陳曉偉陳增江戴漢政王加慶武 珂
(1.山東省特種設備檢驗研究院泰安分院 泰安 271000)
(2.泰山學院 泰安 271000)
吊運熔融金屬的起重機在設計和制造中的問題探討
陳曉偉1陳增江1戴漢政2王加慶1武 珂1
(1.山東省特種設備檢驗研究院泰安分院 泰安 271000)
(2.泰山學院 泰安 271000)
吊運熔融金屬的起重機在冶金行業(yè)中大量應用,屬于高度危險的特種設備,其設計和制造的合理性關乎起重機械的安全。本文介紹了吊運熔融金屬的起重機的分類及相應安全技術規(guī)范和標準的規(guī)定,重點分析了此類設備在設計、制造中存在和值得注意的問題,并提出合理的建議。
吊運熔融金屬的起重機 主起升機構 安全制動器 材料 焊接
吊運熔融金屬的起重機是冶金行業(yè)中最重要的搬運工具之一,其能力、數(shù)量和安全性關系到冶金業(yè)的發(fā)展速度和生產安全。我國冶金業(yè)發(fā)展不均衡,既有寶鋼集團、鞍鋼集團等規(guī)模龐大,冶煉能力極強的大型國有企業(yè),也有規(guī)模較小、冶煉能力較弱的小型冶金鑄造廠,不同企業(yè)對起重機類型和起重能力的需求不同。一般來說,冶煉能力較強的大型企業(yè)使用起重能力強、金屬結構和起升機構復雜的起重機,而冶煉能力較弱的鑄造廠使用起重能力弱,結構和機構簡單的起重機。這些起重機的作業(yè)環(huán)境為高溫和粉塵環(huán)境,作業(yè)對象為高度危險的熔融金屬,設備的安全成為其設計和制造關注的焦點,關系到企業(yè)的生產安全。因此,在相應的起重機械安全技術規(guī)范和設計制造標準的基礎上,分析了吊運熔融金屬的起重機在設計和制造中存在和值得注意的問題,提出合理的建議,降低事故概率和減少安全隱患,保證設備的使用安全。
根據(jù)TSG Q0002—2008《起重機械安全技術監(jiān)察規(guī)程——橋式起重機》、《關于冶金起重機械整治工作有關意見的通知》(質檢辦特〔2007〕375號,現(xiàn)已作廢)、GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》、JB/T 7688.1—2008《冶金起重機技術條件第1部分:通用要求》及JB/T 7688.5-2012《冶金起重機技術條件第5部分:鑄造起重機》的相關規(guī)定,吊運熔融金屬的起重機械主要有鑄造起重機(型號一般為YZ)、通用橋式起重機(吊運熔融金屬,型號一般為QDY或QDy)、電動葫蘆作為起升機構用于吊運熔融金屬的起重機即為冶金單(雙)梁起重機(型號一般為LDY、LHY或LDy、LHy)等幾種類型。
依據(jù)起重機械的安全技術規(guī)范、設計規(guī)范和制造標準的規(guī)定,吊運熔融金屬的起重機不但要求鋼絲繩、滑輪、電動機、減速器、聯(lián)軸器等零部件及電氣裝置符合高溫環(huán)境的要求,而且還有一些特殊的安全要求,具體要求如下[1,2,4,5]。
1.1 鑄造起重機
1)在每套主起升機構傳動鏈的驅動軸上應該裝設兩套符合JB/T 6406或JB/T 7020要求且能獨立工作的制動器,每套制動器的安全系數(shù)符合如下規(guī)定:每套驅動裝置有兩個支持制動器,安全系數(shù)不低于1.25;彼此剛性連接的驅動裝置每套裝有兩個支持制動器,安全系數(shù)不低于1.10;對于采用行星差動減速器傳動的起升機構,每套驅動裝置也應該裝設兩個制動器,制動器安全系數(shù)不低于1.75。
2)主起升機構傳動鏈應滿足下列條件之一:
(1)主起升機構應設置兩套驅動裝置,并且在輸出軸上剛性連接。
