第三章 起重机计算载荷与许用应力

起重机械与吊装第三章起重机计算载荷与许用应力

第一节载荷的分类

作用在起重机上的外载荷有起升载荷、起重机自重载荷、不稳定运动时的动载荷、风载荷、坡度载荷、通过不平的轨道接头时的冲击载荷、车轮侧向载荷、碰撞载荷、安装和运输载荷以及某些工艺性载荷等。

由于起重机的外载荷种类很多而且变化不定，因此进行设计计算时，只能选择与起重机零部件或结构破坏形式有关的、具有典型性的载荷作为依据，这种载荷通常称为计算载荷。在起重机设计计算方法中，对于起重机的零部件或结构进行以下三类计算。①疲劳、磨损或发热的计算。②强度计算。③强度验算。与这三类计算相适应，起重机的计算载荷有下列三种组合。一、I类载荷(正常工作情况下的工作载荷)

又称寿命计算载荷。这是用来计算零部件疲劳、磨损和发热的一种计算载荷。它所要考虑的是起重机在正常工作情况下产生的载荷。这种载荷，不仅要计及载荷大小，还要计及其作用时间。一般针对应力反复作用次数超过一定值(一般大于l05)的零部件，需要进行疲劳强度计算(见表3—1)。工作状态零件名称工作类型每旋转一周完成一次应力循环的零件齿轮、链轮、蜗轮、车轮、转动的心轴、主要承受弯曲载荷的转轴轻级(n>5r／min)、中级、重级、特重级机构每开动一次完成一次应力循环的零件运行、旋转机构中主要承受扭转载荷的转轴及联轴器中级、重级、特重级起重机每个工作循环应完成一次应力循环的零件吊钩及其他吊具、固定的心轴、起升机构中主要承受扭转载荷的转轴重级、特重级表3-1需要进行疲劳强度计算的零件二、Ⅱ类载荷(工作状态下的最大载荷组合)

又称强度计算载荷。这是用来计算零部件或金属结构的强度、稳定性以及起重机整体稳定性及轮压的计算载荷。它所要考虑的是起重机在正常工作条件下最不利的载荷组合，如满载、上坡、迎风时起重机起动的载荷组合。一般说来，对起重机的所有受力零部件都要用Ⅱ类载荷进行强度计算。三、Ⅲ类载荷(非工作状态下的最大载荷)

又称验算载荷。这是指起重机处于非工作状态下可能出现的最大载荷(如暴风载荷、船上起重机由于波浪引起的船舶颠簸载荷等)，或工作时发生的事故载荷(如起重机全速碰撞产生的载荷)。这种载荷用来验算起重机的固定设备(如夹轨器)、变幅机构、支承旋转装置的某些零件和金属结构的强度以及起重机不工作时的整体稳定性。产生这类载荷时起重机是不工作的，或虽在工作但出现的机会极少，因此，按此类载荷验算静强度时，可取较小的安全系数。第二节载荷的计算

本节介绍几种常见载荷的计算方法。一、起升载荷起并载荷包括起升物品的重量和随物品升降的取物装置或机构的重量，即

Q起=Q+Q0(3—1)

式中Q起——起重载荷；

Q一起升物品的重量；

Q0——随物品升降的取物装置或机构的重量。Q0中包括大起升高度(H>50m)起重机的钢丝绳重量以及某些冶金起重机中和物品一同升降的取物装置或机构的重量。二、起重机自重载荷

自重包括机械、金属结构及电气设备等组成部分的重量。自重的分配根据结构情况而定。机械及电气设备重量一般可看成是集中载荷，桁架自重可假定分布在相应的结点上，箱形结构可看成是连续分布的。三、动载荷

动载荷是起重机机构运动状态改变时(如起动或制动)产生的振动载荷和惯性载荷的总称。不同的机构、结构、工作环境、工作情况，得到的动载荷也不相同。（一）、机构传动零部件的最大动载荷（二）、金属机构及某些承载零部件的最大动载荷（三）、起重运输及吊装工艺设计中的计算载荷（一）、机构传动零部件的最大动载荷对电动起重机，传动零部件的最大动载荷可按下式确定，即

