动器；还可以在设计起升机构时其工作级别至少比实际作业条件所要求的高2级，最小工作级别不应低于M5级。

2）对于额定起重量大于16t且小于75t的铸造起重机，主起升机构可以设置两套驱动装置，并且在输出轴上刚性连接，或若不刚性连接需要在钢丝绳卷筒上设置安全制动器；也可以在主起升机构设置一套驱动装置上，且在钢丝绳卷筒上设置安全制动器。

3）对于额定起重量大于或等于75t的铸造起重机，主起升机构须设置两套驱动装置，并且在输出轴上刚性连接，或若不刚性连接需要在钢丝绳卷筒上设置安全制动器。

3 通用桥式起重机（吊运熔融金属）安全制动器的设置问题探讨

通用桥式起重机用于吊运熔融金属是“铁岭事故”发生后一个过渡阶段的产物，“铁岭事故”表明在很多中小型的冶金企业中存在使用通用桥式起重机吊运熔融金属的现象，并且还有不少的使用单位订购了通用桥式起重机用于吊运熔融金属，这些设备已经进入制造过程但是没有出厂和交付使用单位。因此，“铁岭事故”后国家质检总局从安全及经济两个方面考虑下发了《关于冶金起重机械整治工作有关意见的通知》（质检办特〔2007〕375号，现已作废）的文件作为各地整治或整改用于吊运熔融金属的通用桥式起重机依据，对在用的起重机进行改造使其符合文件要求；对于未出厂的起重机械，制造单位须将此设备作为一种新型号进行型式试验且取得相应的制造许可证，取证后的企业大量生产这种类型的起重机。

这种起重机与通用桥式起重机无本质差别，结构形式没有发生根本变化，只是将工作级别提高，将零部件换成适用高温环境的，增设了超速保护，设置双制动器和不同形式的双重起升高度限位，但是未考虑低速轴的保护和主起升机构冗余系统的设置，使设备具有重大的安全隐患。同时，这种起重机在中小型冶金企业中大量应用，这类企业的作业环境相对恶劣，人员安全意识较差，设备使用频率很高，设备日常维护保养不及时，进一步增加了设备的安全隐患。

因此，这种起重机符合相关安全规范、标准的同时，应该增加主起升机构低速轴的保护，即在低速轴的钢丝绳卷筒上增设安全制动器。建议这种起重机安全制动器的设置情况如下：

1）对于额定起重量不大于16t的通用桥式起重机（吊运熔融金属），若设计的主起升机构的工作级别至少比实际作业条件所要求的高2级且最小工作级别不低于M5级时，在其钢丝绳卷筒上可以不设置安全制动器，否则，需要在其钢丝绳卷筒上增设安全制动器。

2）对于额定起重量大于16t且小于75t的通用桥式起重机（吊运熔融金属），需要在主起升机构的在钢丝绳卷筒上设置安全制动器。

4 冶金单（双）梁式起重机额定起重量设置问题探讨

冶金单（双）梁起重机是以电动葫芦作为起升机构的吊运熔融金属的起重机，大量应用于小型的钢铁和有色金属铸造厂。这种起重机一般作业环境较差，没有专职的司机操作，使用频率高，设备日常维护保养状态不及时，设备安全隐患较大。同时，这种起重机一般是地面遥控操作，操作视线较差，大车运行速度一般较同类型的普通起重机要高50%左右，电动葫芦一般是单吊点吊运，冶金单梁还没有专门的倾倒钢水包的装置，在此种情况下若设备额定起重量过大，设备的安全隐患将进一步增大。

TSG Q0002—2008规定以电动葫芦作为起升机构，吊运熔融金属的起重机的额定起重量不得大于10t，而JB/T 7688.5—2012则对此有所放宽，规定额定起重量不应大于16t。由于TSG Q0002—2008为强制执行的特种设备安全技术规范，而JB/T 7688.5—2012为推荐性的制造标准，在实际设计和制造中必须要符合特种设备安全技术规范的相关规定，即这种设备的额定起重量不应超过10t。但从设计角度考虑，这种起重机存在两种结构形式，即单梁形式和双梁形式，后者比前者要稳定、可靠和安全，可以将额定起重量依据JB/T 7688.5—2012适当的提高。因此，建议这种起重机额定起重量按如下要求设置：