(2)主起升機構設置兩套驅動裝置,在輸出軸上無剛性連接或主起升機構設置一套驅動裝置時,均應在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器。
(3)對于額定起重量不大于16t的起重機,在設計起升機構時其工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高兩級,最小工作級別不應低于M5級。
3)采用兩套驅動裝置的主起升機構,當其中一臺或一套電控裝置發(fā)生故障時,另一套驅動裝置應能保證在額定起重量時完成一個工作循環(huán)。
4)主起升機構在上升極限位置應該設置不同形式的雙重二級保護裝置,并且能夠控制不同的斷路裝置,當取物裝置上升到設計規(guī)定的極限位置時,第一保護裝置應能切斷起升機構的上升動力源,第二保護裝置應能切斷更高一級動力源,需要時應裝設下降極限位置連鎖保護裝置。
5)主起升機構應該設置超速保護裝置。
6)起升機構應該保證電動機先通電,制動器后打開。當電動機失電后,高速軸制動器立即制動。主起升機構制動器的控制,應有防止因一個接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。
1.2 通用橋式起重機(吊運熔融金屬)
1)通用橋式起重機用于吊運熔融金屬時的額定起重量小于75t的,工作級別為A7或A8。
2)起升機構裝設有2套獨立作用的制動器(雙制動)。
3)裝設有不同形式(一般為重錘式和旋轉式并用)的上升極限位置的雙重限位器(雙限位),并應控制不同的斷路裝置,起升高度大于20m的起重機,還應根據(jù)需要裝設下降極限位置限位器。
4)用可控硅定子調壓、渦流制動器、能耗制動器、可控硅供電、直流機組供電調速以及其他由于調速可能造成超速的起升機構和20t以上用于吊運熔融金屬的通用橋式起重機必須具有超速保護。
5)起升機構應具有正反向接觸器故障保護功能,防止電動機失電而制動器仍然在通電進而導致失速發(fā)生。
1.3 冶金單(雙)梁起重機
TSG Q0002—2008相關規(guī)定:
1)以電動葫蘆作為起升機構,吊運熔融金屬的起重機還應當符合以下要求:(1)額定起重量不得大于10t;(2)電動葫蘆的工作級別不小于M6級。
2)采用電動葫蘆作為起升機構吊運熔融金屬的起重機,其制動器的設置應當符合以下要求:(1)當額定起重量大于5t時,電動葫蘆除設置一個工作制動器外,還必須設置一個安全制動器,安全制動器設置在電動葫蘆的低速級上,當工作制動器失靈或傳動部件破斷時,能夠可靠地支持住額定載荷;(2)當額定起重量小于或者等于5t時,電動葫蘆除設置工作制動器外,也宜在低速級上設置安全制動器,否則電動葫蘆應當按1.5倍額定起重量設計,或者使用單位選用的起重機的額定起重量是最大起重量的1.5倍,并且用起重量標志明確允許的最大起重量。
3)設置不同形式的上升極限位置的雙重限位器,并且能夠控制不同的斷路裝置,當起升高度大于20m時,還應當設置下降極限位置限位器。
4)起升機構應當具有正反向接觸器故障保護功能,防止電動機失電而制動器仍然在通電,導致電動機失速造成重物墜落。
JB/T 7688.5—2012的相應規(guī)定:
額定起重量不大于16t時,可采用電動葫蘆作為起升機構,電動葫蘆除應滿足一般要求外,還應滿足下列要求:以電動葫蘆作為起升機構,吊運熔融金屬的起重機還應當符合以下要求:
1)當額定起重量大于5t時,電動葫蘆除設置一個工作制動器外,還必須設置一個安全制動器,安全制動器設置在電動葫蘆的低速級上,當工作制動器失靈或傳動部件破斷時,能夠可靠地支持住額定載荷。
2)當額定起重量小于或者等于5t時,電動葫蘆除設置工作制動器外,也宜在低速級上設置安全制動器,否則電動葫蘆應當按1.5倍額定起重量設計。
3)選用具有高溫隔熱功能的電動葫蘆。
