第一章起重运输机金属结构设计计算基础.doc

个人收集整理 勿做商业用途第一篇 起重运输机金属结构设计计算基础第一章 概 论第一节 起重运输机金属结构的作用和发展过程 由金属材料轧制成的型钢（角钢、槽钢、工字纲、钢管等)及钢板作为基本元件，彼此按一定的规律用焊接的方法连接起来,制成基本构件后，再用焊接或螺栓将基本构件连接成能够承受外加载荷的结构物称为金属结构。例如常见龙门起重机的上部主梁和支腿、轮式起重机的动臂和底架等。起重运输机金属结构的作用是作为机械的骨架，承受和传递起重运输机所负担的载重及其自身的重量。图1-1所示的双梁箱形龙门起重机，吊重Q通过起重小车1的运行轮传给上部主梁2，上部主梁2又传给支腿3，最终通过大车运行轨道传给基础。图1-1 双梁箱形龙门起重机1起重小车；2上部主梁；3支腿. 金属结构是起重运输机的主要组成部分.不少起重机就是以金属结构的外形而命名的,如桥式起重机、龙门起重机、门座起重机、塔式起重机、桅杆起重机等。 起重运输机金属结构是出现较晚的一种结构。直到十九世纪后期，由于钢铁工业的发展，机器制造业的进一步完善，金属结构才得以迅速发展。最早的起重机是木制的，1880年德国制成了世界上第一台电力拖动的钢制桥式起重机。尔后,欧美一些国家相继生产出由金属材料制成的桥式起重机和其它类型的起重机，其中包括低合金和铝合金结构的起重机。当时的起重机金属结构全部是铆接结构.二十世纪以来,由于钢铁、机械制造业和铁路、港口及交通运输业的发展，促进了起重运输机械的发展。对起重运输机械的性能也提出了更高的要求。现代起重运输机械担当着繁重的物料搬运任务,是工厂、铁路、港口及其它部门实现物料搬运机械化的关键。因而起重运输机械的金属结构都用优质钢材制造，并用焊接代替铆接连接，不仅简化了结构,缩短了工期,而且大大地减轻了自重，焊接结构是现代金属结构的特征.我国是应用起重机械最早的国家之一，古代我们祖先采用杠杆及辘轳取水，就是用起重设备节省人力的例子.因是人力驱动，故起重能力小,且效率很低.几千年的封建统治年代，工业得不到发展，从而使起重运输设备及其金属结构的发展缓慢,阻碍了金属结构的广泛应用。解放以前，我国自行设计制造的起重机金属结构很少,绝大多数起重运输设备依靠进口。铁路货物的装、卸则以人力为主。解放初期各主要铁路站场连一台像样的起重运输机都没有，当时的机械化水平就可想而知了。 解放以后，随着冶金、钢铁工业的发展，起重运输机械获得了飞速的发展，金国刚解放就建立了全国最大的大连起重机器厂，1949年10月，在该厂试制成功我国第一台起重量为50吨、跨度为22.5m的桥式起重机。为培养起重运输机械专业的专门人材，在上海交通大学等多所高等工业学校中，创办了起重运输机械专业。铁路系统为适应国民经济发展需要，提高装卸效率，也在唐山铁道学院（现为西南交通大学）办起了铁路装卸机械专业,培养专门从事铁路装卸机械设计和研究的技术人材。19图12 20/10吨单主梁C形龙门起重机1-大车走行基础；2-大车运行机构;3-抓斗；4司机升降电梯；5支腿；6司机室走台；7-司机室；8-司机座椅；9走台；10上部主梁;11起重小车；12小车供电装置；13小车罩；14-大车供电装置;15地沟图1-3 100/20吨双梁O形龙门起重机1大车走行基础；2地沟供电滑车；3-端部走台；4小车供电装置;5栏杆；6上部主梁，7-小车罩;8-载重小车；9-电梯升降机构;10小车供电支架；11-端梁；12-上曲腿;13-扶梯；14直腿；15下曲腿；16-大车运行机构；17电梯吊笼；18爬梯;19-司机室；20-司机座椅. 