第一章起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)

1、第一篇起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)第一章概論第一節(jié) 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的作用和發(fā)展過程由金屬材料軋制成的型鋼（角鋼、槽鋼、工字綱、鋼管等）及鋼板作為基本 元件，彼此按一定的規(guī)律用焊接的方法連接起來，制成基本構(gòu)件后，再用焊接或螺栓將基本構(gòu)件連接成能夠承受外加載荷的結(jié)構(gòu)物稱為金屬結(jié)構(gòu)。例如常見龍門起重機(jī)的上部主梁和支腿、輪式起重機(jī)的動(dòng)臂和底架等。起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的作用是作為機(jī)械的骨架，承受和傳遞起重運(yùn)輸機(jī)所負(fù) 擔(dān)的載重及其自身的重量。圖1-1所示的雙梁箱形龍門起重機(jī)，吊重 Q通過起 重小車1的運(yùn)行輪傳給上部主梁2,上部主梁2又傳給支腿3,最終通過大車運(yùn) 行軌道傳給基礎(chǔ)。圖1-1雙梁箱形龍門起重

2、機(jī)1-起重小車；2-上部主梁；3-支腿。金屬結(jié)構(gòu)是起重運(yùn)輸機(jī)的主要組成部分。不少起重機(jī)就是以金屬結(jié)構(gòu)的外形 而命名的，如橋式起重機(jī)、龍門起重機(jī)、門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)、桅桿起重機(jī) 等。起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是出現(xiàn)較晚的一種結(jié)構(gòu)。直到十九世紀(jì)后期，由于鋼鐵 工業(yè)的發(fā)展，機(jī)器制造業(yè)的進(jìn)一步完善，金屬結(jié)構(gòu)才得以迅速發(fā)展。最早的起重 機(jī)是木制的，1880年德國(guó)制成了世界上第一臺(tái)電力拖動(dòng)的鋼制橋式起重機(jī)。爾 后，歐美一些國(guó)家相繼生產(chǎn)出由金屬材料制成的橋式起重機(jī)和其它類型的起重機(jī)，其中包括低合金和鋁合金結(jié)構(gòu)的起重機(jī)。 當(dāng)時(shí)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)全部是鉚接 結(jié)構(gòu)。 二十世紀(jì)以來，由于鋼鐵、機(jī)械制造業(yè)和鐵路、港口及交通

3、運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展， 促進(jìn)了起重運(yùn)輸機(jī)械的發(fā)展。 對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)械的性能也提出了更高的要求。 現(xiàn)代 起重運(yùn)輸機(jī)械擔(dān)當(dāng)著繁重的物料搬運(yùn)任務(wù)， 是工廠、 鐵路、港口及其它部門實(shí)現(xiàn) 物料搬運(yùn)機(jī)械化的關(guān)鍵。 因而起重運(yùn)輸機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)都用優(yōu)質(zhì)鋼材制造， 并用 焊接代替鉚接連接，不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，縮短了工期，而且大大地減輕了自重，焊 接結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代金屬結(jié)構(gòu)的特征。我國(guó)是使用起重機(jī)械最早的國(guó)家之一，古代我們祖先采用杠桿及轆轤取水， 就是用起重設(shè)備節(jié)省人力的例子。因是人力驅(qū)動(dòng)，故起重能力小，且效率很低。 幾千年的封建統(tǒng)治年代， 工業(yè)得不到發(fā)展， 從而使起重運(yùn)輸設(shè)備及其金屬結(jié)構(gòu)的 發(fā)展緩慢， 阻礙了金屬結(jié)構(gòu)的廣泛使用。

4、解放以前， 我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的起重機(jī) 金屬結(jié)構(gòu)很少， 絕大多數(shù)起重運(yùn)輸設(shè)備依靠進(jìn)口。 鐵路貨物的裝、 卸則以人力為 主。解放初期各主要鐵路站場(chǎng)連一臺(tái)像樣的起重運(yùn)輸機(jī)都沒有， 當(dāng)時(shí)的機(jī)械化水 平就可想而知了。解放以后，隨著冶金、鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，起重運(yùn)輸機(jī)械獲得了飛速的發(fā)展， 金國(guó)剛解放就建立了全國(guó)最大的大連起重機(jī)器廠， 1949 年 10 月，在該廠試制成 功我國(guó)第一臺(tái)起重量為 50 噸、跨度為 22.5m 的橋式起重機(jī)。為培養(yǎng)起重運(yùn)輸機(jī) 械專業(yè)的專門人材， 在上海交通大學(xué)等多所高等工業(yè)學(xué)校中， 創(chuàng)辦了起重運(yùn)輸機(jī) 械專業(yè)。鐵路系統(tǒng)為適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要， 提高裝卸效率， 也在唐山鐵道學(xué)院 （現(xiàn)為

