第三章 起重機(jī)計(jì)算載荷與許用應(yīng)力

1、 作用在起重機(jī)上的外載荷有起升載荷、起重機(jī)自重載荷、不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷、風(fēng)載荷、坡度載荷、通過(guò)不平的軌道接頭時(shí)的沖擊載荷、車(chē)輪側(cè)向載荷、碰撞載荷、安裝和運(yùn)輸載荷以及某些工藝性載荷等。 由于起重機(jī)的外載荷種類(lèi)很多而且變化不定，因此進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，只能選擇與起重機(jī)零部件或結(jié)構(gòu)破壞形式有關(guān)的、具有典型性的載荷作為依據(jù)，這種載荷通常稱(chēng)為計(jì)算載荷。 在起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法中，對(duì)于起重機(jī)的零部件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下三類(lèi)計(jì)算。 疲勞、磨損或發(fā)熱的計(jì)算。疲勞、磨損或發(fā)熱的計(jì)算。 強(qiáng)度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算。 強(qiáng)度驗(yàn)算。強(qiáng)度驗(yàn)算。 與這三類(lèi)計(jì)算相適應(yīng)，起重機(jī)的計(jì)算載荷有下列三種組合。一、一、I I類(lèi)載荷類(lèi)載荷( (正常工作情

2、況下的工作載荷正常工作情況下的工作載荷) ) 又稱(chēng)壽命計(jì)算載荷。這是用來(lái)計(jì)算零部件疲勞、磨損和發(fā)熱的一種計(jì)算載荷。它所要考慮的是起重機(jī)在正常工作情況下產(chǎn)生的載荷。這種載荷，不僅要計(jì)及載荷大小，還要計(jì)及其作用時(shí)間。一般針對(duì)應(yīng)力反復(fù)作用次數(shù)超過(guò)一定值(一般大于l05)的零部件，需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算(見(jiàn)表31)。工作狀態(tài)零件名稱(chēng)工作類(lèi)型每旋轉(zhuǎn)一周完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件齒輪、鏈輪、蝸輪、車(chē)輪、轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸、主要承受彎曲載荷的轉(zhuǎn)軸輕級(jí)(n5rmin)、中級(jí)、重級(jí)、特重級(jí)機(jī)構(gòu)每開(kāi)動(dòng)一次完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件運(yùn)行、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷的轉(zhuǎn)軸及聯(lián)軸器中級(jí)、重級(jí)、特重級(jí)起重機(jī)每個(gè)工作循環(huán)應(yīng)完成一次應(yīng)力循環(huán)的

3、零件吊鉤及其他吊具、固定的心軸、起升機(jī)構(gòu)中主要承受扭轉(zhuǎn)載荷的轉(zhuǎn)軸重級(jí)、特重級(jí)表3-1 需要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算的零件 二、二、類(lèi)載荷類(lèi)載荷( (工作狀態(tài)下的最大載荷組合工作狀態(tài)下的最大載荷組合) ) 又稱(chēng)強(qiáng)度計(jì)算載荷。這是用來(lái)計(jì)算零部件或金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及起重機(jī)整體穩(wěn)定性及輪壓的計(jì)算載荷。它所要考慮的是起重機(jī)在正常工作條件下最不利的載荷組合，如滿載、上坡、迎風(fēng)時(shí)起重機(jī)起動(dòng)的載荷組合。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)起重機(jī)的所有受力零部件都要用類(lèi)載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。三、三、類(lèi)載荷類(lèi)載荷( (非工作狀態(tài)下的最大載荷非工作狀態(tài)下的最大載荷) ) 又稱(chēng)驗(yàn)算載荷。這是指起重機(jī)處于非工作狀態(tài)下可能出現(xiàn)的最大載荷(如暴風(fēng)載荷