到目前为止，我国通用桥式类型起重机和工程起重机（汽车起重机、轮胎起重机、塔式起重机）已从过去的仿制过渡到了自行设计制造的阶段。有些机种和产品，无论从结构形式，还是性能指标都达到了较高水平.1973年西南交通大学和天津铁路分局共同研制的单主梁C形龙门起重机（图1-2）和1975年共同研制的O形双梁龙门起重机（图1-3)，由于它们具有腿下净空大、司机视野好、货物过腿容易、外形美观等优点，深受用户观迎，并获很快推广。国内许多厂家已能设计制造各种参数的建筑用塔式起重机（图1-4），不仅能满足国内需要,还有少量出口。近几年以来，轮式起重机的发展极为迅速，不少产品已经系列化。其中以中、小吨位的汽车起重机最引人注目。大吨位的轮式起重机，近年来发展也很快，图1-5为长江起重机厂设计制造的125吨汽车起重机。图14 建筑塔式起重机 图1-5 125吨汽车起重机西南交通大学与山海关桥梁厂、兰州机车厂共同研制了100吨定长臂及伸缩臂式铁路起重机；与武汉桥机厂共同研制了160吨定长臂及伸缩臂式铁路起重机,如图16、17所示，其各项性能指标达到了国际先进水平。图1-6 160吨定长臂铁路起重机 图17 160吨伸缩臂式铁路起重机第二节 起重运输机金属结构的分类 起重运输机金属结构的类型繁多，对它们进行分类，目的是区别各种不同的金属结构类型，找出其共同特点,便于设计和计算。 一、按照组成金属结构基本元件的特点，起重运输机金属结构可分为杆系结构和板结构。杆系结构由许多杆件焊接而成,每根杆件的特点是长度方向尺寸大，而断面尺寸较小.常见的桁架式龙门起重机的桁架主梁和支腿、四桁架式桥架、轮式和塔式起重机的桁架动臂（图1-8）都是杆系结构。图1-8 塔式、轮式起重机桁架动臂 板结构由薄板焊接而成。薄板的特点是长度和宽度方向尺寸较大，而厚度很小,所以板结构亦称薄壁结构。箱形龙门起重机的上部主梁和变截面箱形支腿（图11)，汽车起重机的箱形伸缩臂和支腿（图1-9）都是板结构. 杆系结构和板结构是起重运输机金属结构中最常用的结构形式。二、按起重运输机金属结构的外形不同，分为门架结构、臂架结构、车架结构、转柱结构、塔架结构等。这些结构可以是杆系结构，亦可以是板梁结构。门架结构包括龙门起重机的龙门架,门座起重机的门腿及平衡重式叉车的门架等.图19 汽车起重机箱形支腿1-走行装置；2驾驶室；3转台;4动臂；5-变幅油缸；6司机室;7支腿。 三、按组成金属结构的连接方式不同，起重运输机金属结构分为铰接结构、刚接结构和混合结构. 铰接结构中，所有节点都是理想铰。实际的起重运输机金属结构,真正用铰接连接的是极少见的。通常在杆系结构中，若杆件主要承受轴向力，而受弯矩很小时，称之为铰接结构.起重运输机金属结构中常用的桁架结构，在设计计算时，视为铰接结构。 刚接结构构件间的节点连接比较刚劲,在外载荷作用下，节点各构件之间的相对夹角不会变化.刚接结构节点承受较大的弯矩，而不像铰接结构的节点认为不承受弯矩。龙门起重机刚性支腿和上部主梁的连接就属于刚接节点，而龙门架结构就是刚接结构（图11）。 混合结构各杆件之间的节点,既有铰接的，又有刚接的.常见单梁电葫芦桥式起重机的主体结构（图1-10）多做成混合结构形式。混合结构又称桁构结构。 四、起重运输机金属结构，按照作用载荷与结构在空间的相互位置不同,分为平面结构和空间结构。 平面结构的作用载荷和结构杆件的轴线位于同一平面内，如图1-11所示的桁架结构，小车轮压、结构自重载荷与桁架平面共面，所以此桁架结构属于平面结构。 当结构杆件的轴线不在一个平面内，或结构杆件轴线虽位于同一平面，但外载荷不作用于结构平面（通常称为平面结构空间受力),处于这两种情况的结构都称空间结构.