5、西南交通大學(xué)） 辦起了鐵路裝卸機(jī)械專業(yè)， 培養(yǎng)專門從事鐵路裝卸機(jī)械設(shè) 計(jì)和研究的技術(shù)人材。圖1-2 20/10噸單主梁C形龍門起重機(jī)1-大車走行基礎(chǔ)；2-大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)；3-抓斗；4-司機(jī)升降電梯；5-支腿；6-司機(jī)室走臺(tái)；7-司機(jī)室；8-司機(jī)座椅；9-走臺(tái)；10-上部主梁；11- 起重小車；12-小車供電裝置；13-小車罩；14-大車供電裝置；15-地溝J Y力 Him圖1-3100/20噸雙梁O形龍門起重機(jī)1-大車走行基礎(chǔ)；2-地溝供電滑車；3-端部走臺(tái)；4-小車供電裝置；5-欄桿；6-上部主梁，7-小車罩；8-載重小車；9-電梯升降機(jī)構(gòu)；10-小車供電支架；11-端梁；12-上曲腿；13-

6、扶梯；14-直腿；15-下曲腿；16-大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)；17-電梯吊籠；18-爬梯；19-司機(jī)室；20-司機(jī)座椅。到目前為止，我國(guó)通用橋式類型起重機(jī)和工程起重機(jī) （汽車起重機(jī)、輪胎起 重機(jī)、塔式起重機(jī)）已從過去的仿制過渡到了自行設(shè)計(jì)制造的階段。有些機(jī)種和產(chǎn)品，無論從結(jié)構(gòu)形式，還是性能指標(biāo)都達(dá)到了較高水平。1973年西南交通大學(xué)和天津鐵路分局共同研制的單主梁 C形龍門起重機(jī)（圖1-2）和1975年共同 研制的0形雙梁龍門起重機(jī)（圖1-3），由于它們具有腿下凈空大、司機(jī)視野好、 貨物過腿容易、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，深受用戶觀迎，并獲很快推廣。國(guó)內(nèi)許多廠家 已能設(shè)計(jì)制造各種參數(shù)的建筑用塔式起重機(jī)（圖1-4），

7、不僅能滿足國(guó)內(nèi)需要，還有少量出口。近幾年以來，輪式起重機(jī)的發(fā)展極為迅速，不少產(chǎn)品已經(jīng)系列化。其中以中、 小噸位的汽車起重機(jī)最引人注目。 大噸位的輪式起重機(jī)，近年來發(fā)展也很快，圖 1-5為長(zhǎng)江起重機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的125噸汽車起重機(jī)。圖1-4建筑塔式起重機(jī)圖1-5125噸汽車起重機(jī)西南交通大學(xué)和山海關(guān)橋梁廠、蘭州機(jī)車廠共同研制了 100噸定長(zhǎng)臂及伸縮 臂式鐵路起重機(jī)；和武漢橋機(jī)廠共同研制了 160噸定長(zhǎng)臂及伸縮臂式鐵路起重 機(jī)，如圖1-6、1-7所示，其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。圖1-6160噸定長(zhǎng)臂鐵路起重機(jī)圖1-7160噸伸縮臂式鐵路起重機(jī)第二節(jié)起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的分類起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的

