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碳纤维材料于起重机小车部分的应用设想

我国起重机制造技术与国际水平差距很大,国内的起重机轻量化领域还要很大的提升空间,起重小车就是一个典型例证,如QD型起重机的10t小车重量为3.424t,而欧式起重机的10t小车重量仅为770kg,还不到QD型小车质量的25%,由此可见,起重小车这一部件蕴藏着巨大的减重潜力。作为桥式起重机与门式起重机的主要部件,起重小车还对整机的工作性能和制造成本有着极其重要的影响,因此,该部件的减重也是起重机轻量化设计的关键所在。目前,对起重小车的研究主要集中在结构设计的轻量化方面,通过新材料减重的途径鲜有人尝试。下文就简单介绍一下碳纤维材料的性能及其在起重小车部分的应用设想。

作为新一代增强纤维材料,碳纤维具有许多优良性能,最显著的特征就是其“外柔内刚”,材质密度低、比性能高,质量比金属铝轻,但轴向强度和模量却高于钢铁,它与环氧树脂等基体结合形成的碳纤维复合材料比重不到钢的1/4,但抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7-9倍。凭借着高强度、低密度的性能优势,由碳纤维复合材料制作成的各种结构件已广泛应用于航空、汽车、轨道车辆等多个领域,轻量化效果受到了多个行业的肯定和欢迎。

当前我国生产的标准起重小车的小车架,均由2根端梁和多根横梁及许多小筋板焊接成一个刚性框架,上面铺以钢板。这种起重小车架不但质量大,成本高,结构复杂,焊接工艺性差,制造困难,而且轻载时容易三点着地,造成小车起制动车身扭摆,起吊物摆动,轮压不均,车轮啃轨,车轮磨损程度不一致等问题,还不易进行产品系列化和模块化设计。

而欧式起重机小车架通常设计成由一根横梁和两根端梁组成的H型三梁结构。横梁置于两端梁跨中,用螺栓及销轴将主、副起升机构分别固定于两侧,两纵梁端部做出轴孔与轴承座,用以安装小车主、被动车轮组;小车运行机构减速器横卧安装于纵梁内侧,小车架的横梁和纵梁可采用钢板冲压成“匚”型后再盖以一钢板焊成箱形,横梁一端用紧固螺栓与纵梁连接,另一纵梁铰接,允许它们之间有微小的相对转动。

在欧式起重机小车架H型三梁结构的基础上,设想以碳纤维复合材料为原材料,采用一体化成型方式制成上述“匚”型加盖的箱式结构,减少焊接的工序,只在需要固定或者需要转动的位置采用预埋等方式连接金属件,也用紧固螺栓和铰链等连接需要微转动的部位,这样是否能同时继承欧式起重小车架构造简单、结构紧凑和碳纤维复合材料制造方便、大幅度减轻自重的优点?

根据碳纤维复合材料在飞机、汽车、高铁等中的应用实例来看,如能将碳纤维复合材料应用于起重小车这样的结构部件中,其减重效果绝不会令人失望。无锡威盛新材料科技有限公司拥有将碳纤维复合材料应用于高铁结构件、新能源汽车锂电池箱体、汽车吸能盒等多个成功案例,该公司一直以推进碳纤维制品的市场应用为己任,“我们期望能将碳纤维复合材料应用于更多的领域,最大可能地发挥出碳纤维材料的轻量化作用”,他们自己也说,“成型工艺和制造技术方面的障碍也许是巨大的,但是只要设想有实践的价值,一切努力都值得我们付出。”对起重机制造来说,起重机金属结构约占整机成本的1/3,占整机重量的40%-70%,大型起重机可达90%以上,由于其为移动式机械,减轻自重,就等于直接减轻整个机械的负荷,减少能耗。如果能将碳纤维复合材料成功应用于起重小车的设想有实践意义的话,也许国产起重机的大幅度减重目标也不会遥不可及了。

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