起重机机械金属结构

起重机械金属结构（6课时）1金属结构基本形式2金属结构主要组成3材料选用，结构设计与计算4金属结构的连接四川省特种设备检验研究院王河1金属结构基本形式（定义）金属结构的定义由型钢和钢板作为基本元件,按一定的规律用焊接（或铆接、螺栓连接）的方法连接起来,能够承受载荷的结构件称为金属结构。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。1金属结构基本形式（作用）起重机金属结构的作用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。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。作为机械的骨架,支承起重机的机构和电气设备,承受各部分重力和各机构的工作力。将起重机的外载荷和各部分自重传递给基础。金属结构：如龙门起重机的上部主梁和支腿(如图1-1)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：汽车起重机的吊臂、转台、车架1金属结构基本形式（分类）起重运输机金属结构的分类1.按组成金属结构基本元件的特点分为杆系结构: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。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。汽车起重机的箱形伸缩臂和支腿（图1-9）都是板结构。图1-8塔式、轮式起重机桁架动臂杆系结构：由型钢焊接而成。如图1-8。板结构：由薄板焊接而成。如图1-1、图1-9。图1-9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。1金属结构基本形式（分类）2.按起重运输机金属结构的外形不同分为桥架结构，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。如下图，几种常见的外形分类结构。桥架结构门架结构臂架结构定长臂铁路起重机转柱结构门座式起重机塔架结构塔式起重机3.按金属结构的连接方式分为铰接结构：铰接（用铰链把两个物体连接起来），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：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。如图1-9。混合结构：各杆件之间的节点，既有铰接的，又有刚接的。亦称桁构结构。如图1-10。1金属结构基本形式（分类）平面结构：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。如图1-11的桁架结构。空间结构：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。4.按作用载荷与结构在空间的相互位置分为图1-11平面桁架结构1金属结构基本形式（分类）图1-11平面桁架结构1金属结构基本形式（计算简图）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。图1-14活动铰支座的典型结构和简图图1-15固定铰支座的典型结构和简图例：将图示单主梁龙门起重机金属结构,简化为计算简图。图1-16单主梁龙门起重机金属结构计算简图(a)结构图;(b)主梁计算简图;(c)支腿计算简图(a)例：将图示桁架式吊臂简化为计算简图。(a)(b)(c)图桁架式吊臂结构计算简图(a)结构简图;(b)变幅平面计算简图;(c)旋转平面计算简图1金属结构基本形式（发展趋向）对起重运输机金属结构的要求及其发展趋向一、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1金属结构基本形式（发展趋向）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一1金属结构基本形式（发展趋向）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。1金属结构基本形式（发展趋向）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。1金属结构基本形式（发展趋向）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。1金属结构基本形式（发展趋向）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。1金属结构基本形式（发展趋向）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600MPa～1000MPa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。2金属结构主要组成（概述）由于起重机应用范围十分广泛，为了适应不同的使用要求和工作条件，设计制造出了各种各样满足不同使用要求的起重机，因而起重机的金属结构也更是样式繁多形态各异。起重机种类虽然繁多，但根据金属结构的型式归结起来不外乎两大类：一类是桥架类起重机，包括桥式起重机、门式起重机等；另一类是臂架类起重机，包括各种塔式起重机、流动式起重机、门座起重机等。组成这些起重机的金属结构主要有主要受力结构和辅助结构，主要受力机构包括桥架机构、门架结构、臂架结构、塔架结构、导轨架结构和小车架结构等，辅助结构包括司机室、通道、平台、梯子和栏杆等。2金属结构主要组成（概述）起重机金属机构的型式虽然各异，但都是由一些基本受力构件组成的。这些基本受力构件有：（1）轴心受力构件，如轮胎起重机人字架的拉压杆，门座起重机四连杆臂架的大拉杆和八撑杆式门架的撑杆，岸壁装卸桥前后桥架的拉杆和门架的斜撑杆、柔性支腿等；（2）受弯构件，如桥架类起重机的桥架主梁和端梁，臂架回转起重机转台和车架的纵梁和横梁等；（3）压弯构件，如流动式起重机的臂架，门座起重机的主臂架与转柱，门式起重机和装卸桥的刚性支腿等。2金属结构主要组成（分类）以上基本构件按照其受力大小和外形尺寸大小可分为格构式、实腹式和混合式三种型式。格构式构件：是由型钢、钢管和组合截面杆件连接而成的杆系结构，通用门式起重机的主梁及支腿和图2.2所示塔式起重机的塔身及吊臂均为格构式结构。格构式构件适用于受力相对较小，对外形尺寸要求不大的场合，以减轻构件的自重，其缺点是制造工艺复杂，不便于采用自动焊，节点处应力集中较大等。2金属结构主要组成（分类）实腹式构件：主要由钢板组成，有开口截面构件和闭口截面构件之分，前者也称为板式构件常做成双轴对称工字形截面或有加强翼缘的单轴对称工字形截面；后者也称为箱形构件，常做成矩形、梯形或三角形箱形截面，如图2.3门座起重机的门架和回转平台均为实腹式结构。实腹式构件适用于载荷大，对外形尺寸要求大的场合，这样可较充分发挥构件材料的机械性能。实腹式构件一般自重较大、刚性较差，但制造方便，可采用自动焊，应力集中较小，疲劳强度较高。2金属结构主要组成（分类）混合式构件：部分为实腹式结构，部分为杆系结构。由实腹式主构件和加强杆系组成的桁构式构件，如图2.3所示的门座起重机的象鼻架。此外有板梁和桁架混合组成的闭口截面构件也属于混合式构件。混合式构件的特点和使用条件均介于格构式和实腹式构件之间。2金属结构主要组成（分类）所示塔式起重机的塔身及吊臂均为格构式结构。图2.2塔式起重机2金属结构主要组成（