4)電動葫蘆的工作級別不小于M6級。
所謂的冗余系統(tǒng)就是為增加系統(tǒng)的可靠性,而采取兩套或兩套以上相同、相對獨立配置的設計。由于鑄造起重機械是高度危險的特種設備,設置兩套相同獨立的起升機構,防止在其中一套起升系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,另一套系統(tǒng)能夠完成一個或者多個工作循環(huán),不但保證設備的安全,還提高了設備的運行效率,不會因為設備故障而使生產線停止運行。同時,起升系統(tǒng)的可靠性大幅度提高,假如單獨系統(tǒng)的故障率為p,而采取冗余系統(tǒng)后可以將故障率降低到p/2。
BS EN 13135—2:2004《起重機 設備安全設計要求 第2部分:非電氣設備》、ISO/10972—1:1998《起重機 對機構的要求 第1部分 總則》都有對于吊運熔融金屬起重機械設置冗余系統(tǒng)的相關規(guī)定。目前,我國現(xiàn)行的行業(yè)標準JB/T 7688.5—2012《冶金起重機技術條件 第5部分:鑄造起重機》規(guī)定:主起升機構應設置兩套驅動裝置,并且在輸出軸上剛性連接,若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器;或者主起升機構設置一套驅動裝置,且在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器。無論鑄造起重機額定起重量的大小,主起升機構的設置上都可以采用單套驅動裝置加上鋼絲繩卷筒上設置安全制動器的形式。因此,起重機械的生產廠家為了節(jié)約成本,增加設備價格競爭力,廣泛的采用這種結構設計形式。鑄造起重機的這種設置形式使小車結構簡單、自重輕,主梁截面尺寸較小,主梁結構輕量化,能夠達到節(jié)能的目的;節(jié)約一套起升機構的成本,進一步降低制造成本,一定程度上提高設備的性價比;同時,在額定起重量較小時基本上能夠保證設備的安全性,受到廣大中小型冶金企業(yè)的歡迎。對于額定起重量較大的鑄造起重機,這種設置形式雖然能夠節(jié)約更多的制造成本、更節(jié)能,但是該形式存在很大的安全隱患。首先,這種設置故障率是兩套驅動裝置故障率的2倍,設備的故障率提高,更容易出現(xiàn)安全事故;其次,這種設置的驅動裝置一旦出現(xiàn)損壞,理論上安全制動器必然要動作,在額定起重量很大的情況下必然會有產生很大的轉動慣量,此能量需要在很短的時間內消耗,強大的沖擊載荷必然會使設備的薄弱環(huán)節(jié)損壞或造成人員傷亡;再次,這種設置的驅動裝置一旦損壞將無法再完成一個或者更多的工作循環(huán),只能使大量的的熔融金屬滯停在空中,使生產線中斷、增加不安全因素,若大的鋼水包很難從空中安全降落到地面,不易恢復生產,造成企業(yè)較大的經濟損失;最后,通過調研發(fā)現(xiàn),這種設置主要出現(xiàn)在中小型的起重機械生產企業(yè),這些企業(yè)設計能力、焊接水平、組裝工藝、零部件和安全保護裝置質量及安裝水平相對落后,進一步增加了設備的安全隱患。
因此,大噸位的鑄造起重機的主起升機構應該采用冗余系統(tǒng)設置,即主起升機構應該設置兩套驅動裝置。結合我國目前起重機械的制造水平以及冶金企業(yè)對鑄造起重機械的需要情況,建議鑄造起重機主起升機構設置如下:
