第五節　對起重運輸機金屬結構的要求及其發展趨向

起重運輸機是一種工作十分繁忙的重型機械，又是一種移動機械，為保證其正常工作，對起重運輸機金屬結構提出如下要求：

（1）起重運輸機金屬結構必須堅固耐用。金屬結構應保證起重機有良好的工作性能，因此，其本身應具有足夠的強度、剛度和穩定性。

（2）起重運輸機金屬結構的自重應力求輕巧。起重運輸機金屬結構的重量約占整機重量的40％～70％，巨型起重機則可達90％以上。由于起重運輸機是移動的，因此減輕自重不但可以節省原材料，而且也相應地減輕了機構的負荷和支承結構的造價。

（3）起重運輸機金屬結構的制造工藝要求簡單，安裝、維修容易，并應注意改善司機的工作條件。

（4）起重運輸機金屬結構的外形應盡可能美觀、大方。

起重運輸機金屬結構工作不僅繁忙，且結構自重甚大，消耗鋼材很多，金屬結構的成本約占總成本的1/3以上。因此，設法提高金屬結構的性能、節省材料、減輕自重、減少制造勞動量，從而降低產品成本，是起重運輸機金屬結構設計與制造工作堅定不移的方針，也是今后發展的總趨勢。

根據對起重運輸機金屬結構的基本要求，提出以下幾點發展方向和研究的重點。

一、設計計算理論的研究和改進

在起重運輸機金屬結構設計中，一直采用許用應力設計法，這種方法使用起來比較簡便，其缺點是對不同用途、不同工作性質（受力情況）的金屬結構采用相同的安全系數，而且安全系數往往偏大或過小，使設計的結構或者多消耗材料，或者安全程度較低。隨著生產發展的要求，試驗研究工作的開展，促進了計算理論的改進和發展。近年來出現了不少新的計算方法，提出許多新的數據、參數、系數和公式。這些方法正確地考慮了載荷的作用性質，鋼材的性能及結構工作特點，如GB/T 3811-2008《起重機設計規范》補充的以概率論為基礎的極限狀態設計法就是一例。極限狀態設計法的基礎是：在起重機使用條件下對金屬結構的受載情況進行統計分析，對金屬結構材料性能的均勻程度進行統計研究。尤其當結構在外載荷作用下產生了較大變形，以至內力與載荷呈非線性關系時，采用極限狀態設計法會得到更符合實際情況的計算結果。因而也能更充分地利用鋼材的性能，節省材料。

二、改進和創造新型的結構形式

在保證起重運輸機工作性能的條件下，改進和不斷創造新型的結構形式是最有效地減輕起重運輸機金屬結構自重的方法之一。例如汽車起重機動臂用周長相同的折線閉合斷面或類橢圓截面代替傳統的箱形截面（圖1-18），使斷面幾何特性有所改善，因而提高了動臂的強度、剛度和穩定性，降低了動臂的自重。根據動臂的受力特點，采用梯形截面的動臂結構（圖1-19），在減輕結構自重方面也有顯著效果。鐵路部門自行設計并制造的三角形斷面桁架門式起重機金屬結構，自重比相同參數的雙梁箱形門式起重機金屬結構輕15％～20％。港口小型門座起重機的動臂用矩形斷面空腹管結構代替傳統的桁架結構，使動臂自重下降20％。我國六機部第九設計院為馬耳他設計并制造的起重量150t、幅度45m的門座起重機的金屬結構全部采用薄壁箱形結構，在減輕整機自重方面取得了明顯的效果。

三、改進制造工藝過程

廣泛地采用焊接，特別是自動焊和改進工藝過程，應用沖壓焊接鋼板制造起重運輸機金屬結構，既能簡化結構，節省材料，又能減少制造安裝的勞動量，縮短工期，從而降低產品成本。采用焊接結構比鉚接結構可以節省鋼材30％以上，所以用焊接代替鉚接結構被稱為金屬結構設計與制造方法的一大改革。目前生產的起重運輸機金屬結構絕大部分都是采用焊接連接。

