劉家成

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院鹽城分院，江蘇鹽城，224000）

0 引言

國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特設(shè)局函（2020）47號(hào)文件對(duì)起重機(jī)械改造的定義為：改變?cè)兄饕芰Y(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、主要機(jī)構(gòu)形式、主參數(shù)的活動(dòng)，而將普通電動(dòng)葫蘆更換為冶金電動(dòng)葫蘆，則改變了起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)形式，故此行為的施工類別應(yīng)該劃分為改造。GB 6067.5-2014《起重機(jī)械安全規(guī)程 第5部分 橋式和門式起重機(jī)》中14.2.6規(guī)定吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)，額定起重量不大于16t時(shí)，可采用電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)，由于起重機(jī)械品種較多，本文僅討論以電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)且額定起重量不大于16t的起重機(jī)（無司機(jī)室），具體品種有電動(dòng)單梁起重機(jī)，電動(dòng)葫蘆橋式起重機(jī)。

起重機(jī)械改造涉及的內(nèi)容方方面面，本文從檢驗(yàn)角度出發(fā)，考慮技術(shù)法規(guī)，起重機(jī)械自上而下，主要討論工作級(jí)別、冶金電動(dòng)葫蘆及鋼絲繩三點(diǎn)。

1 工作級(jí)別

車間以電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)的工作級(jí)別一般為A3或A4，而吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品的起重機(jī)的工作級(jí)別至少為A6（電動(dòng)葫蘆的工作級(jí)別不應(yīng)低于M6）。提高起重機(jī)整機(jī)的工作級(jí)別目前一般有兩種方案，一種是整機(jī)降級(jí)使用，如16t或10t降級(jí)為5t使用；另一種是改造主梁，即對(duì)主梁進(jìn)行加高加寬，使其強(qiáng)度和剛度達(dá)到要求，改造主梁需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算，且需動(dòng)火。

1.1 整機(jī)降級(jí)使用

GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定起重機(jī)整機(jī)的工作級(jí)別由起重機(jī)的使用等級(jí)和載荷狀態(tài)級(jí)別確定，具體表1。

表1 起重機(jī)整機(jī)的工作級(jí)別

由表1可以看出，工作級(jí)別A3在起重機(jī)使用等級(jí)不變的前提下，想要提升到至少A6的工作級(jí)別，則需原起重機(jī)的載荷狀態(tài)級(jí)別為Q1,且載荷譜系數(shù)KP提升8倍，KP的計(jì)算公式為：

其中：

Ci為起重機(jī)各個(gè)有代表性的起升載荷相應(yīng)的工作循環(huán)數(shù)；

CT為起重機(jī)總工作循環(huán)數(shù)；

PQi為能表征起重機(jī)在預(yù)期壽命期內(nèi)工作任務(wù)的各個(gè)有代表性的起升載荷；

PQmax為起重機(jī)的額定起升載荷；

m為冪指數(shù)，為了便于級(jí)別的劃分，約定取m=3。

根據(jù)公式（1）可以得出，如果工作循環(huán)數(shù)和代表起升載荷不變化，則額定起升載荷PQmax應(yīng)減小為原來的一半，故提升工作級(jí)別A3到A6，若采用整機(jī)降級(jí)使用的方法，應(yīng)至少考慮兩點(diǎn)：第一原起重機(jī)的載荷狀態(tài)級(jí)別為Q1，即很少吊運(yùn)額定載荷，經(jīng)常吊運(yùn)較輕載荷；第二改造后的整機(jī)額定起升載荷需減小一半左右，如5t改為3t以下，10t改為5t，16t改為10t等。

1.2 改造主梁

若采用改造主梁的方法，且保持原額定載重量不變，則需考慮工作級(jí)別對(duì)撓度的影響，TSG Q7016-2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定對(duì)A1～A3級(jí)，撓度不大于S/700；對(duì)A4～A6級(jí)，撓度不大于S/800；對(duì)A7、A8級(jí)，撓度不大于S/1000，按最大撓度變換要求，可知在跨度不變的要求下，撓度上限要求應(yīng)為原撓度要求的70%。根據(jù)公式：

其中：

f垂直為垂直靜剛度

P為額定載重量與葫蘆自重之和（不包括主梁自重）

S為跨度

E為彈性模量

IX為主梁水平截面的慣性矩

由公式（2）可知，當(dāng)P、S、E不變，主梁水平截面的慣性矩應(yīng)為原慣性矩的1.43倍，當(dāng)然這里所有的考慮是處于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)考慮，如若起重機(jī)在原來設(shè)計(jì)就多預(yù)留了相關(guān)載荷，那么在之后的改造設(shè)計(jì)中應(yīng)考量進(jìn)去，但是應(yīng)向檢驗(yàn)人員提供計(jì)算說明書。主梁水平截面的慣性矩計(jì)算需要主梁截面圖及相關(guān)數(shù)據(jù)，詳見圖（1）和公式（3）、（4）、（5），由于要同原慣性矩進(jìn)行比較，則設(shè)計(jì)單位或制造單位應(yīng)向檢驗(yàn)人員同時(shí)提供改造前和改造后的圖紙。