1)對于額定起重量不大于16t的鑄造起重機,主起升機構可以設置兩套驅動裝置,并且在輸出軸上剛性連接,或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器;也可以主起升機構設置一套驅動裝置,且在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器;還可以在設計起升機構時其工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高2級,最小工作級別不應低于M5級。
2)對于額定起重量大于16t且小于75t的鑄造起重機,主起升機構可以設置兩套驅動裝置,并且在輸出軸上剛性連接,或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器;也可以在主起升機構設置一套驅動裝置上,且在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器。
3)對于額定起重量大于或等于75t的鑄造起重機,主起升機構須設置兩套驅動裝置,并且在輸出軸上剛性連接,或若不剛性連接需要在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器。
通用橋式起重機用于吊運熔融金屬是“鐵嶺事故”發(fā)生后一個過渡階段的產物,“鐵嶺事故”表明在很多中小型的冶金企業(yè)中存在使用通用橋式起重機吊運熔融金屬的現(xiàn)象,并且還有不少的使用單位訂購了通用橋式起重機用于吊運熔融金屬,這些設備已經進入制造過程但是沒有出廠和交付使用單位。因此,“鐵嶺事故”后國家質檢總局從安全及經濟兩個方面考慮下發(fā)了《關于冶金起重機械整治工作有關意見的通知》(質檢辦特〔2007〕375號,現(xiàn)已作廢)的文件作為各地整治或整改用于吊運熔融金屬的通用橋式起重機依據(jù),對在用的起重機進行改造使其符合文件要求;對于未出廠的起重機械,制造單位須將此設備作為一種新型號進行型式試驗且取得相應的制造許可證,取證后的企業(yè)大量生產這種類型的起重機。
這種起重機與通用橋式起重機無本質差別,結構形式沒有發(fā)生根本變化,只是將工作級別提高,將零部件換成適用高溫環(huán)境的,增設了超速保護,設置雙制動器和不同形式的雙重起升高度限位,但是未考慮低速軸的保護和主起升機構冗余系統(tǒng)的設置,使設備具有重大的安全隱患。同時,這種起重機在中小型冶金企業(yè)中大量應用,這類企業(yè)的作業(yè)環(huán)境相對惡劣,人員安全意識較差,設備使用頻率很高,設備日常維護保養(yǎng)不及時,進一步增加了設備的安全隱患。
因此,這種起重機符合相關安全規(guī)范、標準的同時,應該增加主起升機構低速軸的保護,即在低速軸的鋼絲繩卷筒上增設安全制動器。建議這種起重機安全制動器的設置情況如下:
1)對于額定起重量不大于16t的通用橋式起重機(吊運熔融金屬),若設計的主起升機構的工作級別至少比實際作業(yè)條件所要求的高2級且最小工作級別不低于M5級時,在其鋼絲繩卷筒上可以不設置安全制動器,否則,需要在其鋼絲繩卷筒上增設安全制動器。
2)對于額定起重量大于16t且小于75t的通用橋式起重機(吊運熔融金屬),需要在主起升機構的在鋼絲繩卷筒上設置安全制動器。
冶金單(雙)梁起重機是以電動葫蘆作為起升機構的吊運熔融金屬的起重機,大量應用于小型的鋼鐵和有色金屬鑄造廠。這種起重機一般作業(yè)環(huán)境較差,沒有專職的司機操作,使用頻率高,設備日常維護保養(yǎng)狀態(tài)不及時,設備安全隱患較大。同時,這種起重機一般是地面遙控操作,操作視線較差,大車運行速度一般較同類型的普通起重機要高50%左右,電動葫蘆一般是單吊點吊運,冶金單梁還沒有專門的傾倒鋼水包的裝置,在此種情況下若設備額定起重量過大,設備的安全隱患將進一步增大。