應用沖壓焊接鋼板的金屬結構，并用螺栓進行裝配，可以省去許多復雜而繁重的組裝工藝，防止裝配變形，增加結構剛度，保證結構的制造質量。

四、盡量采用先進技術

目前，起重運輸機金屬結構的設計和制造工作雖然有了一整套可行的方法和工藝，但仍有許多問題有待進一步研究和改進。

在設計方面，如研究采用預應力的方法設計起重運輸機金屬結構，可改善結構的受力狀態，節省鋼材。利用有限元法（借助計算機）解算復雜的計算問題，能簡化設計過程，加快設計進度且可探索斷裂設計法在起重運輸機金屬結構中應用的可能性。起重運輸機金屬結構的優化設計，把設計工作的主要精力轉到優化方案的選擇方面來，使設計工作者由被動的校核設計轉變為積極主動地從各種可能的設計方案中尋求最優的方案，最優方案可以用數字來表示，用數字來回答問題，優化設計是現代起重運輸機金屬結構設計的特色。

在制造方面，盡量采用標準化的沖壓結構，應用最新的連接方法（高強度螺栓及膠合連接等）和裝配式結構，選擇更先進的工藝等，這些都能為改善起重機的工作性能、節省材料、提高生產率、降低成本提供有利的條件。

五、提高起重機的參數

近年來，除生產一些輕、小、簡、廉的起重設備以滿足各使用部門的需要外，為解決長大笨重貨物（如冶煉設備、水壩閘門、化工設備、大型船舶、海洋平臺安裝、發電設備和機車等）的裝卸，各國生產的起重機有向大噸位、大幅度（大跨度）、大高度、高速度方向發展的趨勢，同時要求有靈活的控制系統，以適應對起重機調速的要求。

為適應海上石油開采的需要，2014年我國武漢橋梁重工集團股份有限公司設計和建造了22000t特大型門式起重機（圖1-20）用于吊裝海洋裝備基地的海上石油平臺下水。該起重機額定起重量22000t，起升高度軌上65m，軌下5m，起升速度0～0.2m/min，跨度124.3m，整機自重16520t。該機是目前世界上起重量最大的起重機。該起重機上裝有一臺1200t的附加起重機，可用于鉆井平臺樁腿和鉆架等大型模塊的安裝。它的投入使用突破了傳統海洋平臺制造工藝的局限，帶來現代海工產品設計制造工藝的變革，真正意義上實現了大型海工起重設備陸上高效建造的理念。

2002年英國生產了一臺起重量1600t的橋式起重機。它由兩臺800t的小車構成，跨度28m。設計時采用高頻調速、起升自動同步系統等新技術。

2001年我國太原重型機械集團公司為我國三峽電站設計制造了一臺1200t獨立小車的大噸位橋式起重機（圖1-21），為安裝發電機轉子專用。

近年來國內外輪式起重機的大型化也發展很快。2002年德國Demag公司研制成功500t汽車起重機。總重只有83.8t，下車共7軸，單軸負荷小于12t，運行速度0～65km/h。為提高整機穩定性，下車支腿設計成X形。整機布置十分簡潔，運行狀態時上車（含吊臂）位于車體縱向內，大大提高了整機的行駛性能（圖1-22）。

我國的徐州重工集團和三一重工集團相繼研制成功1200t級的全路面起重機，各項性能達到國際先進水平。圖1-23和圖1-24分別是徐工和三一重工的產品。

六、起重運輸機金屬結構的標準化和系列化

起重運輸機金屬結構應設計成有一定規格尺寸的標準零件，便于加工和組裝，并使整個結構系列化，做成定型產品。盡量利用標準工藝，這是簡化設計和制造過程、縮短工期、進行批量生產的關鍵，也是降低產品成本的有效方法。

我國單、雙梁橋式起重機，塔式起重機，輪式起重機及雙梁門式起重機都有系列設計。有關部門正在研究其他類型起重機的定型和系列化問題。鐵路系統也正在進行鐵路常用起重機標準化和系列化的工作。

七、采用輕金屬（鋁合金）或高強度結構鋼（合金鋼）制造金屬結構

用輕金屬或高強度結構鋼制造起重運輸機結構是節省材料、減輕結構自重的有效途徑。國外已試制過鋁合金結構的橋式起重機、門式起重機和輪式起重機的臂架，自重減輕了30％～60％。德國制造的鋁合金箱形單主梁橋式起重機，自重比相同參數的鋼制雙梁橋式起重機減輕70％，從而減輕了廠房結構和支承結構的載荷，降低了整個工業企業投資。我國鋁礦資源豐富，用鋁合金制造起重機金屬結構具有廣闊的前景。低合金高強度結構鋼如Q345，已廣泛用于制造各種起重機金屬結構。大噸位輪式起重機的臂架材料，目前國內外廣泛采用屈服極限為600～1000MPa的高強度結構鋼。由于材質好、強度高，制造金屬結構可達到體輕、堅固、耐用。