第三章 起重機(jī)計(jì)算載荷與許用應(yīng)力

起重機(jī)械與吊裝第三章起重機(jī)計(jì)算載荷與許用應(yīng)力

第一節(jié)載荷的分類

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、通過不平的軌道接頭時(shí)的沖擊載荷、車輪側(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)行以下三類計(jì)算。①疲勞、磨損或發(fā)熱的計(jì)算。②強(qiáng)度計(jì)算。③強(qiáng)度驗(yàn)算。與這三類計(jì)算相適應(yīng)，起重機(jī)的計(jì)算載荷有下列三種組合。一、I類載荷(正常工作情況下的工作載荷)

又稱壽命計(jì)算載荷。這是用來計(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(見表3—1)。工作狀態(tài)零件名稱工作類型每旋轉(zhuǎn)一周完成一次應(yīng)力循環(huán)的零件齒輪、鏈輪、蝸輪、車輪、轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸、主要承受彎曲載荷的轉(zhuǎn)軸輕級(jí)(n>5r／min)、中級(jí)、重級(jí)、特重級(jí)機(jī)構(gòu)每開動(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、Ⅱ類載荷(工作狀態(tài)下的最大載荷組合)

又稱強(qiáng)度計(jì)算載荷。這是用來計(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。一般說來，對(duì)起重機(jī)的所有受力零部件都要用Ⅱ類載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。三、Ⅲ類載荷(非工作狀態(tài)下的最大載荷)

又稱驗(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、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，按此類載荷驗(yàn)算靜強(qiáng)度時(shí)，可取較小的安全系數(shù)。第二節(jié)載荷的計(jì)算

本節(jié)介紹幾種常見載荷的計(jì)算方法。一、起升載荷起并載荷包括起升物品的重量和隨物品升降的取物裝置或機(jī)構(gòu)的重量，即

Q起=Q+Q0(3—1)

式中Q起——起重載荷；

Q一起升物品的重量；

Q0——隨物品升降的取物裝置或機(jī)構(gòu)的重量。Q0中包括大起升高度(H>50m)起重機(jī)的鋼絲繩重量以及某些冶金起重機(jī)中和物品一同升降的取物裝置或機(jī)構(gòu)的重量。二、起重機(jī)自重載荷

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。三、動(dòng)載荷

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。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（一）、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)零部件的最大動(dòng)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=ψIIM零額

(3—2)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；

ψII——第Ⅱ類載荷的動(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)ψII可按表3—2選取。表3-2傳動(dòng)零部件的動(dòng)力系數(shù)ψII值／m.min-1零件名稱機(jī)構(gòu)名稱起升機(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<78～1516～40>40<lO20～50>5050～100>100～200>200～350>350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2．OO2．OO(二)金屬結(jié)構(gòu)及其他承載零部件的最大動(dòng)載荷金屬結(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3—1、圖3-2查得。圖3—1門座起重機(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3—2橋式類型起重機(jī)的動(dòng)力系數(shù)

1一抓斗起重機(jī)；2一吊鉤起重機(jī)(三)起重運(yùn)輸及吊裝工藝設(shè)計(jì)中的計(jì)算載荷

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)輸過程中，因機(jī)械傳動(dòng)和操作人員的突然起動(dòng)或剎車，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)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見表3—3。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)K11．OO1.101.301.50

此外，設(shè)備在運(yùn)輸過程中，因道路不平引起運(yùn)輸車輛振動(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

用小膠皮輪車人力曳運(yùn)時(shí)用膠皮輪大車馬拉曳運(yùn)時(shí)1.21.25

用載重汽車載運(yùn)時(shí)用火車載運(yùn)時(shí)1.31.22.計(jì)算不均衡載荷

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，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)卷揚(yáng)機(jī)起吊設(shè)備時(shí)，因卷揚(yáng)機(jī)卷筒直徑、轉(zhuǎn)速等不一樣，卷揚(yáng)機(jī)操作人員起動(dòng)、停車不一致，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K2＝1.2。3．綜合計(jì)算載荷