4、、船上起重機(jī)由于波浪引起的船舶顛簸載荷等)，或工作時(shí)發(fā)生的事故載荷(如起重機(jī)全速碰撞產(chǎn)生的載荷)。這種載荷用來(lái)驗(yàn)算起重機(jī)的固定設(shè)備(如夾軌器)、變幅機(jī)構(gòu)、支承旋轉(zhuǎn)裝置的某些零件和金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及起重機(jī)不工作時(shí)的整體穩(wěn)定性。 產(chǎn)生這類(lèi)載荷時(shí)起重機(jī)是不工作的，或雖在工作但出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，因此，按此類(lèi)載荷驗(yàn)算靜強(qiáng)度時(shí)，可取較小的安全系數(shù)。 自重包括機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)備等組成部分的重量。自重的分配根據(jù)結(jié)構(gòu)情況而定。機(jī)械及電氣設(shè)備重量一般可看成是集中載荷，桁架自重可假定分布在相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)上，箱形結(jié)構(gòu)可看成是連續(xù)分布的。 動(dòng)載荷是起重機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)(如起動(dòng)或制動(dòng))產(chǎn)生的振動(dòng)載荷和慣性載荷的總稱(chēng)。

5、不同的機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境、工作情況，得到的動(dòng)載荷也不相同。（一）、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)零部件的最大動(dòng)載荷（二）、金屬機(jī)構(gòu)及某些承載零部件的最大動(dòng)載荷（三）、起重運(yùn)輸及吊裝工藝設(shè)計(jì)中的計(jì)算載荷對(duì)電動(dòng)起重機(jī)，傳動(dòng)零部件的最大動(dòng)載荷可按下式確定，即 Mmax=IIM零額 (32)式中Mmax所計(jì)算的零部件傳遞的最大力矩； M零額電動(dòng)機(jī)額定力矩?fù)Q算到所計(jì)算零部件上的力矩； II第類(lèi)載荷的動(dòng)力系數(shù)。 對(duì)輕、中級(jí)機(jī)構(gòu)的M零額應(yīng)按JC=25時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定力矩計(jì)算；對(duì)重級(jí)、特重級(jí)機(jī)構(gòu)的M零額應(yīng)按JC=40時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定力矩計(jì)算；初步計(jì)算時(shí)，動(dòng)力系數(shù)II可按表32選取。 表3-2傳動(dòng)零部件的動(dòng)力系數(shù)II值 m.min-1

6、零件名稱(chēng)機(jī)構(gòu)名稱(chēng)起升機(jī)構(gòu)按主起升速度分運(yùn)行機(jī)構(gòu)按運(yùn)行速度分旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按臂架端點(diǎn)切向速度分405050100100200200350350低速軸零件1.101.201.301.501.502.002.501.501.852.202.60減速器高速軸1.301.401.501.602.20其余高速軸2OO2OO 金屬結(jié)構(gòu)和其他承載零部件(如吊耳等)承受物品重力及風(fēng)載荷等的直接作用。這些構(gòu)件的最大載荷，要根據(jù)工作中可能出現(xiàn)的最不利的外載荷組合進(jìn)行計(jì)算。這些載荷中最重要的是包括額定起重量在內(nèi)的起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)引起物品動(dòng)載荷、風(fēng)載荷以及運(yùn)行、變幅和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷。其動(dòng)力系數(shù)按圖31、圖3-

7、2查得。圖31 門(mén)座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)及其他承載構(gòu)件的動(dòng)力系數(shù) 1一抓斗起重機(jī)；2一吊鉤起重機(jī)圖32橋式類(lèi)型起重機(jī)的動(dòng)力系數(shù) 1一抓斗起重機(jī)；2一吊鉤起重機(jī) 在設(shè)備的起重運(yùn)輸及吊裝工藝設(shè)計(jì)中采用的計(jì)算載荷，包括動(dòng)載荷與受力不均衡載荷兩種。設(shè)計(jì)計(jì)算中常利用動(dòng)載系數(shù)(動(dòng)力系數(shù))K1、不均衡系數(shù)K2乘以靜載荷，來(lái)近似地代替設(shè)備或起重機(jī)具在沖擊振動(dòng)情況下的動(dòng)載荷與不均衡對(duì)稱(chēng)工作情況下的不均衡載荷。 1計(jì)算動(dòng)載荷 在設(shè)備的起吊、牽引、運(yùn)輸過(guò)程中，因機(jī)械傳動(dòng)和操作人員的突然起動(dòng)或剎車(chē)，均能增大設(shè)備本身及起重機(jī)索具所承受的載荷。 因此，在選擇或驗(yàn)算起重機(jī)索具強(qiáng)度以及設(shè)備本體強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)將設(shè)備自重以及根據(jù)吊裝工藝設(shè)