Mmax=ψIIM零额

(3—2)式中Mmax——所计算的零部件传递的最大力矩；

M零额——电动机额定力矩换算到所计算零部件上的力矩；

ψII——第Ⅱ类载荷的动力系数。对轻、中级机构的M零额应按JC=25％时的电动机额定力矩计算；对重级、特重级机构的M零额应按JC=40％时的电动机额定力矩计算；初步计算时，动力系数ψII可按表3—2选取。表3-2传动零部件的动力系数ψII值／m.min-1零件名称机构名称起升机构按主起升速度分运行机构按运行速度分旋转机构按臂架端点切向速度分<78～1516～40>40<lO20～50>5050～100>100～200>200～350>350低速轴零件1.101.201.301.501.502.002.501.501.852.202.60减速器高速轴1.301.401.501.602.20其余高速轴2．OO2．OO(二)金属结构及其他承载零部件的最大动载荷金属结构和其他承载零部件(如吊耳等)承受物品重力及风载荷等的直接作用。这些构件的最大载荷，要根据工作中可能出现的最不利的外载荷组合进行计算。这些载荷中最重要的是包括额定起重量在内的起升机构工作时引起物品动载荷、风载荷以及运行、变幅和旋转机构起、制动时产生的惯性载荷。其动力系数按图3—1、图3-2查得。图3—1门座起重机金属结构及其他承载构件的动力系数

1一抓斗起重机；2一吊钩起重机图3—2桥式类型起重机的动力系数

1一抓斗起重机；2一吊钩起重机(三)起重运输及吊装工艺设计中的计算载荷

在设备的起重运输及吊装工艺设计中采用的计算载荷，包括动载荷与受力不均衡载荷两种。设计计算中常利用动载系数(动力系数)K1、不均衡系数K2乘以静载荷，来近似地代替设备或起重机具在冲击振动情况下的动载荷与不均衡对称工作情况下的不均衡载荷。

1．计算动载荷在设备的起吊、牵引、运输过程中，因机械传动和操作人员的突然起动或刹车，均能增大设备本身及起重机索具所承受的载荷。因此，在选择或验算起重机索具强度以及设备本体强度时，应将设备自重以及根据吊装工艺设计中由静力平衡原理计算出的各机索具的受力，乘以动载系数K1作为吊装工艺设计中该机索具所承受的计算动载荷。视工作情况而定的动载系数K1见表3—3。表3-3视工作情况而定的动载系数K1驱动方式及运行条件手动机动轻级中级重级动载系数K11．OO1.101.301.50

此外，设备在运输过程中，因道路不平引起运输车辆振动，使设备本身静自重增大。因此在验算设备强度时，应将其自重乘以动载系数K1，作为运输工艺设计中的计算自重。设备运输时的动载系数K1见表3-4。表3-4设备运输时的动载系数K1

设备运输方式K1

设备运输方式K1

用小胶皮轮车人力曳运时用胶皮轮大车马拉曳运时1.21.25

用载重汽车载运时用火车载运时1.31.22.计算不均衡载荷

当利用人字桅杆、双分支、四分支吊索或双桅杆起吊设备时，因现场具体条件的不同，往往存在着下述各种受力不平衡因素。

(1)由于桅杆制作或组合的不完全对称，受力后引起分支单桅杆的受力不均衡。

(2)由地质变化而产生的桅杆不均匀沉陷，引起各分支吊索的受力不均衡。

(3)由于各分支绑固的吊索长短、松紧不完全相同，因而引起各分支吊索的受力不均衡。

(4)当用多台卷扬机起吊设备时，因卷扬机卷筒直径、转速等不一样，卷扬机操作人员起动、停车不一致，动作不协调，均能引起各套牵引装置和制动装置的受力不均衡。因此；在选择和验算各起重吊索具时，应将吊装工艺设计计算中由静力平衡原理计算出的各起重吊索具受力，乘以不均衡系数K2。一般K2＝1.2。3．综合计算载荷

综上所述，在设备起吊、运输或牵引过程中，可能同时承受冲击振动影响与不均衡载荷影响的各起重吊索具，在选择和验算强度时，应将设备起重运输和吊装时以静力平衡原理算出的各起重吊索具的受力，连乘以动载系数K1和不均衡系数K2，作为吊索具或设备所承受的综合计算载荷。要求综合计算的载荷等于或小于该设备或该起重吊索具的容许最大使用应力或安全承载力。四、风载荷