綜上所述，在設(shè)備起吊、運(yùn)輸或牽引過程中，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。四、風(fēng)載荷

(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(3—3)式中C——風(fēng)力系數(shù)(風(fēng)載體型系數(shù))，見表3-5；

Kh——風(fēng)力高度變化系數(shù)，見表3-6；

q——計(jì)算風(fēng)壓值，N／m2，第I、Ⅱ、Ⅲ類計(jì)算載荷的風(fēng)壓值分別記為qⅠ、qⅡ、qⅢ，見表3—7；

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)0.31．001.231.391.511.621.711.791.861.931.992．052.112.162.202.252.45海上及海島(h/10)0.21．001.151.251.321.381.431.471.521.551.581.611.641.671.691.721.82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≠一0.3～o．6)1.6型鋼、鋼板、型鋼梁、鋼板梁和箱形截面構(gòu)件L／h51.3101.4201.6301.7401.8501.9圓管及管結(jié)構(gòu)Qd2<11.31<31.271.0100.9>130.7封閉的司機(jī)室、機(jī)器房、對(duì)重、鋼絲繩及物品等1.1～1.2(三)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓值q的確定

1．第Ⅱ類載荷的風(fēng)壓值qⅡ9Ⅱ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Ⅲ類載荷的風(fēng)壓值qⅢ9Ⅲ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)壓值見表3—7。地區(qū)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/SqIqⅡqⅢ內(nèi)陸15.50.6qⅡ150500～600沿海20250600～1000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(GB3811—83)／N·m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)向平面的投影來計(jì)算，即

A一ΦA(chǔ)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；

Φ——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Φ值如下。①由型鋼或鋼板制成的桁架或空腹結(jié)構(gòu)：Φ=0.2～0.6。②管子桁架結(jié)構(gòu)(無斜桿的桁架取小值)：Φ=0.2～0.4。③實(shí)體板結(jié)構(gòu)：Φ=1④機(jī)構(gòu)：Φ=0.8～1.0。

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)η表示(見表3-8)。Φ0.10.20.30.40.50.6間隔比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箱形截面構(gòu)件擋風(fēng)折減系數(shù)η

表3-8桁架結(jié)構(gòu)擋風(fēng)折減系數(shù)ηB/H≤456η00.10.3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∑=Φ1A1+ηΦ2A2(3—5)式中A1——第一片桁架的輪廓面積；

A2——第二片桁架的輪廓面積；

Φ1——第一片桁架的充滿系數(shù)；

Φ2——第二片桁架的充滿系數(shù)；

η折減系數(shù)，根據(jù)比值b／h由表3—8、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(見圖3—3(b))。a)桁架(b)平行的箱形梁圖3—3兩個(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)小車和物品的迎風(fēng)面積起重機(jī)小車和物品的迎風(fēng)面積按它們實(shí)際的輪廓尺寸決定。物品的迎風(fēng)面積可參考表3-10，根據(jù)物品質(zhì)量近似地估計(jì)。物品質(zhì)量／t12356.381012.515162025303240迎風(fēng)面積／m212356781012151822物品質(zhì)量／t50637580100125150160200250280300320400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σ≤[σ]＝σs/n(3—6)

對(duì)脆性材料(鑄鐵、青銅等)為σ≤[σ]＝σb/n’(3—7)

式中σ——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；

(σs——材料的屈服限；

σb——材料的強(qiáng)度限；

n——塑性材料的安全系數(shù)，按第工類載荷計(jì)算時(shí)為nI，按第Ⅱ類載荷計(jì)算時(shí)為nⅡ，按第Ⅲ類載荷計(jì)算時(shí)為nⅢ，按特殊載荷計(jì)算時(shí)為n0，見表3—11；

N