图1-12的集装箱龙门起重机的龙门架和图113的轮式起重机车架,都是空间结构的例子。图1-10 电葫芦桥式起重机桁构梁图111 平面桁架结构图1-12 空间刚架结构 图1-13 轮式起重机车架第三节 起重运输机金属结构的计算简图 对起重运输机金属结构进行强度、刚度和稳定分析时，我们常用一理想的力学模型来代替实际的结构物。这种力学模型称为起重运输机金属结构的计算简图。对结构物进行简化时，应使计算简图尽可能接近实际情况，而注意使计算工作尽量简单。 将实际的金属结构简化成计算简图，包括结构本身的简化、支座的简化和作用载荷的简化。 结构本身简化时，构件用其轴线来代替，变截面构件近似地视为等截面构件，杆件之间的节点，根据金属结构的类型，简化为铰接点或刚接点。 支座是结构的支承.它是金属结构与基础相连接或接触的部分。结构所承受的外加载荷都是通过支座传给基础或其它结构的.因此，支座是金属结构很重要的传力部件。起重运输机金属结构中，经常遇到的支座有活动铰支座、固定铰支座和固定支座三种. 活动铰支座的特点是在支承部位有一个铰接结构，它可使支承的上部结构绕铰点自由转动,而包括支承在内的整个结构又可在一个方向内自由移动。有轨运行式起重机的大车走行轮沿轨道方向可简化成活动铰支座。图1-14a是活动铰支座的结构形式，图1-14b是活动铰支座的简图.活动铰支座只能承受垂直方向的支反力。 固定铰支座和活动铰支座的不同点，是包括支座在内的整个结构不能沿一个方向移动，但仍可绕铰点自由转动。固定铰支座既可承受垂直支反力，又可承受水平支反力。图1-15a中的A支座是固定铰支座的典型结构，图115b是它的计算简图。如果将整个台车作为该支座的组成部分,对这样的支承结构也可以简化为活动铰支座。固定支座和活动铰支座、固定铰支座相反，它既不能转动,又不能沿一个方向移动。这种支座不仅能承受垂直支反力和水平支反力,而且还能承受弯矩。固定支座可以用焊接连接，亦可用螺栓连接。 图1-14 活动铰支座的典型结构和简图图 115 固定铰支座的典型结构和简图 起重运输机金属结构的支座，通常是属于空间结构的支座.按平面支座进行分析时，在一个平面内属于一种支座情况，而在另一平面内，又可简化成另一种支座情况。有时,在同一平面内，由于研究的对象不同或工况不同，也可以取两种支座情况.例如,龙门起重机在龙门架平面，当研究上部主梁强度时,常取静定支座；当研究支腿的强度时，就可能取超静定支座。 载荷简化时，固定载荷（结构或机构的自重载荷)可简化成匀布载荷、集中载荷或节点载荷.移动载荷(起升载荷和小车自重载荷）以轮压的形式作用在小车轨道上时，接触长度很小,可以简化成集中载荷. 图1-16a是一单主梁龙门起重机.根据上述原则进行简化时，在龙门架平面主梁和支腿用其几何轴线代替，结构自重视为匀布载荷，起升载荷视为集中移动载荷。计算主梁时,支座取图1-16b的静定支座；计算支腿时,用图116c的一次超静定支座.必须指出，如何把实际的金属结构合理地简化成计算简图，是起重运输机金属结构分析中一个十分重要而且应该首先加以解决的问题.计算简图选择合理与否，将直接影响到结构分析的正确性。在计算同一结构时,往往需要采用几种计算简图。初步设计时,用一个比较简单，而精确度不高的计算简图（确定计算简图时，忽略较多的次要因素）。在最后技术设计阶段,改用一个在计算上较繁，而精确度较高的计算简图(确定计算简图时，忽略较少的次要因素)。图1-16 单主梁龙门起重机金属结构计算简图(a) 结构图； （b） 简化成静定结构计算简图； (c） 简化成超静定结构计算简图.