李学洪，滕荣蓉，王光楚

（江苏省特种设备安全监督检验研究院淮安分院，江苏 淮安223000）

1 起重机的概述

起重机是指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，主要用于起吊大吨位的物件。起重机分为桥门式起重机、门座式起重机、流动式起重机、塔式起重机等多种形式，它的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的，起重机在市场上的发展和使用非常的广泛在当前工业发展中也起及其重要的作用。大型钢厂需要起重机吊运钢水货物，建筑工地需要起重机吊运水泥黄沙，路政工地需要起重机吊运钢筋货物，桥梁制作工程中需要起重机来架桥。普通企业也需要起重机来配合他们的日常生产，比如转运货物、维修设备、装车、大件翻身等。起重机在当今已成为工业发展必不可缺的一样产品，一个城市的发展水平，可以通过辨别其起重机的数目来确定。在特种设备检验行业中，起重机不仅仅作为检验的一种设备，更能够作为检验的一种工具。大型承压类安全设备的安全阀，法定需要检验。在人力无法达到的情况下，则必然需要起重设备的配合。本文结合现有起重机的研究基础，综合考虑安全阀校验站的限制及需求，研制一种新型的起重设备，用于检验工作中配合的工具。

2 目前安全阀校验站用起重设备的现状

安全阀设备的校验，都需要起重机的配合。当前安全阀校验场所使用的起重机，普遍是普通桥门式起重机和定柱式摇臂起重机两种形式。普通桥门式起重机弊端在于：对校验场所的净空高度要求较高，价格较贵，如果安全阀校验的场所在普通厂房内则无法实施，需要大的厂房、车间才能满足设备的移动，且较为危险。定柱式摇臂起重机目前运用于较多的安全阀校验场所，下口由地脚螺栓组固定，上端安装转动悬臂，为了保证起吊时起重设备的抗倾覆性能，立柱底端就需要与直径约3m、厚度约0.8m 左右的钢筋混凝土基础相连。这样不仅地基价格较高，而且起重设备必须安装在校验厂房中间位置，降低了校验场所的有效使用面积，也对校验流程带来了阻碍与干扰，并影响校验环境的美观。目前我国绝大多数安全阀校验站，面积小，净空高度低，使的市面上现有的起重机无法满足校验需求。本文所研发的转柱式摇臂起重机能够很好地解决上述起重设备所存在的弊端，使之广泛满足现今安全阀校验场所使用。

3 转柱式摇臂起重机的设计思路

本起重机主要的设计思路为安装布局合理、物美价廉。布局合理在于,它是依靠校验厂房内的立柱位置安装起重设备，其下端直接固定于混凝土地面上，上端附着于立柱或与立柱相连的梁上，因其紧靠墙壁，不仅布局合理美观，更大大提高了校验场所的空间利用率，同时，可以充分利用摇臂下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍，依靠旋转部件，形成一个扇形的吊运空间。价廉在于其用材价格低廉。采用了其他报废设备的零部件，如报废汽车轮毂、汽车后桥半轴，钢材市场的无缝钢管等。同时对起重机结构进行设计优化，使之金属结构部分为同吨位起重机重量的2/5，大大降低了成本价格。同时，由于无缝管、汽车零部件都为成品，减少了普通起重机的焊接，装配，机加工等工作，减少了部分费用。

起重机设计总体为立柱转动的摇臂式起重机。立柱采用20＃φ21920 的无缝钢管，起重机摇臂采用20a 工字钢。这两种材料占据本次研发的起重机设备总重的90%，故使用经济截面钢材，可有效降低起重机制造成本。

起重机转动支撑均采用报废汽车部件，一是价格低廉，二是强度达标。起重机上口使用报废汽车后桥半轴，半轴上部通过法兰片与厂房内立柱牛腿（或横梁）相连，起固定半轴的作用。插入无缝管内的半轴下端部分套有固定卡盘，卡盘外径与无缝钢管内径为间隙配合，起到转柱转动时的轴承作用。起重机立柱无缝管下口与报废汽车的轮毂通过法兰片连接，轮毂起着轴承支座作用。起重机立柱与起重臂为一整体，相对于底座实现整体旋转功能。因汽车后桥半轴为高强度圆钢，汽车轮毂采用双列圆锥滚子轴承，能够承受轴向与径向的联合载荷，满足本次研发的起重设备受力要求。

