关于EN 13001-3-5起重机 - 总体设计 - 第 3-5 部分：极限状态和锻造和铸造吊钩能力的证明

该标准是EN 13001系列中专门针对起重机用锻造和铸造吊钩进行设计和验证的部分。它为吊钩制造商和起重机设计师提供了基于极限状态法的工程规范，以确保吊钩在各种工况下的安全性。

1. 标准概述

标准名称： EN :2016+A1:2021 - 起重机 - 总体设计 - 第 3-5 部分：极限状态和锻造和铸造吊钩能力的证明

目的： 规定起重机用锻造和铸造吊钩的机械能力验证方法，防止其发生塑性变形、断裂或疲劳破坏。

适用范围： 适用于单钩和双钩，包括主钩和副钩，其材料为锻钢或铸钢。标准涵盖了从小型到非常大型的吊钩。

版本说明： A1:2021是2016版本的修订版，包含了技术性的修正和澄清，在使用时应以最新版本为准。

2. 核心原则与极限状态

该标准同样基于极限状态设计 原则，定义了三种需要验证的主要极限状态：

承载能力极限状态 (ULS - Ultimate Limit State):

关注点： 防止吊钩在最大测试载荷或意外极端载荷下发生塑性坍塌或断裂。

验证内容： 吊钩危险截面上的最大应力（通常是弯曲应力）不得超过材料的屈服强度，并留有安全系数。

疲劳极限状态 (FLS - Fatigue Limit State):

关注点： 防止吊钩在重复工作载荷下发生疲劳裂纹萌生和扩展。

验证内容： 根据载荷谱计算出的累积疲劳损伤不得超过允许值。这确保了吊钩在设计寿命内的抗疲劳性能。

使用性极限状态 (SLS - Serviceability Limit State):

关注点： 限制吊钩在正常工作载荷下的开口变形（钩口张开）。

验证内容： 在额定起重量作用下，吊钩钩口的塑性变形量必须被限制在一个非常小的范围内，以确保其能正常使用（例如，防止吊具脱钩或卡住）。

3. 关键计算与验证方法

标准对吊钩的验证提出了详细的要求，其核心是应力计算和比较。

3.1 应力分析

吊钩是一个形状复杂的受力体，标准要求对其多个危险截面进行应力分析，主要包括：

钩杆截面（螺纹区域）

钩身截面（A-A截面）

钩尖区域

应力计算通常采用弹性理论方法，将吊钩简化为一个曲梁模型，计算截面上的：

弯曲应力

拉伸/压缩应力

剪切应力

然后将这些应力组合成等效应力（如冯·米塞斯应力），用于后续的验证。

3.2 验证流程

确定载荷：

根据EN 13001-2，确定作用于吊钩的载荷，包括起升载荷、自重、动载系数（φ）、以及用于ULS和FLS验证的不同载荷组合及分项安全系数（γ）。

承载能力极限状态 (ULS) 验证：

γ_m：材料分项安全系数，取决于材料特性的不确定性。

γ_c：制造工艺系数，用于考虑锻造或铸造工艺可能带来的缺陷风险（通常铸造的 γ_c 高于锻造的）。

计算应力： 使用ULS的载荷组合（通常对应测试载荷）计算吊钩危险截面的最大等效应力 σ_max。

许用应力： 许用应力为吊钩材料的屈服强度 R_e（或上屈服强度 R_eH）除以材料的分项安全系数 γ_m 和特定的ULS系数。

验证公式：
σ_max ≤ R_e / (γ_m * γ_c)

疲劳极限状态 (FLS) 验证：

载荷谱： 根据起重机的使用等级和载荷状态，确定吊钩的载荷谱。

应力范围： 计算在不同载荷水平下的应力范围。

累积损伤： 使用Palmgren-Miner线性累积损伤法则，结合材料的S-N曲线（应力-寿命曲线），计算总的疲劳损伤度 D。

验证公式：
D ≤ 1.0
即总的累积损伤不能超过1。标准还规定了用于疲劳验证的许用应力范围。

使用性极限状态 (SLS) 验证：

验证内容： 在额定起重量作用下，吊钩钩口的残余变形（即卸载后不能恢复的塑性变形）必须足够小。

验证方法： 通常通过分析计算或原型测试来证明。标准可能要求钩口的yongjiu张开量不超过某一极限值（如钩口初始宽度的0.5%）。

4. 材料与制造要求

标准对吊钩材料有严格规定：

锻造吊钩： 通常使用优质合金钢，具有良好的韧性和强度。

铸造吊钩： 通常使用高强度铸钢，并对内部质量（如缩孔、疏松）有更高要求，这反映在更高的制造工艺系数 γ_c 上。

材料必须提供详细的力学性能证书，并满足冲击功等韧性要求。

5. 测试与证明

标准特别强调了原型测试作为最终验证的重要手段：

强度测试 (ULS验证)： 吊钩原型必须能承受不低于1.5倍额定起重量的测试载荷而无yongjiu变形或裂纹（对于锻造吊钩，测试载荷可能更高）。这直接对应于ULS验证。

开口变形测试 (SLS验证)： 在额定载荷下测量钩口宽度，卸载后检查残余变形。

通过分析和/或测试，制造商可以出具“符合性证明”，表明其吊钩设计完全满足EN 的要求。

6. 重要性

EN :2016+A1:2021 的重要性在于：

极高的安全性： 吊钩是起重机的关键承重部件，其失效后果极其严重。该标准通过多极限状态验证，为其提供了最gaoji别的安全保障。

科学的评估方法： 它超越了传统的单一安全系数法，通过区分静态强度、疲劳寿命和使用性能，提供了更jingque、更科学的设计依据。

覆盖全生命周期： 不仅防止一次性破坏，也防止长期使用下的疲劳破坏，确保整个设计寿命内的安全。

统一行业标准： 为欧洲市场内的吊钩设计、制造和验收提供了统一、的技术依据。

总结

EN :2016+A1:2021 是起重机吊钩设计的核心标准。它要求对吊钩进行静态强度 (ULS)、疲劳寿命 (FLS) 和使用变形 (SLS) 三个方面的全面验证。通过结合理论计算（基于曲梁模型和载荷谱）和物理测试（原型测试），该标准确保了吊钩在从日常操作到极端测试的所有工况下都具备足够的安全性和可靠性。

注意： 此标准必须与EN 13001-1（通用原则）和EN 13001-2（载荷计算）结合使用。实际应用需要深厚的力学背景和工程经验。