第五节　对起重运输机金属结构的要求及其发展趋向

起重运输机是一种工作十分繁忙的重型机械，又是一种移动机械，为保证其正常工作，对起重运输机金属结构提出如下要求：

（1）起重运输机金属结构必须坚固耐用。金属结构应保证起重机有良好的工作性能，因此，其本身应具有足够的强度、刚度和稳定性。

（2）起重运输机金属结构的自重应力求轻巧。起重运输机金属结构的重量约占整机重量的40％～70％，巨型起重机则可达90％以上。由于起重运输机是移动的，因此减轻自重不但可以节省原材料，而且也相应地减轻了机构的负荷和支承结构的造价。

（3）起重运输机金属结构的制造工艺要求简单，安装、维修容易，并应注意改善司机的工作条件。

（4）起重运输机金属结构的外形应尽可能美观、大方。

起重运输机金属结构工作不仅繁忙，且结构自重甚大，消耗钢材很多，金属结构的成本约占总成本的1/3以上。因此，设法提高金属结构的性能、节省材料、减轻自重、减少制造劳动量，从而降低产品成本，是起重运输机金属结构设计与制造工作坚定不移的方针，也是今后发展的总趋势。

根据对起重运输机金属结构的基本要求，提出以下几点发展方向和研究的重点。

一、设计计算理论的研究和改进

在起重运输机金属结构设计中，一直采用许用应力设计法，这种方法使用起来比较简便，其缺点是对不同用途、不同工作性质（受力情况）的金属结构采用相同的安全系数，而且安全系数往往偏大或过小，使设计的结构或者多消耗材料，或者安全程度较低。随着生产发展的要求，试验研究工作的开展，促进了计算理论的改进和发展。近年来出现了不少新的计算方法，提出许多新的数据、参数、系数和公式。这些方法正确地考虑了载荷的作用性质，钢材的性能及结构工作特点，如GB/T 3811-2008《起重机设计规范》补充的以概率论为基础的极限状态设计法就是一例。极限状态设计法的基础是：在起重机使用条件下对金属结构的受载情况进行统计分析，对金属结构材料性能的均匀程度进行统计研究。尤其当结构在外载荷作用下产生了较大变形，以至内力与载荷呈非线性关系时，采用极限状态设计法会得到更符合实际情况的计算结果。因而也能更充分地利用钢材的性能，节省材料。

二、改进和创造新型的结构形式

在保证起重运输机工作性能的条件下，改进和不断创造新型的结构形式是最有效地减轻起重运输机金属结构自重的方法之一。例如汽车起重机动臂用周长相同的折线闭合断面或类椭圆截面代替传统的箱形截面（图1-18），使断面几何特性有所改善，因而提高了动臂的强度、刚度和稳定性，降低了动臂的自重。根据动臂的受力特点，采用梯形截面的动臂结构（图1-19），在减轻结构自重方面也有显著效果。铁路部门自行设计并制造的三角形断面桁架门式起重机金属结构，自重比相同参数的双梁箱形门式起重机金属结构轻15％～20％。港口小型门座起重机的动臂用矩形断面空腹管结构代替传统的桁架结构，使动臂自重下降20％。我国六机部第九设计院为马耳他设计并制造的起重量150t、幅度45m的门座起重机的金属结构全部采用薄壁箱形结构，在减轻整机自重方面取得了明显的效果。

三、改进制造工艺过程

广泛地采用焊接，特别是自动焊和改进工艺过程，应用冲压焊接钢板制造起重运输机金属结构，既能简化结构，节省材料，又能减少制造安装的劳动量，缩短工期，从而降低产品成本。采用焊接结构比铆接结构可以节省钢材30％以上，所以用焊接代替铆接结构被称为金属结构设计与制造方法的一大改革。目前生产的起重运输机金属结构绝大部分都是采用焊接连接。