圖1 主梁截面圖

S0=L0t0，S1=h1t1，S2=L2t2，S3=L3t3，S4，I4，h2根 據(jù) 工字鋼型號(hào)查詢標(biāo)準(zhǔn)GB/T 706-2016可得。

主梁截面水平形心軸x-x位置：

主梁截面慣性矩：

圖（1），公式（3）、（4）、（5）中 ：

編號(hào)0、1、2、3、4分別對(duì)應(yīng)著上蓋板，腹板，斜側(cè)板，工字鋼下方的補(bǔ)強(qiáng)鋼板及工字鋼

S對(duì)應(yīng)截面面積

L對(duì)應(yīng)板材寬度或高度

t對(duì)應(yīng)板材厚度

I對(duì)應(yīng)自身慣性矩

由圖（1）和公式（3）、（4）、（5）可以看出，影響主梁垂直靜剛度的主要因素為主梁的凈高和鋼材各部位的厚度，如果需要校核主梁垂直靜剛度是否達(dá)到要求，可要求設(shè)計(jì)單位或制造單位提供主梁截面圖，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入公式（3）、（4）、（5），算出主梁水平截面的慣性矩Ix，之后將結(jié)果和原數(shù)據(jù)算出的結(jié)果進(jìn)行比較，觀察是否為原主梁水平截面的慣性矩1.43倍以上，如果是，則主梁垂直靜剛度達(dá)到要求。當(dāng)然，對(duì)于設(shè)計(jì)單位或制造單位而言，除了垂直靜剛度，還應(yīng)考慮主梁水平靜剛度和端梁設(shè)計(jì)，以滿足主梁的整體穩(wěn)定性。

2 冶金電動(dòng)葫蘆檢驗(yàn)的注意事項(xiàng)

正規(guī)廠家的冶金電動(dòng)葫蘆按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，其配置已經(jīng)基本滿足安全要求，例如GB 6067.5-2014中3.6.3規(guī)定以下翼緣作為運(yùn)行軌道的、吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品的起重機(jī)，應(yīng)在起重小車底部設(shè)防輻射熱裝置， GB/T 3811-2008中5.9.1.8也提到主要承載結(jié)構(gòu)的表面如果長(zhǎng)期受到熱輻射作用，且表面溫度達(dá)150℃以上時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮有效的隔熱防護(hù)措施，所以冶金電動(dòng)葫蘆出廠時(shí)就自帶了反輻射的隔熱板，在檢驗(yàn)時(shí)不需要做其余動(dòng)作，只需現(xiàn)場(chǎng)觀察是否設(shè)置隔熱板。既然冶金電動(dòng)葫蘆出廠時(shí)已經(jīng)滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)于普通的電動(dòng)單梁起重機(jī)改造為冶金橋式起重機(jī)，檢驗(yàn)人員在檢驗(yàn)中對(duì)于冶金電動(dòng)葫蘆應(yīng)該注意哪些要求呢？GB 6067.5-2014中給出了具體要求，總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

2.1 布線部位及電氣設(shè)備采取保護(hù)措施，如設(shè)置隔熱層

這點(diǎn)同反輻射的隔熱板一樣，直接現(xiàn)場(chǎng)觀察是否設(shè)置。

2.2 滑輪

不得使用鑄鐵滑輪，使用單位或制造單位應(yīng)向檢驗(yàn)人員提供滑輪的合格證或者材質(zhì)證明文件。

2.3 操作方式

采用遙控或者非跟隨式等遠(yuǎn)離熱源的操作方式，并且保證操縱人員的操作視野，設(shè)置操作人員的安全通道。

2.4 超速保護(hù)裝置

GB 6067.5-2014中8.4.2規(guī)定對(duì)于吊運(yùn)熔融金屬和其他危險(xiǎn)物品的起重機(jī)，其起升機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)超速保護(hù)，額定起重量不大于5t的電動(dòng)葫蘆除外；常見的超速保護(hù)裝置有機(jī)械式超速裝置、電磁式超速裝置和光電式超速裝置。冶金電動(dòng)葫蘆一般采用的是機(jī)械式超速裝置，在鋼絲繩卷筒上裝設(shè)機(jī)械式制動(dòng)器作安全制動(dòng)器，在機(jī)構(gòu)失效或傳動(dòng)裝置損壞導(dǎo)致物品超速下降，下降速度達(dá)到1.5倍額定速度前自動(dòng)起作用，其制停距離要求為當(dāng)工作制動(dòng)器失靈時(shí)，安全制動(dòng)器能可靠地支持住額定載荷且制動(dòng)下滑量應(yīng)不大于v/100（v為額定載荷下1min內(nèi)穩(wěn)定起升的距離，一般工作制動(dòng)器下滑量要求為不大于v/65），且不大于200mm[1]。