第四节 起重运输机金属结构的工作级别设计起重机时，需要对起重机的金属结构、机构和零部件进行强度、稳定性、疲劳、磨损等计算。为使所设计的起重机具有先进的技术经济指标，安全可靠,具有一定的工作寿命，必须在设计计算时考虑起重机金属结构和机构的工作级别。起重机金属结构的工作级别是表明金属结构工作繁忙程度的参数。 起重机金属结构的工作级别按结构件中的应力状态（名义应力谱系数）和应力循坏次数（应力循环等级）分为A1A8级。起重机结构的应力循环等级，可以用起重机结构在其使用寿命期间完成的总的应力循环次数来表征。这里所说的循环次数是指起升机构从吊重被起升时开始，到准备起升下一个吊重为止。我国将起重机结构整个寿命期间总的应力循环次数N按使用情况分为十级,列于表1-1。表1-1 起重机结构的应力循环等级应力循环等级总的应力循环次数N设备使用情况U01。6104不经常使用U13。2104U26.3104U31。25105U42.5105经常轻度使用U55。0105经常中等使用U61。0106较繁忙地使用U72.0106繁忙地使用U84.0106U94。0106特别繁忙地使用 起重机结构的应力状态表明结构中应力的变化程度。它与所起升的载荷在结构中产生的应力与额定起升载荷产生的应力之比以及各个应力出现的次数与总的应力循环次数N之比有关.表示和之间关系的图形称为应力谱.应力谱系数按下式计算：（1-1） 式中 应力出现的次数；N总的应力循环次数，；第i个起升的载荷产生的应力，；额定起升载荷产生的应力；m指数，m = 3。起重机结构的应力状态按名义应力谱系数分为四级，见表12.由式（11)计算出的值应按表12选取与其接近的较大的名义应力谱系数。如果设计时对起重机结构实际的应力状态不了解，通常可凭经验预估一个合适的应力状态.表12 起重机结构应力状态及名义应力谱系数应力状态名义应力谱系数构件应力说明S1-小0。125通常承受很小的应力，很少受最大应力S2中0.25通常承受中等应力,偶尔受最大应力S3-大0。50通常承受较大应力,有时受到最大应力S4特大1.00经常有规律地承受最大应力 根据起重机结构的应力循环等级和应力状态，即可确定起重机金属结构的工作级别,共分为八级，列于表13。表13 起重机金属结构工作级别的划分 应力状态名义应力谱系数应 力 循 环 等 级U0U1U2U3U4U5U6U7U8U9S1小0.125A1A2A3A4A5A6A7A8S2中0。25A1A2A3A4A5A6A7A8S3-大0。50A1A2A3A4A5A6A7A8S4-特大1.00A2A3A4A5A6A7A8 起重机的载荷谱和工作循环次数是决定构件应力谱和应力循环次数的依据.结构工作级别不一定与起重机的工作级别相同，视具体情况而定。 常用起重机金属结构工作级别，列于表14,供设计时参考。表1-4 常用起重机金属结构工作级别举例 起重机类别起重机主要用途金属结构工作级别起重机类别起重机主要用途金属结构工作级别龙门起重机一般用途A5A6轮式起重机履带起重机安装和装卸用A4A6用抓斗装卸散状货物A6A7用抓斗装卸散状货物A6A7电站用A5塔式起重机建筑、施工安装用H60mA6装卸集装箱A6A7运送混凝土用H60mA6门座起重机安装用A5H60mA7装卸一般货物A6用抓斗装卸散状货物A7A8注：表中H货物起升高度.第五节 对起重运输机金属结构的要求及其发展趋向 起重运输机是一种工作十分繁忙的重型机械，又是一种移动机械，为保证其正常工作，对起重运输机金属结构提出如下要求： 起重运输机金属结构必须坚固耐用.金属结构应保证起重机有良好的工作性能，因此，其本身应具有足够的强度、刚度和稳定性； 起重运输机金属结构的自重应力求轻巧。