1）以电动葫芦作为起升机构吊运熔融金属的电动单梁起重机的额定起重量不应超过10t。

2）以电动葫芦作为起升机构吊运熔融金属的电动双梁起重机的额定起重量不应超过16t。

5 吊运熔融金属的起重机在设计上材料问题探讨

吊运熔融金属起重机的整机工作级别一般为A6～A8，这就要求金属结构的工作级别较高，一般为E6～E8。根据GB/T 3811—2008的相关要求，起重机金属结构的设计要满足强度、刚度及稳定性的要求。考虑这类起重机的工作级别较高且危险性较大，使用单位一般要求制造单位设计时采用较高的安全系数并且指定使用强度级别较高的低合金钢Q345代替强度级别较低的低碳钢Q235制作金属结构（主梁、副主梁、端梁、小车架等）。

事实上，这是一个错误的观念，使用强度级别较高的Q345只是提高了金属结构的静强度和稳定性，并不能提高金属结构的刚度和疲劳强度，而工作级别较高的金属结构需要验算结构的疲劳强度，其设计薄弱环节即是疲劳强度，只有构件的实际疲劳应力不超过构件许用疲劳应力才能满足设计要求。

根据GB/T 3811—2008的规定，构件的许用疲劳应力与构件的应力循环特性r及构件的拉伸和压缩疲劳许用应力［σ-1］的基本值有关。其中，应力循环特性r是结构件某一个应力循环过程中最小应力和最大应力的比值，对于吊运熔融金属的起重机械的应力循环特性为r的范围为：0≤r≤1。［σ-1］是在r=-1时对称应力循环试验中得到的疲劳极限（具有90%的可靠度）除以1.34安全系数，并考虑构件的工作级别级具体的构件连接的应力集中情况等级和构件材质等三个因素后的疲劳许用应力值。应力集中分为非焊接件和焊接件两种情况，其中，非焊接件构件连接的［σ-1］要高于焊接件构件连接的［σ-1］，其中，焊接件的应力集中情况分为K0、K1、K2、K3、K4五个等级，具体焊接件构件连接的［σ-1］见表1［3］：

表1 部分拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值［σ-1］ MPa

应力循环特性为0＜r＜1的构件疲劳许用应力：

其中，σb为结构件的抗拉强度，Q235为370MPa，Q345为490MPa，其余参数同上。

由拉伸许用应力和压缩许用应力的计算公式可以看出，影响连接构件疲劳许用应力的因素主要是［σ-1］，结构件的抗拉强度σb影响很小。例如，构件工作级别为E7，应力集中等级为K3，应力循环特性为0.10的Q235和Q345的构件的疲劳压缩许用应力分别为：

因此，使用强度级别较高的Q345代替强度级别较低的Q235不能明显地提高连接构件的疲劳许用应力，在起重机械的设计上是没有任何意义的，但是，Q345代替Q235增加设备的制作成本，造成无谓的浪费。

从金属结构材料Q235和Q345对焊接缺陷敏感程度来说，Q345对焊接缺陷更加敏感，即Q235的可焊性要优于Q345，使用材料Q345不但增加制造难度，还容易在起重机械的使用过程中产生疲劳裂纹，影响设备的使用，因此，Q235比Q345更适合用于制作吊运熔融金属起重机的金属结构。

6 吊运熔融金属起重机制造中焊接问题探讨

焊接是起重机械最基本的成型技术，焊接质量的优劣直接关系到起重机械的质量，特别是工作级别较高的起重机，主要受力结构件的受力焊缝一旦存在焊接缺陷便会以较快的速度扩展，影响设备的性能和寿命，产生较大的安全隐患。因此，吊运熔融金属起重机的主要受力结构件的主要受力焊缝必须保证焊接质量，特别是翼缘板、腹板的对接连接的焊缝、上翼缘板和主腹板的连接焊缝及T型钢与腹板和翼缘板的连接焊缝，这些焊缝不但要求焊透，而且无损检测也应符合相应标准的要求。

