低合金高强度结构钢在桥式起重机的应用

茹信涛

关键字：桥式起重机  低合金高强度结构钢

摘要：随着炼钢技术的不断发展，低合金高强度钢应运而生，低合金高强度钢是一种具有较高强度和硬度的钢材，已广泛用于制造汽车、建筑结构等领域。优点在于可以减少材料用量，提高产品的强度和耐用性，从而降低生产成本。本文讨论低合金高强度钢在桥式起重机的应用。

按照国标GB/T1591-1994《低合金高强度结构钢》标准，通用为Q295,Q355,Q390,Q420,Q460。用于起重机结构的材料除Q235外，选择Q355。比较少使用到 Q295,Q390,Q420,Q460甚至以上更强力学性能的钢材。

设计考虑因素：

1. 计算：

1.1刚度计算

垂直静刚度fV:

 

1.2水平刚度fH

 

刚度与物体材料性质、几何形状、边界情况以及外力作用形式有关。材料的弹性模量和剪切模量（见材料的力学性能）越大，则刚度越大。

1.2强度计算

 

刚度与强度的计算公式推演而出，与刚度有关的参数是材料的弹性模量，结构截面在X方向与Y方向的惯性矩，结构截面在X方向与Y方向的截面系数，结构截面X方向的面矩参数相关。

2. 原材料/制作工艺/焊接与加工

碳素结构钢市场产量大，成本低，具有一定的力学性能，一般在热轧状态下供应，使用于一般结构钢和工程用热轧钢板，不需热处理的一般机械零件和普通焊接件，是一种用途非常广泛的工程材料。

低合金结构钢合金含量较少，强度较高，具有良好的耐磨，耐蚀，耐低温性能，加工和焊接工艺较好，生产成本与碳素结构钢相近。低合金钢焊接具有热裂纹，冷裂纹，淬硬倾向及氢致裂纹敏感性强等特点，随着碳当量的增加，钢的塑性急剧下降，并且在高应力作用下，产生焊接裂纹的倾向也大大增加，焊接时有明显的淬硬倾向。

3. 理论计算

案例：1）额定起重量5t，小车额定轮压18Kn，跨度10.5m，20.5m，31.5m ,运行轨道统一为50mm*30mm方钢；2）额定起重量50t，小车额定工作轮压155Kn，跨度10.5m，20.5m，31.5m，运行轨道统一为75mm*50mm方钢；以上的主梁截面对应的垂直静刚度，合成应力，疲劳，动刚度进行对比：

1)起重量5t：S=10.5m 梁的截面尺寸-6**6*-6*-6*300*450

项目板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值S/800)13.13mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	122	10.62	3.67
Q355-B	240	122	10.62	3.67
Q420-B	283	122	10.62	3.67

2)起重量5t：S=20.5m 梁的截面尺寸-6**6*-6*-6*400*750

项目 板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值为S/800)25.63mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	108.51	22.30	2.52
Q355-B	240	108.51	22.30	2.52
Q420-B	283	108.51	22.30	2.52

3)起重量5t：S=31.5m梁的截面尺寸 -6*-8*-6*-6*500*1250

项目 板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值为S/800)39.38mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	59.87	20.18	2.33
Q355-B	240	59.87	20.18	2.33
Q420-B	283	59.87	20.18	2.33

4)起重量50t：S=10.5m 梁的截面尺寸-8*-10*-8*-6*510*950

项目 板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值为S/800)13.13mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	114.94	7.58	5.10
Q355-B	240	114.94	7.58	5.10
Q420-B	283	114.94	7.58	5.10

5)起重量50t：S=20.5m梁的截面尺寸-10*-12*-8*-8*610*1550

项目 板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值为S/800)25.63mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	98.27	13.24	3.57
Q355-B	240	98.27	13.24	3.57
Q420-B	283	98.27	13.24	3.57

6)起重量50t：S=31.5m 梁的截面尺寸-14*-18*-8*-8*610*1950

项目 板材	允许合成应力[σ]MPA	合成应力MPA	垂直静刚度(允许值为S/800)39.38mm	动刚度(≥2Hz)
Q235-B	158	92.59	23.07	2.58
Q355-B	240	92.59	23.07	2.58
Q420-B	283	92.59	23.07	2.58

  7）疲劳计算中与起重设备的工作级别或者同一个工作级别中采用结构连接的应力集中情况等级和构件接头型式有关；

      

  8）普通碳素钢与高强度钢的选取与设备使用的温度也有直接的关系，对应钢材、钢材冲击功、冲击韧性的对应温度表可得，低合金高强度结构钢在低温的表现比普通碳钢要强。

钢材的质量组别	冲击功Akv/J	冲击韧性的试验温度T/℃	钢材牌号	国家标准
1	/	/	Q235-A	GB/T700
			Q355-A ,Q390-A	GB/T1591
2	≥27	+20	Q235-B	GB/T700
	≥34		Q355-B ,Q390-B	GB/T1591
3	≥27	0	Q235-C	GB/T700
	≥34		Q355-C, Q390-C Q420-C, Q460-C	GB/T1591
4	≥27	-20	Q235-D	GB/T700
	≥34		Q355-D, Q390-D Q420-D, Q460-D	GB/T1591

4. 结论

起重机钢结构的选择涉及的因数比较多，含垂直静刚度、合成应力、动刚度、疲劳、特殊要求下还设计温度。据以上的论述：低合金高强度结构钢在选择的时候小跨度的计算值较为优势明显，随着跨度的增加，优势逐渐减少，同时综合考虑制作的统一性，材料的采购，焊接工艺等原因，起重设备使用钢材为普通碳素钢已满足需求，Q390或以上的低合金高强度结构钢优势并不明显。

参考文献：

1. 《起重机设计规范》 GB/T 3811-2008
2. 《机械装备金属结构设计》第三版 太原科技大学 徐格宁
3. 《机械设计手册》 第1卷 《机械工程材料》
4. 《起重机设计手册》 中国铁道出版社