8、類型繁多，對(duì)它們進(jìn)行分類，目的是區(qū)別各種不同的 金屬結(jié)構(gòu)類型，找出其共同特點(diǎn)，便于設(shè)計(jì)和計(jì)算。一、按照組成金屬結(jié)構(gòu)基本元件的特點(diǎn)，起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可分為桿系結(jié) 構(gòu)和板結(jié)構(gòu)。桿系結(jié)構(gòu)由許多桿件焊接而成，每根桿件的特點(diǎn)是長(zhǎng)度方向尺寸大， 而斷面 尺寸較小。常見的桁架式龍門起重機(jī)的桁架主梁和支腿、四桁架式橋架、輪式和 塔式起重機(jī)的桁架動(dòng)臂（圖1-8）都是桿系結(jié)構(gòu)圖1-8塔式、輪式起重機(jī)桁架動(dòng)臂板結(jié)構(gòu)由薄板焊接而成。薄板的特點(diǎn)是長(zhǎng)度和寬度方向尺寸較大， 而厚度很 小，所以板結(jié)構(gòu)亦稱薄壁結(jié)構(gòu)。箱形龍門起重機(jī)的上部主梁和變截面箱形支腿 （圖 1-1），汽車起重機(jī)的箱形伸縮臂和支腿（圖 1-9）都是板結(jié)構(gòu)

9、。桿系結(jié)構(gòu)和板結(jié)構(gòu)是起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中最常用的結(jié)構(gòu)形式。二、按起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的外形不同，分為門架結(jié)構(gòu)、臂架結(jié)構(gòu)、車架結(jié) 構(gòu)、轉(zhuǎn)柱結(jié)構(gòu)、塔架結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)可以是桿系結(jié)構(gòu)，亦可以是板梁結(jié)構(gòu)。門 架結(jié)構(gòu)包括龍門起重機(jī)的龍門架，門座起重機(jī)的門腿及平衡重式叉車的門架等。圖1-9汽車起重機(jī)箱形支腿1-走行裝置；2-駕駛室；3-轉(zhuǎn)臺(tái)；4-動(dòng)臂；5-變幅油缸；6-司機(jī)室；7-支腿。三、按組成金屬結(jié)構(gòu)的連接方式不同，起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)分為鉸接結(jié)構(gòu)、 剛接結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。鉸接結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)都是理想鉸。實(shí)際的起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，真正用鉸 接連接的是極少見的。通常在桿系結(jié)構(gòu)中，若桿件主要承受軸向力，而受彎矩

10、很 小時(shí)，稱之為鉸接結(jié)構(gòu)。起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中常用的桁架結(jié)構(gòu)， 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)， 視為鉸接結(jié)構(gòu)。剛接結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)連接比較剛勁， 在外載荷作用下，節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件之間的 相對(duì)夾角不會(huì)變化。剛接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承受較大的彎矩，而不像鉸接結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)認(rèn)為 不承受彎矩。龍門起重機(jī)剛性支腿和上部主梁的連接就屬于剛接節(jié)點(diǎn)，而龍門架結(jié)構(gòu)就是剛接結(jié)構(gòu)（圖1-1 ）。混合結(jié)構(gòu)各桿件之間的節(jié)點(diǎn)，既有鉸接的，又有剛接的。常見單梁電葫蘆橋 式起重機(jī)的主體結(jié)構(gòu)（圖1-10）多做成混合結(jié)構(gòu)形式?；旌辖Y(jié)構(gòu)又稱桁構(gòu)結(jié)構(gòu)。四、起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，按照作用載荷和結(jié)構(gòu)在空間的相互位置不同， 分 為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)的作用載荷和結(jié)構(gòu)桿件

11、的軸線位于同一平面內(nèi)，如圖1-11所示的桁架結(jié)構(gòu)，小車輪壓、結(jié)構(gòu)自重載荷和桁架平面共面， 所以此桁架結(jié)構(gòu)屬于平面結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)桿件的軸線不在一個(gè)平面內(nèi)， 或結(jié)構(gòu)桿件軸線雖位于同一平面，但外 載荷不作用于結(jié)構(gòu)平面（通常稱為平面結(jié)構(gòu)空間受力），處于這兩種情況的結(jié)構(gòu) 都稱空間結(jié)構(gòu)。圖1-12的集裝箱龍門起重機(jī)的龍門架和圖 1-13的輪式起重機(jī)車 架，都是空間結(jié)構(gòu)的例子。圖1-10電葫蘆橋式起重機(jī)桁構(gòu)梁Pi Pi第三節(jié) 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定分析時(shí)，我們常用一理想的力 學(xué)模型來代替實(shí)際的結(jié)構(gòu)物。這種力學(xué)模型稱為起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn) 圖。對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)