起重运输机金属结构的重量约占整机重量的4070,巨型起重机则可达90以上。由于起重运输机是移动的，因此减轻自重不但可以节省原材料，而且也相应地减轻了机构的负荷和支承结构的造价； 起重运输机金属结构的制造工艺性要求简单，安装、维修容易，并应注意改善司机的工作条件; 起重运输机金属结构的外形应尽可能美观、大方。 起重运输机金属结构工作不仅繁忙，且结构自重甚大，消耗钢材很多，金属结构的成本约占总成本的1/3以上。因此，设法提高金属结构的性能，节省材料，减轻自重、减少制造劳动量，从而降低产品成本，是起重运输机金属结构设计与制造工作坚定不移的方针，也是今后发展的总趋势。 根据对起重运输机金属结构的基本要求，提出以下几点今后发展的方向和研究的重点。 一、设计计算理论的研究和改进 到目前为止，在起重运输机金属结构设计中，我国仍采用许用应力计算法。这种方法使用起来比较简便，但其缺点是对不同用途，不同工作性质(受力情况）的金属结构采用同一的安全系数，而且安全系数往往偏大或过小。因此，按许用应力计算法设计的起重机金属结构，或者多消耗金属材料或者安全程度较低。随着生产发展的要求，试验研究工作的开展，促进了计算理论的改进和发展.近年来出现了不少新的计算方法，提出许多新的数据、参数、系数和公式。这些方法正确地考虑了载荷的作用性质，钢材的性能及结构工作特点，如在建筑钢结构设计领域内采用的以概率论为基础的极限状态计算法就是一例。这种计算方法，计算结果比较精确，比较符合金属结构的实际工作情况。因而也能更充分地利用钢材的性能,节省材料. 二、改进和创造新型的结构形式在保证起重运输机工作性能的条件下,改进和不断创造新型的结构形式，是最有效地减轻起重运输机金属结构自重的方法之一.例如汽车起重机动臂用周长相同的折线闭合断面代替传统的箱形截面(图117)，使断面几何特性有所改善，因而提高了动臂的强度、刚度和稳定性，降低了动臂的自重。根据动臂的受力特点，国外出现了梯形截面的动臂结构（图1-18)，在减轻结构自重方面，也取得了显著效果。铁路部门自行设计并制造的三角形断面桁架式龙门起重机金属结构，自重比相同参数的双梁箱形龙门起重机金属结构轻15%20%。港口小型门座起重机的动臂用矩形断面空腹管结构代替传统的桁架结构，使动臂自重下降20%。我国六机部第九设计院为马耳他设计并制造的起重量150吨，幅度45m的门座起重机的金属结构,全部采用薄壁箱形结构，在减轻整机自重方面取得了明显的效果。 图1-17折线形和八角形闭合断面动臂 图1-18 梯形截面动臂（a)折线形截面动臂;(b)八角形截面动臂。 三、改进制造工艺过程 广泛地采用焊接，特别是自动焊和改进工艺过程，应用冲压焊接钢板制造起重运输机金属结构，既能简化结构构造，节省材料，又能减少制造安装的劳动量，缩短工期，从而降低产品成本。采用焊接结构比铆接结构可以节省钢材30以上，所以用焊接代替铆接结构被称为金属结构设计与制造方法的一大改革。目前生产的起重运输机金属结构绝大部分都是采用焊接连接。 应用冲压焊接钢板的金属结构，并用螺栓进行装配，可以省去许多复杂而繁重的组装工艺，防止装配变形，增加结构刚度，保证结构的制造质量. 四、尽量采用先进技术 目前，起重运输机金属结构的设计和制造工作虽然有了一整套可行的方法和工艺，但仍有许多问题有待进一步研究和改进。 在设计方面，如研究采用预应力的方法设计起重机金属结构，可改善结构的受力状态，节省钢材.利用有限元法（借助电子计算机）解算复杂的计算问题，能简化设计过程,加快设计进度且可探索断裂设计法在起重运输机金属结构中应用的可能性。