8、計(jì)中由靜力平衡原理計(jì)算出的各機(jī)索具的受力，乘以動(dòng)載系數(shù)K1作為吊裝工藝設(shè)計(jì)中該機(jī)索具所承受的計(jì)算動(dòng)載荷。 視工作情況而定的動(dòng)載系數(shù)K1見(jiàn)表33。表3-3 視工作情況而定的動(dòng)載系數(shù)K1驅(qū)動(dòng)方式及運(yùn)行條件手動(dòng)機(jī) 動(dòng)輕級(jí)中級(jí)重級(jí)動(dòng)載系數(shù)K11OO1.101.301.50 此外，設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中，因道路不平引起運(yùn)輸車(chē)輛振動(dòng)，使設(shè)備本身靜自重增大。因此在驗(yàn)算設(shè)備強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)將其自重乘以動(dòng)載系數(shù)K1，作為運(yùn)輸工藝設(shè)計(jì)中的計(jì)算自重。 設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的動(dòng)載系數(shù)K1見(jiàn)表3-4。表3-4設(shè)備運(yùn)輸時(shí)的動(dòng)載系數(shù)K1 設(shè)備運(yùn)輸方式 K1 設(shè)備運(yùn)輸方式 K1 用小膠皮輪車(chē)人力曳運(yùn)時(shí) 用膠皮輪大車(chē)馬拉曳運(yùn)時(shí) 1.2 1.25 用

9、載重汽車(chē)載運(yùn)時(shí) 用火車(chē)載運(yùn)時(shí) 1.3 1.2 當(dāng)利用人字桅桿、雙分支、四分支吊索或雙桅桿起吊設(shè)備時(shí)，因現(xiàn)場(chǎng)具體條件的不同，往往存在著下述各種受力不平衡因素。 (1)由于桅桿制作或組合的不完全對(duì)稱(chēng)，受力后引起分支單桅桿的受力不均衡。 (2)由地質(zhì)變化而產(chǎn)生的桅桿不均勻沉陷，引起各分支吊索的受力不均衡。 (3)由于各分支綁固的吊索長(zhǎng)短、松緊不完全相同，因而引起各分支吊索的受力不均衡。 (4)當(dāng)用多臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)起吊設(shè)備時(shí)，因卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒直徑、轉(zhuǎn)速等不一樣，卷?yè)P(yáng)機(jī)操作人員起動(dòng)、停車(chē)不一致，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，均能引起各套牽引裝置和制動(dòng)裝置的受力不均衡。 因此；在選擇和驗(yàn)算各起重吊索具時(shí)，應(yīng)將吊裝工藝設(shè)計(jì)計(jì)算中由靜力

10、平衡原理計(jì)算出的各起重吊索具受力，乘以不均衡系數(shù)K2。一般K21.2。 綜上所述，在設(shè)備起吊、運(yùn)輸或牽引過(guò)程中，可能同時(shí)承受沖擊振動(dòng)影響與不均衡載荷影響的各起重吊索具，在選擇和驗(yàn)算強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)將設(shè)備起重運(yùn)輸和吊裝時(shí)以靜力平衡原理算出的各起重吊索具的受力，連乘以動(dòng)載系數(shù)K1和不均衡系數(shù)K2，作為吊索具或設(shè)備所承受的綜合計(jì)算載荷。 要求綜合計(jì)算的載荷等于或小于該設(shè)備或該起重吊索具的容許最大使用應(yīng)力或安全承載力。 (一)風(fēng)載荷的計(jì)算公式 露天工作的起重機(jī)應(yīng)按下式計(jì)算風(fēng)載荷P風(fēng)(N)，即 、 P風(fēng)一CKhqA (33)式中 C風(fēng)力系數(shù)(風(fēng)載體型系數(shù))，見(jiàn)表3-5； Kh風(fēng)力高度變化系數(shù)，見(jiàn)表3-6； q