应用冲压焊接钢板的金属结构，并用螺栓进行装配，可以省去许多复杂而繁重的组装工艺，防止装配变形，增加结构刚度，保证结构的制造质量。

四、尽量采用先进技术

目前，起重运输机金属结构的设计和制造工作虽然有了一整套可行的方法和工艺，但仍有许多问题有待进一步研究和改进。

在设计方面，如研究采用预应力的方法设计起重运输机金属结构，可改善结构的受力状态，节省钢材。利用有限元法（借助计算机）解算复杂的计算问题，能简化设计过程，加快设计进度且可探索断裂设计法在起重运输机金属结构中应用的可能性。起重运输机金属结构的优化设计，把设计工作的主要精力转到优化方案的选择方面来，使设计工作者由被动的校核设计转变为积极主动地从各种可能的设计方案中寻求最优的方案，最优方案可以用数字来表示，用数字来回答问题，优化设计是现代起重运输机金属结构设计的特色。

在制造方面，尽量采用标准化的冲压结构，应用最新的连接方法（高强度螺栓及胶合连接等）和装配式结构，选择更先进的工艺等，这些都能为改善起重机的工作性能、节省材料、提高生产率、降低成本提供有利的条件。

五、提高起重机的参数

近年来，除生产一些轻、小、简、廉的起重设备以满足各使用部门的需要外，为解决长大笨重货物（如冶炼设备、水坝闸门、化工设备、大型船舶、海洋平台安装、发电设备和机车等）的装卸，各国生产的起重机有向大吨位、大幅度（大跨度）、大高度、高速度方向发展的趋势，同时要求有灵活的控制系统，以适应对起重机调速的要求。

为适应海上石油开采的需要，2014年我国武汉桥梁重工集团股份有限公司设计和建造了22000t特大型门式起重机（图1-20）用于吊装海洋装备基地的海上石油平台下水。该起重机额定起重量22000t，起升高度轨上65m，轨下5m，起升速度0～0.2m/min，跨度124.3m，整机自重16520t。该机是目前世界上起重量最大的起重机。该起重机上装有一台1200t的附加起重机，可用于钻井平台桩腿和钻架等大型模块的安装。它的投入使用突破了传统海洋平台制造工艺的局限，带来现代海工产品设计制造工艺的变革，真正意义上实现了大型海工起重设备陆上高效建造的理念。

2002年英国生产了一台起重量1600t的桥式起重机。它由两台800t的小车构成，跨度28m。设计时采用高频调速、起升自动同步系统等新技术。

2001年我国太原重型机械集团公司为我国三峡电站设计制造了一台1200t独立小车的大吨位桥式起重机（图1-21），为安装发电机转子专用。

近年来国内外轮式起重机的大型化也发展很快。2002年德国Demag公司研制成功500t汽车起重机。总重只有83.8t，下车共7轴，单轴负荷小于12t，运行速度0～65km/h。为提高整机稳定性，下车支腿设计成X形。整机布置十分简洁，运行状态时上车（含吊臂）位于车体纵向内，大大提高了整机的行驶性能（图1-22）。

我国的徐州重工集团和三一重工集团相继研制成功1200t级的全路面起重机，各项性能达到国际先进水平。图1-23和图1-24分别是徐工和三一重工的产品。

六、起重运输机金属结构的标准化和系列化

起重运输机金属结构应设计成有一定规格尺寸的标准零件，便于加工和组装，并使整个结构系列化，做成定型产品。尽量利用标准工艺，这是简化设计和制造过程、缩短工期、进行批量生产的关键，也是降低产品成本的有效方法。

我国单、双梁桥式起重机，塔式起重机，轮式起重机及双梁门式起重机都有系列设计。有关部门正在研究其他类型起重机的定型和系列化问题。铁路系统也正在进行铁路常用起重机标准化和系列化的工作。

七、采用轻金属（铝合金）或高强度结构钢（合金钢）制造金属结构

用轻金属或高强度结构钢制造起重运输机结构是节省材料、减轻结构自重的有效途径。国外已试制过铝合金结构的桥式起重机、门式起重机和轮式起重机的臂架，自重减轻了30％～60％。德国制造的铝合金箱形单主梁桥式起重机，自重比相同参数的钢制双梁桥式起重机减轻70％，从而减轻了厂房结构和支承结构的载荷，降低了整个工业企业投资。我国铝矿资源丰富，用铝合金制造起重机金属结构具有广阔的前景。低合金高强度结构钢如Q345，已广泛用于制造各种起重机金属结构。大吨位轮式起重机的臂架材料，目前国内外广泛采用屈服极限为600～1000MPa的高强度结构钢。由于材质好、强度高，制造金属结构可达到体轻、坚固、耐用。