2.5 安全制動(dòng)器

超速保護(hù)裝置中提到了安全制動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)型式見圖2。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)起重機(jī)額定起重量大于5t時(shí)，電動(dòng)葫蘆除設(shè)置一個(gè)工作制動(dòng)器外，還應(yīng)設(shè)置安全制動(dòng)器，且設(shè)置在電動(dòng)葫蘆的低速級(jí)上（當(dāng)起重機(jī)額定起重量小于或等于5t時(shí)，也宜在低速級(jí)上設(shè)置安全制動(dòng)器，否則電動(dòng)葫蘆應(yīng)按1.5倍額定起重量設(shè)計(jì)），并要求在正常作業(yè)時(shí)，安全制動(dòng)器應(yīng)在高速軸制動(dòng)器閉合后延時(shí)閉合，其延時(shí)動(dòng)作時(shí)間可調(diào)，進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，安全制動(dòng)器應(yīng)立即動(dòng)作。

圖2 安全制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

安全制動(dòng)器的檢驗(yàn)方法為提升額定載荷，人為調(diào)整錐形制動(dòng)器，使其自由墜落過程中觸發(fā)安全制動(dòng)器，觀察負(fù)載是否可靠制停，或者將電動(dòng)葫蘆原有控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，選取變頻調(diào)速方式，通過人為調(diào)高供電頻率實(shí)現(xiàn)起升電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)卷筒加速，觸發(fā)安全制動(dòng)器動(dòng)作[2]。

2.6 制動(dòng)器控制

制動(dòng)器控制應(yīng)考慮兩種情況，一種是與電動(dòng)機(jī)同時(shí)控制的制動(dòng)器，另一種是與電動(dòng)機(jī)分開控制的制動(dòng)器。

2.6.1 與電動(dòng)機(jī)同時(shí)控制的制動(dòng)器

與電動(dòng)機(jī)同時(shí)控制的制動(dòng)器線路應(yīng)設(shè)有保護(hù)裝置，在出現(xiàn)故障時(shí)能迅速切斷電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器的電源；如電動(dòng)機(jī)接至制動(dòng)器的導(dǎo)線長(zhǎng)度不大于5m，制動(dòng)器可不單獨(dú)設(shè)這樣的保護(hù)，而電動(dòng)葫蘆本身含電動(dòng)機(jī)與制動(dòng)器一體，其連接導(dǎo)線長(zhǎng)度自然不會(huì)大于5m，故不需設(shè)置保護(hù)裝置。

2.6.2 與電動(dòng)機(jī)分開控制的制動(dòng)器

與電動(dòng)機(jī)分開控制的制動(dòng)器的控制要采取預(yù)防措施，使得起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)任何失控的運(yùn)動(dòng)；如有電氣制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)應(yīng)在電氣制動(dòng)之后作用；電動(dòng)機(jī)通電時(shí)制動(dòng)器不得抱閘，短暫過渡狀態(tài)除外；制動(dòng)器的控制應(yīng)采取防止因一個(gè)接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。目前市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)葫蘆（包括冶金葫蘆）的工作制動(dòng)器采用的是錐形制動(dòng)器，屬于與電動(dòng)機(jī)同時(shí)控制的一種機(jī)械制動(dòng)器，故電動(dòng)葫蘆的工作制動(dòng)器不需設(shè)置預(yù)防措施。

2.6.3 安全制動(dòng)器的控制

由于安全制動(dòng)器是晚于工作制動(dòng)器動(dòng)作，故安全制動(dòng)器的控制肯定是與電動(dòng)機(jī)分開的。故安全制動(dòng)器的控制，都應(yīng)有防止因一個(gè)接觸器損壞、粘連造成控制失效的措施。