TSG Q0002—2008規(guī)定以電動葫蘆作為起升機構,吊運熔融金屬的起重機的額定起重量不得大于10t,而JB/T 7688.5—2012則對此有所放寬,規(guī)定額定起重量不應大于16t。由于TSG Q0002—2008為強制執(zhí)行的特種設備安全技術規(guī)范,而JB/T 7688.5—2012為推薦性的制造標準,在實際設計和制造中必須要符合特種設備安全技術規(guī)范的相關規(guī)定,即這種設備的額定起重量不應超過10t。但從設計角度考慮,這種起重機存在兩種結構形式,即單梁形式和雙梁形式,后者比前者要穩(wěn)定、可靠和安全,可以將額定起重量依據(jù)JB/T 7688.5—2012適當?shù)奶岣?。因此,建議這種起重機額定起重量按如下要求設置:
1)以電動葫蘆作為起升機構吊運熔融金屬的電動單梁起重機的額定起重量不應超過10t。
2)以電動葫蘆作為起升機構吊運熔融金屬的電動雙梁起重機的額定起重量不應超過16t。
吊運熔融金屬起重機的整機工作級別一般為A6~A8,這就要求金屬結構的工作級別較高,一般為E6~E8。根據(jù)GB/T 3811—2008的相關要求,起重機金屬結構的設計要滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的要求??紤]這類起重機的工作級別較高且危險性較大,使用單位一般要求制造單位設計時采用較高的安全系數(shù)并且指定使用強度級別較高的低合金鋼Q345代替強度級別較低的低碳鋼Q235制作金屬結構(主梁、副主梁、端梁、小車架等)。
事實上,這是一個錯誤的觀念,使用強度級別較高的Q345只是提高了金屬結構的靜強度和穩(wěn)定性,并不能提高金屬結構的剛度和疲勞強度,而工作級別較高的金屬結構需要驗算結構的疲勞強度,其設計薄弱環(huán)節(jié)即是疲勞強度,只有構件的實際疲勞應力不超過構件許用疲勞應力才能滿足設計要求。
根據(jù)GB/T 3811—2008的規(guī)定,構件的許用疲勞應力與構件的應力循環(huán)特性r及構件的拉伸和壓縮疲勞許用應力[σ-1]的基本值有關。其中,應力循環(huán)特性r是結構件某一個應力循環(huán)過程中最小應力和最大應力的比值,對于吊運熔融金屬的起重機械的應力循環(huán)特性為r的范圍為:0≤r≤1。[σ-1]是在r=-1時對稱應力循環(huán)試驗中得到的疲勞極限(具有90%的可靠度)除以1.34安全系數(shù),并考慮構件的工作級別級具體的構件連接的應力集中情況等級和構件材質等三個因素后的疲勞許用應力值。應力集中分為非焊接件和焊接件兩種情況,其中,非焊接件構件連接的[σ-1]要高于焊接件構件連接的[σ-1],其中,焊接件的應力集中情況分為K0、K1、K2、K3、K4五個等級,具體焊接件構件連接的[σ-1]見表1[3]:
表1 部分拉伸和壓縮疲勞許用應力的基本值[σ-1] MPa
應力循環(huán)特性為0<r<1的構件疲勞許用應力:
其中,σb為結構件的抗拉強度,Q235為370MPa,Q345為490MPa,其余參數(shù)同上。
由拉伸許用應力和壓縮許用應力的計算公式可以看出,影響連接構件疲勞許用應力的因素主要是[σ-1],結構件的抗拉強度σb影響很小。例如,構件工作級別為E7,應力集中等級為K3,應力循環(huán)特性為0.10的Q235和Q345的構件的疲勞壓縮許用應力分別為:
因此,使用強度級別較高的Q345代替強度級別較低的Q235不能明顯地提高連接構件的疲勞許用應力,在起重機械的設計上是沒有任何意義的,但是,Q345代替Q235增加設備的制作成本,造成無謂的浪費。