11、計(jì)算風(fēng)壓值，Nm2，第I、類(lèi)計(jì)算載荷的風(fēng)壓值分別記為q、q、q，見(jiàn)表37； A 起重機(jī)結(jié)構(gòu)或物品垂直于風(fēng)向的迎風(fēng)面積，m2。 (二)風(fēng)力系數(shù)C的確定 風(fēng)載體型系數(shù)與擋風(fēng)結(jié)構(gòu)物的表面形狀有關(guān)，可近似地按表3-5選取。離地(海)面高度m102030405060708090100110120130140150200陸上(h/10)0.31001.231.391.511.621.711.791.861.931.992052.112.162.202.252.45海上及海島(h/10)0.21001.151.251.321.381.431.471.521.551.581.611.641.671.691.7

12、21.82表3-6 風(fēng)力高度變化系數(shù)Kh值表3-5單片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力系數(shù)C結(jié)構(gòu)形式C型鋼制成的平面桁架(充實(shí)率一0.3o6)1.6型鋼、鋼板、型鋼梁、鋼板梁和箱形截面構(gòu)件Lh51.3101.4201.6301.7401.8501.9圓管及管結(jié)構(gòu)Qd211.3 1130.7封閉的司機(jī)室、機(jī)器房、對(duì)重、鋼絲繩及物品等1.11.2(三)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值q的確定 1第類(lèi)載荷的風(fēng)壓值q 9值按相當(dāng)天地空曠地區(qū)10m高處的6級(jí)(對(duì)沿海地區(qū))或5級(jí)(對(duì)內(nèi)陸地區(qū))的瞬時(shí)風(fēng)壓值計(jì)算，但計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)振系數(shù)。 2第類(lèi)載荷的風(fēng)壓值q 9值按10m高處30年一遇的最大的10min平均風(fēng)壓值確定。 起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值見(jiàn)表37。地區(qū)

13、工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓風(fēng)速m/SqIqq內(nèi)陸15.50.6q150500600沿海202506001000臺(tái)灣省及南海諸島202501500表3-7 起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值(GB 381183) Nm一2 (四) 迎風(fēng)面積A的計(jì)算 1起重機(jī)迎風(fēng)面積的計(jì)算 起重機(jī)結(jié)構(gòu)或物品的迎風(fēng)面積按起重機(jī)組成部分或物品的凈面積在垂直于風(fēng)向平面的投影來(lái)計(jì)算，即 A一A輪 (3-4)式中A輪起重機(jī)組成部分的輪廓面積在垂直于風(fēng)向平面上的投影，m2； 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的充滿系數(shù)，即結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的凈面積與其輪廓面積之比。 常用結(jié)構(gòu)形式的值如下。 由型鋼或鋼板制成的桁架或空腹結(jié)構(gòu)：=0.20.6。 管子桁架結(jié)構(gòu)(

14、無(wú)斜桿的桁架取小值)：=0.20.4。 實(shí)體板結(jié)構(gòu)：=1 機(jī)構(gòu)：=0.81.0。 當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)并列，其迎風(fēng)面積相互重疊時(shí)(見(jiàn)圖3-3)，第二個(gè)和第二個(gè)以后的被前面遮擋的迎風(fēng)面積減小，減小的程度用折減系數(shù)表示(見(jiàn)表3-8)。0.10.20.30.40.50.6間隔比bh10.840.700.570.400.250.1520.870.750.620.490.330.2030.900.780.640.530.400.2840.920.810.650.560.440.3450.940.830.670.580.500.4160.960.850.680.600.540.46 表3-9 箱形截面構(gòu)