由于该起重机采用摇臂式，又能实现整体转动，故我们将此次研发的起重机称为：转柱式摇臂起重机。起重机设计草图见图1。

4 起重机主要构件的性能校核计算

4.1 工字钢摇臂的性能校核

转柱式摇臂起重机的摇臂采用Q235B 工字钢材料，摇臂和无缝管立柱之间为铰接。假设F1为拉杆的拉力，F2为工字钢的水平力，安全阀自重为Qmax（图2），拉杆与悬臂角度为θ。当最大起重量处于最大回转幅度时，假设摇臂最大回转幅度为L=4.5m，拉杆与起重臂之间夹角θ=9º，Qmax=2500kg。

由质点受力平衡可知：

图1 转柱式摇臂起重机草图

图2 起重机端部受力图

解得：F1=159.81×103N F2=157.84×103N

故当最大起重量处于最大回转辐度时，摇臂满足稳定性要求。

对摇臂进行强度校核：

当最大起重量处于摇臂中间位置时，摇臂所受弯矩最大。

故摇臂强度满足设计要求。

4.2 无缝钢管立柱的性能校核

转柱式摇臂起重机立柱采用20＃φ219×20 无缝钢管，立柱总高度为4.5m。因立柱两端采用铰接，由受力分析可知，其最危险截面为摇臂与立柱的交接点,即约H=4m 位置。设立柱上下支座处受到的水平力分别为P2、P1（见图3）。

图3 无缝管立柱受力分析图

对立柱进行强度校核：

当最大起重量处于最大回转辐度时,该部位的弯矩：

图4 无缝管立柱弯矩图

立柱抗弯截面模量:

立柱截面积:

4.3 起重机整体有限元分析

最后对起重机整体进行有限元分析。有限元分析是对一个产品整体受力，变形等情况进行的综合性分析。此次建模软件为solidworks2014，有限元分析软件为workbench19.0。赋予起重机的材料为普通碳素钢材料，拉索为钢丝绳拉索。对主要受力结构件进行建模，对其进行网格划分（见图5），材料设置，施加约束，施加作用力，求解变形情况（见图6）及应力情况（见图7）。workbench 的力学分析结果通过颜色云图展示，颜色越红代表受应力或变形越大，颜色越蓝代表受应力或变形越小。由此可见，转柱式摇臂起重机在起吊位置的变形最大，立柱部分及悬臂根部位置基本无变形。而应力分析结果无红色区域，则表示起重设备所受应力值较小，都在许用值范围内。由有限元分析可得，变形和应力均符合要求。此次有限元分析，赋予的材料皆为普通材料，在这种情况下，起重机整体受力满足使用需求。这则说明，在使用刚强度钢材的情况下，同时满足要求。

5 此类起重机的目的、意义及前景

图5 模型网格化

图6 模型变形情况热图

图7 模型受应力情况

转柱式摇臂起重机的研发，目的在于方便安全阀校验过程中，对安全阀能够轻松的吊装及转运。其物美低廉，国内同吨位起重机价格都在3 万元以上，而此款起重机价格仅在8 千元左右，关键解决了安全阀等单位厂房内布局的难题，可以广泛推广与全国各地安全阀校验场所。本文研制的起重机，是基于对当前国内外安全阀校验站通用起重机优缺点的去粗取精，基于对废旧物品的回收利用。此类起重机不仅仅能运用在安全阀校验站中，同时，对于空间狭小的维修车间，如汽车修理店，小型钢板放样区，小件仓库等，都可以采用此类起重设备。这种设备起重范围广，占地面积小，对空间要求低，价格低廉，符合中国制造2025“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化”的基本方针。具有很好的使用前景。