從金屬結構材料Q235和Q345對焊接缺陷敏感程度來說,Q345對焊接缺陷更加敏感,即Q235的可焊性要優(yōu)于Q345,使用材料Q345不但增加制造難度,還容易在起重機械的使用過程中產生疲勞裂紋,影響設備的使用,因此,Q235比Q345更適合用于制作吊運熔融金屬起重機的金屬結構。
焊接是起重機械最基本的成型技術,焊接質量的優(yōu)劣直接關系到起重機械的質量,特別是工作級別較高的起重機,主要受力結構件的受力焊縫一旦存在焊接缺陷便會以較快的速度擴展,影響設備的性能和壽命,產生較大的安全隱患。因此,吊運熔融金屬起重機的主要受力結構件的主要受力焊縫必須保證焊接質量,特別是翼緣板、腹板的對接連接的焊縫、上翼緣板和主腹板的連接焊縫及T型鋼與腹板和翼緣板的連接焊縫,這些焊縫不但要求焊透,而且無損檢測也應符合相應標準的要求。
由于焊接構件的應力集中情況直接影響連接構件的拉伸和壓縮疲勞許用應力的基本值[σ-1],而且隨著應力集中等級的遞增,結構疲勞許用應力的基本值遞減,影響連接構件的疲勞許用應力,其值隨著集中等級的遞增快速遞減,影響設備的使用性能。因此,在實際生產中應盡量采取較為合理的應力集中情況等級,盡量選擇GB/T 3811—2008中表O.2(續(xù))規(guī)定的焊縫連接類別小于或等于K2,如果焊接工藝人員發(fā)現(xiàn)重要結構件焊接件的連接類別不能保證小于或等于K2時,應該進行修改并達到此要求。這些焊縫主要包括主梁翼緣板、主副腹板、T型鋼連接的對接焊縫,翼緣板與主副腹板連接的角焊縫及大肋板與翼緣板和主副腹板連接的角焊縫。這些對接焊縫的余高、角焊縫的焊腳尺寸要符合相應要求,焊縫表明要進行打磨直至光滑;焊縫內部不應有超標缺陷存在;避免出現(xiàn)交叉焊縫,以減少應力集中。大肋板與翼緣板和腹板的連接的角焊縫與翼緣板和腹板連接的角焊縫容易出現(xiàn)交叉焊縫,一般將大肋板作倒角或者切角處理以避免出現(xiàn)交叉焊縫,減少焊縫應力集中。以下是某起重機械制造廠制作鑄造起重機時大肋板的倒角或切角處理情況,如圖1、圖2所示。
圖1 大肋板的設計圖
圖2 倒角和切角的大肋板
吊運熔融金屬的起重機包括鑄造起重機、通用橋式起重機(吊運熔融金屬)以及冶金單(雙)梁起重機三種類型,此類設備的設計和制造過程在符合相應的安全技術規(guī)范和標準的基礎上,建議達到以下要求:超過75t的鑄造起重機的主起升機構設置冗余系統(tǒng);超過16t的通用橋式起重機(吊運熔融金屬)在低速軸卷筒上設置安全制動器;冶金單梁起重機的額定起重量不超過10t,冶金雙梁起重機的額定起重量不超過16t。
吊運熔融金屬的起重機的材料應該選擇焊接性較好、價格較低且不影響連接構件疲勞許用應力的低碳鋼Q235;機構件在制作過程中要保證焊縫的焊接質量,焊縫內部無超標缺陷;降低焊縫的應力集中,盡量選擇GB/T 3811—2008中表O.2(續(xù))規(guī)定的焊縫連接類別小于或等于K2,避免出現(xiàn)K4,以保證連接構件的疲勞許用應力,從設計和制造的源頭上保證吊運熔融金屬起重機的安全。
[1] TSG Q0002—2008 起重機械安全監(jiān)察規(guī)程——橋式起重機[S].
[2] 關于冶金起重機械整治工作有關意見的通知(質檢辦特〔2007〕375號)。
[3] GB/T 3811—2008 起重機設計規(guī)范[S].
[4] JB/T 7688.1—2008 冶金起重機技術條件 第1部分:通用要求[S].
[5] JB/T 7688.5—2012 冶金起重機技術條件 第5部分:鑄造起重機[S].
行業(yè)動態(tài)
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
陳曉偉(1985~), 男,工程師,主要研究方向為金屬材料焊接工藝、起重機械設計制造及檢驗。
2015-01-04)