起重机金属结构的优化设计,把设计工作的主要精力转到优化方案的选择方面来，使结构设计工作者由被动的校核设计转变为积极主动地从各种可能的设计方案中寻求最优的方案，最优方案可以用数字来表示,用数字来回答问题,优化设计是现代起重运输机金属结构设计的特色。 在制造方面,尽量采用标准化的冲压结构，应用最新的连接方法（高强度螺栓及胶合连接等)和装配式结构,选择更先进的工艺等，这些都能为改善起重机的工作性能,节省材料，提高生产率，降低成本提供有利的条件。 五、提高起重机的参数 近年来，除生产一些轻、小、简、廉的起重设备，以满足各使用部门的需要外，为解决长大笨重货物（如冶炼设备、水坝闸门、化工设备、大型船舶、发电设备和火车头等）的装卸,各国生产的起重机有向大吨位、大幅度（大跨度）、大高度、高速度方向发展的趋势，同时要求有灵活的控制系统，以适应对起重机调速的要求。由于造船工业的蓬勃发展，船舶吨位由几千吨发展到几十万吨，为解决船体整段组装和机械安装,国外已生产了大型龙门起重机来代替原有的门座起重机和塔式起重机。日本造有载重量为20003000kN，跨度为104140m，高度70m左右的箱形单主梁龙门起重机；西德制成了造船用的载重量为8400kN，跨度140m，全高96m的箱形单主梁龙门起重机，主梁高达8m，满载时总重量达40000kN。英国设计制造了载重量10000kN，跨度150m,高度60m以上的巨形龙门起重机。我国已经设计制造了载重量2000kN，跨度66。5m，全高50m的造船用箱形单主梁龙门起重机（图119),铁路系统设计制造了载重量1000kN的双梁箱形O形龙门起重机（图13）。图1-19 200吨单主梁龙门起重机 桁架动臂式轮式起重机也有向大型化发展的趋势，目前世界上最大的轮式起重机,其载重量已达10000kN以上。 六、起重运输机金属结构的标准化和系列化 起重运输机金属结构应设计成有一定规格尺寸的标准零件，便于加工和组装，并使整个结构系列化，做成定型产品。尽量利用标准工艺，这是简化设计和制造过程，缩短工期,进行批量生产的关键，也是降低产品成本的有效方法。 我国单、双梁桥式起重机，塔式起重机，轮式起重机及双梁龙门起重机都有系列设计.有关部门正在研究其它类型起重机的定型和系列化问题.铁路系统也正在进行铁路常用起重机标准化和系列化的工作. 七、采用轻金属（铝合金）或高强度结构钢（低合金钢）制造金属结构 用轻金属或高强度结构钢制造起重运输机结构,是节省材料,减轻结构自重的有效途径。国外已试制过铝合金结构的桥式起重机、龙门起重机和轮式起重机的臂架，自重减轻了30-60%.西德制造的铝合金箱形单主梁桥式起重机，自重比相同参数的钢制双梁桥式起重机减轻70%,从而减轻了厂房结构和支承结构的载荷，降低了整个工业企业投资.我国铝矿资源丰富,用铝合金制造起重机金属结构,具有广阔的前景。低合金高强度结构钢如16Mn，已广泛用于制造各种起重机金属结构。大吨位轮式起重机的臂架材料，目前国内外广泛采用屈服限为600MPa1000MPa的高强度结构钢。由于材质好，强度高，制造金属结构可达到体轻、坚固、耐用。习 题1-1 分析和绘制图1-20所示汽车起重机折叠式动臂1和车架2的计算简图。图120 汽车起重机 1折叠式动臂;2车架1-2 画出图1-21所示固定式龙门起重机门架金属结构的计算简图.图1-21 固定式龙门起重机门架金属结构1-3 绘制图122所示叉车门架金属结构的计算简图.图1-22 叉车门架金属结构14 起重运输机金属结构的工作级别如何划分?1-5 金属结构的概念是什么？它有哪些作用？1-6 起重运输机金属结构的发展趋向是什么?