15、件擋風(fēng)折減系數(shù) 表3-8 桁架結(jié)構(gòu)擋風(fēng)折減系數(shù) 如圖3-3所示，兩片重疊的桁架，當(dāng)風(fēng)向垂直于桁架面時(shí)，總擋風(fēng)面積為 A=1A1+2A2 (35)式中A1第一片桁架的輪廓面積； A2第二片桁架的輪廓面積； 1第一片桁架的充滿系數(shù)； 2第二片桁架的充滿系數(shù)； 折減系數(shù)，根據(jù)比值bh由表38、表3-9查得(h為桁架高度，b為兩片桁架間的垂直距離)。 兩個(gè)箱形梁重疊時(shí)也可按上式計(jì)算，但間距b應(yīng)是兩箱形梁內(nèi)側(cè)的間距(見(jiàn)圖33(b)。a)桁架 (b)平行的箱形梁 圖33 兩個(gè)擋風(fēng)面重疊時(shí)的擋風(fēng)面積計(jì)算簡(jiǎn)圖2起重機(jī)小車(chē)和物品的迎風(fēng)面積 起重機(jī)小車(chē)和物品的迎風(fēng)面積按它們實(shí)際的輪廓尺寸決定。物品的迎風(fēng)面積可參考

16、表3-10，根據(jù)物品質(zhì)量近似地估計(jì)。物品質(zhì)量t1235 6.381012.515 16202530 3240迎風(fēng)面積m212356781012151822物品質(zhì)量t506375 80100125150 160200250280300 320400迎風(fēng)面積m22528303540455565707580第三節(jié) 強(qiáng)度計(jì)算與安全系數(shù) 起重機(jī)的零件和金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)按工作狀態(tài)下的最大載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 強(qiáng)度計(jì)算按下列公式進(jìn)行。 對(duì)塑性材料(鋼、鋁合金等)為 s/n (36) 對(duì)脆性材料(鑄鐵、青銅等)為 b/n (37) 式中零件危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力，求盯值時(shí)須考慮動(dòng)載的作用，但不考慮應(yīng)力集中； (s材料的屈

17、服限； b材料的強(qiáng)度限； n塑性材料的安全系數(shù)，按第工類(lèi)載荷計(jì)算時(shí)為nI，按第類(lèi)載荷計(jì)算時(shí)為n，按第類(lèi)載荷計(jì)算時(shí)為n，按特殊載荷計(jì)算時(shí)為n0，見(jiàn)表311； N脆性材料的安全系數(shù)，可根據(jù)零件重要程度，一般取為n=35，n0.9n；nj0.8n。 按切應(yīng)力進(jìn)行的強(qiáng)度計(jì)算和按正應(yīng)力進(jìn)行的強(qiáng)度計(jì)算相類(lèi)似。同時(shí)受正應(yīng)力與切應(yīng)力的零件，按折合當(dāng)量正應(yīng)力d計(jì)算，即。 d（2+32）0.5 (38) 表3-11中安全系數(shù)K1是用來(lái)計(jì)及材料的最小強(qiáng)度儲(chǔ)備的，其值和所計(jì)算零件或構(gòu)件的重要性以及載荷和應(yīng)力的計(jì)算精確程度有關(guān)。安全系數(shù)K2是用來(lái)計(jì)及材料的不均勻性、內(nèi)部可能存在的缺陷，以及實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的誤差等因素的。計(jì)算對(duì)象載荷情況第一類(lèi)第二類(lèi)第三類(lèi)耐久性計(jì)算強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度驗(yàn)算K1K2nIK1K2nK1Kzn金屬結(jié)構(gòu)除運(yùn)送液態(tài)金屬以外的所有起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)運(yùn)送液態(tài)