2.7 限位

2.7.1 限位具體要求

吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)，主起升機(jī)構(gòu)在上升極限位置應(yīng)設(shè)置不同形式雙重二級(jí)保護(hù)裝置，并且能夠控制不同的斷路裝置，當(dāng)起升高度大于20m時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置下降極限位置限位器。今年國(guó)家市場(chǎng)總局[2021]16號(hào)文件也開展了起重機(jī)械隱患排查治理工作，針對(duì)的正是高度限位裝置，由于高度限位裝置的配置不當(dāng)、缺失、損壞和失效等原因，引起的事故所占比例較高，要求安裝（加裝）高度限位裝置，提高設(shè)備本質(zhì)安全，這與吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)安全要求是一致的（其例外情況中安裝了傳動(dòng)式高度限位裝置的橋、門式起重機(jī)不再要求設(shè)置“雙限位”裝置的要求不適用于吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)）。值得注意的是，雙限位要求是能夠控制不同的斷路裝置，一般第一限位設(shè)置在控制回路，第二限位設(shè)置在動(dòng)力回路，見圖3、圖4。

圖3 第一限位電氣圖

圖4 第二限位電氣圖

2.7.2 試驗(yàn)方法

其試驗(yàn)方法是吊具上升到第一起升高度上限位置時(shí)，第一起升高度限位器動(dòng)作，并自動(dòng)切斷起升動(dòng)力源，停止上升方向的運(yùn)行，且應(yīng)能保證下降方向運(yùn)行的操作功能。在使用單位或安裝單位的配合下，斷開主電源開關(guān)并在其出線端驗(yàn)電確認(rèn)，人為短接第一起升高度限位器觸點(diǎn)。吊具繼續(xù)上升到第二起升高度上限位置時(shí)，第二起升高度限位器動(dòng)作，并自動(dòng)切斷更高一級(jí)的起升動(dòng)力源（如第一級(jí)起升高度限位器分?jǐn)嗌仙佑|器回路，第二級(jí)起升高度限位器分?jǐn)嗫傠娫唇佑|器回路等）后停止上升方向的運(yùn)行（此時(shí)可不要求下降方向運(yùn)行的操作功能）。試驗(yàn)結(jié)束后，需將起升高度限位器恢復(fù)至正常狀態(tài)。

3 鋼絲繩

3.1 鋼絲繩安全系數(shù)

GB 6067.5-2014中4.3.1.2規(guī)定吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品的起重機(jī)，應(yīng)采用性能不低于GB 8918-2006《重要用途鋼絲繩》規(guī)定的金屬繩芯（IWR）或金屬股芯（IWS）的耐高溫鋼絲繩；安全系數(shù)應(yīng)符合GB/T 3811-2008中相關(guān)規(guī)定，對(duì)于額定起重量不大于16t的起重機(jī)，其安全系數(shù)不應(yīng)小于5.6，這里需要注意的是安全系數(shù)5.6對(duì)應(yīng)的是機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M6的運(yùn)動(dòng)繩，而鋼絲繩選用與機(jī)構(gòu)工作級(jí)別息息相關(guān)，故當(dāng)電動(dòng)葫蘆的工作級(jí)別為M7或M8時(shí)，其鋼絲繩安全系數(shù)對(duì)應(yīng)不小于7.1和9。

3.2 鋼絲繩直徑

目前冶金起重機(jī)用鋼絲繩基本結(jié)構(gòu)為6×19W-IWRC或6×36WS-IWRC，而 6×36WS-IWRC 較 6×19W-IWRC 的柔性更好，價(jià)格也更高，用于冶金電動(dòng)葫蘆一般采用6×19W-IWRC較多，6×19W-IWRC冶金起重機(jī)用鋼絲繩公稱直徑范圍普遍在φ12-40mm之間，鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度多選用1670MPa、1770MPa、1870MPa 三種[3]居多，根據(jù)公式（6）：

其中：

F0為鋼絲繩的整繩最小破斷拉力，單位為千牛（KN）

S為鋼絲繩最大工作靜拉力，單位為牛頓（KN）

n為鋼絲繩的最小安全系數(shù)

以額定起重量為16t，工作級(jí)別為A6的吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品的電動(dòng)單梁起重機(jī)舉例，其鋼絲繩最大工作靜拉力S=16?9.8÷4=39.2，n取5.6，則鋼絲繩的整繩最小破斷拉力F0應(yīng)為220KN，若選用公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa的鋼芯鋼絲繩，查表可得最小鋼絲繩直徑為18mm[4]。

4 結(jié)束語

針對(duì)使用單位將普通葫蘆更換為冶金葫蘆，本文從技術(shù)法規(guī)方面出發(fā)，以檢驗(yàn)角度分析探討了注意事項(xiàng)。通過本文可以得出，將普通葫蘆更換為冶金葫蘆不僅技術(shù)要求較高，而且成本較大，故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，檢驗(yàn)人員一般不建議使用單位進(jìn)行改造，而建議使用單位復(fù)原到設(shè)備原本狀況，如使用單位的確需要吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品，則建議使用單位再重新購(gòu)置一臺(tái)吊運(yùn)熔融金屬或熾熱物品的起重機(jī)械。