(一)风载荷的计算公式露天工作的起重机应按下式计算风载荷P风(N)，即、

P风一∑CKhqA(3—3)式中C——风力系数(风载体型系数)，见表3-5；

Kh——风力高度变化系数，见表3-6；

q——计算风压值，N／m2，第I、Ⅱ、Ⅲ类计算载荷的风压值分别记为qⅠ、qⅡ、qⅢ，见表3—7；

A——起重机结构或物品垂直于风向的迎风面积，m2。

(二)风力系数C的确定风载体型系数与挡风结构物的表面形状有关，可近似地按表3-5选取。离地(海)面高度／m102030405060708090100110120130140150200陆上(h/10)0.31．001.231.391.511.621.711.791.861.931.992．052.112.162.202.252.45海上及海岛(h/10)0.21．001.151.251.321.381.431.471.521.551.581.611.641.671.691.721.82表3-6风力高度变化系数Kh值表3-5单片结构的风力系数C结构形式C型钢制成的平面桁架(充实率≠一0.3～o．6)1.6型钢、钢板、型钢梁、钢板梁和箱形截面构件L／h51.3101.4201.6301.7401.8501.9圆管及管结构Qd2<11.31<31.271.0100.9>130.7封闭的司机室、机器房、对重、钢丝绳及物品等1.1～1.2(三)标准风压值q的确定

1．第Ⅱ类载荷的风压值qⅡ9Ⅱ值按相当天地空旷地区10m高处的6级(对沿海地区)或5级(对内陆地区)的瞬时风压值计算，但计算时不考虑风振系数。

2．第Ⅲ类载荷的风压值qⅢ9Ⅲ值按10m高处30年一遇的最大的10min平均风压值确定。起重机标准风压值见表3—7。地区工作状态计算风压非工作状态计算风压风速／m/SqIqⅡqⅢ内陆15.50.6qⅡ150500～600沿海20250600～1000台湾省及南海诸岛202501500表3-7起重机标准风压值(GB3811—83)／N·m一2(四)迎风面积A的计算

1．起重机迎风面积的计算起重机结构或物品的迎风面积按起重机组成部分或物品的净面积在垂直于风向平面的投影来计算，即

A一ΦA轮

(3-4)式中A轮——起重机组成部分的轮廓面积在垂直于风向平面上的投影，m2；

Φ——起重机金属结构或机构的充满系数，即结构或机构的净面积与其轮廓面积之比。

常用结构形式的Φ值如下。①由型钢或钢板制成的桁架或空腹结构：Φ=0.2～0.6。②管子桁架结构(无斜杆的桁架取小值)：Φ=0.2～0.4。③实体板结构：Φ=1④机构：Φ=0.8～1.0。

当两个或两个以上的结构并列，其迎风面积相互重叠时(见图3-3)，第二个和第二个以后的被前面遮挡的迎风面积减小，减小的程度用折减系数η表示(见表3-8)。Φ0.10.20.30.40.50.6间隔比b／h10.840.700.570.400.250.1520.870.750.620.490.330.2030.900.780.640.530.400.2840.920.810.650.560.440.3450.940.830.670.580.500.4160.960.850.680.600.540.46

表3-9箱形截面构件挡风折减系数η

表3-8桁架结构挡风折减系数ηB/H≤456η00.10.3如图3-3所示，两片重叠的桁架，当风向垂直于桁架面时，总挡风面积为

A∑=Φ1A1+ηΦ2A2(3—5)式中A1——第一片桁架的轮廓面积；

A2——第二片桁架的轮廓面积；

Φ1——第一片桁架的充满系数；

Φ2——第二片桁架的充满系数；

η折减系数，根据比值b／h由表3—8、表3-9查得(h为桁架高度，b为两片桁架间的垂直距离)。两个箱形梁重叠时也可按上式计算，但间距b应是两箱形梁内侧的间距(见图3—3(b))。a)桁架(b)平行的箱形梁图3—3两个挡风面重叠时的挡风面积计算简图2．起重机小车和物品的迎风面积起重机小车和物品的迎风面积按它们实际的轮廓尺寸决定。物品的迎风面积可参考表3-10，根据物品质量近似地估计。物品质量／t12356.381012.515162025303240迎风面积／m212356781012151822物品质量／t50637580100125150160200250280300320400迎风面积／m22528303540455565707580第三节强度计算与安全系数

起重机的零件和金属结构应按工作状态下的最大载荷进行强度计算。强度计算按下列公式进行。对塑性材料(钢、铝合金等)为σ≤[σ]＝σs/n(3—6)

对脆性材料(铸铁、青铜等)为σ≤[σ]＝σb/n’(3—7)

式中σ——零件危险截面的最大应力，求盯值时须考虑动载的作用，但不考虑应力集中；

(σs——材料的屈服限；

σb——材料的强度限；

n——塑性材料的安全系数，按第工类载荷计算时为nI，按第Ⅱ类载荷计算时为nⅡ，按第Ⅲ类载荷计算时为nⅢ，按特殊载荷计算时为n0，见表3—11；

N