由于焊接构件的应力集中情况直接影响连接构件的拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值［σ-1］，而且随着应力集中等级的递增，结构疲劳许用应力的基本值递减，影响连接构件的疲劳许用应力，其值随着集中等级的递增快速递减，影响设备的使用性能。因此，在实际生产中应尽量采取较为合理的应力集中情况等级，尽量选择GB/T 3811—2008中表O.2（续）规定的焊缝连接类别小于或等于K2，如果焊接工艺人员发现重要结构件焊接件的连接类别不能保证小于或等于K2时，应该进行修改并达到此要求。这些焊缝主要包括主梁翼缘板、主副腹板、T型钢连接的对接焊缝，翼缘板与主副腹板连接的角焊缝及大肋板与翼缘板和主副腹板连接的角焊缝。这些对接焊缝的余高、角焊缝的焊脚尺寸要符合相应要求，焊缝表明要进行打磨直至光滑；焊缝内部不应有超标缺陷存在；避免出现交叉焊缝，以减少应力集中。大肋板与翼缘板和腹板的连接的角焊缝与翼缘板和腹板连接的角焊缝容易出现交叉焊缝，一般将大肋板作倒角或者切角处理以避免出现交叉焊缝，减少焊缝应力集中。以下是某起重机械制造厂制作铸造起重机时大肋板的倒角或切角处理情况，如图1、图2所示。

图1 大肋板的设计图

图2 倒角和切角的大肋板

7 结束语

吊运熔融金属的起重机包括铸造起重机、通用桥式起重机（吊运熔融金属）以及冶金单（双）梁起重机三种类型，此类设备的设计和制造过程在符合相应的安全技术规范和标准的基础上，建议达到以下要求：超过75t的铸造起重机的主起升机构设置冗余系统；超过16t的通用桥式起重机（吊运熔融金属）在低速轴卷筒上设置安全制动器；冶金单梁起重机的额定起重量不超过10t，冶金双梁起重机的额定起重量不超过16t。

吊运熔融金属的起重机的材料应该选择焊接性较好、价格较低且不影响连接构件疲劳许用应力的低碳钢Q235；机构件在制作过程中要保证焊缝的焊接质量，焊缝内部无超标缺陷；降低焊缝的应力集中，尽量选择GB/T 3811—2008中表O.2（续）规定的焊缝连接类别小于或等于K2，避免出现K4，以保证连接构件的疲劳许用应力，从设计和制造的源头上保证吊运熔融金属起重机的安全。

［1］ TSG Q0002—2008 起重机械安全监察规程——桥式起重机［S］.

［2］ 关于冶金起重机械整治工作有关意见的通知（质检办特〔2007〕375号）。

［3］ GB/T 3811—2008 起重机设计规范［S］.

［4］ JB/T 7688.1—2008 冶金起重机技术条件 第1部分：通用要求［S］.

［5］ JB/T 7688.5—2012 冶金起重机技术条件 第5部分：铸造起重机［S］.

行业动态

Discussion on the Designing and Manufacturing of the Hoisting Molten Metal Crane

Chen Xiaowei1Chen Zengjiang1Dai Hanzheng2Wang Jiaqing1Wu Ke1
（1. Shandong Special Equipment Inspection Institute Tai'an Branch Tai'an 271000）
（2. Taishan University Tai'an 271000 ）

Hoisting molten metal crane is widely used in metallurgical industry， belonging to the special equipment with highly dangerous. The design and manufacture rationality is about the safety of hoisting machinery. This paper introduces classification of the hoisting molten metal crane and the regulations of safety technical specification and standard， focuses on the analysis of the design， manufacture and noticeable problems of such equipment， and put forward reasonable suggestions.

Hoisting molten metal crane Main hoisting mechanism Safety brake Material Welding

X941

B

1673-257X（2015）05-40-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.008

陈晓伟（1985～）， 男，工程师，主要研究方向为金属材料焊接工艺、起重机械设计制造及检验。

2015-01-04）