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1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2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。3图1-220/10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4图1-3100/20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。5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1-4建筑塔式起重机图1-5125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1-6、1-7所示，其各项性能指标达到了国际先进水平。6图1-6160吨定长臂铁路起重机图1-7160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71-1），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。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1-1）。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8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1-13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1-11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9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1-15b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。10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1-16c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）。11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A1～A8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U01.6×104不经常使用12U13.2×104U26.3×104U31.25×105U42.5×105经常轻度使用U55.0×105经常中等使用U61.0×106较繁忙地使用U72.0×106繁忙地使用U84.0×106