12、，應(yīng)使計(jì)算簡(jiǎn)圖盡可能接近實(shí)際情況， 而注意使計(jì)算工 作盡量簡(jiǎn)單。將實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成計(jì)算簡(jiǎn)圖，包括結(jié)構(gòu)本身的簡(jiǎn)化、支座的簡(jiǎn)化和作 用載荷的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)本身簡(jiǎn)化時(shí)，構(gòu)件用其軸線來代替，變截面構(gòu)件近似地視為等截面構(gòu)件， 桿件之間的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的類型，簡(jiǎn)化為鉸接點(diǎn)或剛接點(diǎn)。支座是結(jié)構(gòu)的支承。它是金屬結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)相連接或接觸的部分。 結(jié)構(gòu)所承受 的外加載荷都是通過支座傳給基礎(chǔ)或其它結(jié)構(gòu)的。 因此，支座是金屬結(jié)構(gòu)很重要 的傳力部件。起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常遇到的支座有活動(dòng)鉸支座、固定鉸支 座和固定支座三種?；顒?dòng)鉸支座的特點(diǎn)是在支承部位有一個(gè)鉸接結(jié)構(gòu)，它可使支承的上部結(jié)構(gòu)繞 鉸點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而包括支承在

13、內(nèi)的整個(gè)結(jié)構(gòu)又可在一個(gè)方向內(nèi)自由移動(dòng)。有軌運(yùn)行式起重機(jī)的大車走行輪沿軌道方向可簡(jiǎn)化成活動(dòng)鉸支座。圖1-14a是活動(dòng)鉸支座的結(jié)構(gòu)形式，圖1-14b是活動(dòng)鉸支座的簡(jiǎn)圖?；顒?dòng)鉸支座只能承受垂直方向的 支反力。固定鉸支座和活動(dòng)鉸支座的不同點(diǎn)，是包括支座在內(nèi)的整個(gè)結(jié)構(gòu)不能沿一個(gè) 方向移動(dòng)，但仍可繞鉸點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。固定鉸支座既可承受垂直支反力， 又可承受 水平支反力。圖1-15a中的A支座是固定鉸支座的典型結(jié)構(gòu)，圖1-15b是它的計(jì) 算簡(jiǎn)圖。如果將整個(gè)臺(tái)車作為該支座的組成部分， 對(duì)這樣的支承結(jié)構(gòu)也可以簡(jiǎn)化 為活動(dòng)鉸支座。固定支座和活動(dòng)鉸支座、固定鉸支座相反，它既不能轉(zhuǎn)動(dòng)，又不能沿一個(gè)方 向移動(dòng)。這種支座不僅

14、能承受垂直支反力和水平支反力，而且還能承受彎矩。固 定支座可以用焊接連接，亦可用螺栓連接。圖1-14活動(dòng)鉸支座的典型結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)圖圖1-15固定鉸支座的典型結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)圖起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的支座，通常是屬于空間結(jié)構(gòu)的支座。按平面支座進(jìn)行分析時(shí)，在一個(gè)平面內(nèi)屬于一種支座情況， 而在另一平面內(nèi)， 又可簡(jiǎn)化成另一種 支座情況。 有時(shí)，在同一平面內(nèi)，由于研究的對(duì)象不同或工況不同，也可以取兩 種支座情況。 例如，龍門起重機(jī)在龍門架平面，當(dāng)研究上部主梁強(qiáng)度時(shí)，常取靜 定支座；當(dāng)研究支腿的強(qiáng)度時(shí)，就可能取超靜定支座。載荷簡(jiǎn)化時(shí)，固定載荷（結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的自重載荷）可簡(jiǎn)化成勻布載荷、集中 載荷或節(jié)點(diǎn)載荷。 移動(dòng)載荷（起升

15、載荷和小車自重載荷） 以輪壓的形式作用在小 車軌道上時(shí)，接觸長(zhǎng)度很小，可以簡(jiǎn)化成集中載荷。圖 1-16a 是一單主梁龍門起重機(jī)。 根據(jù)上述原則進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)， 在龍門架平面 主梁和支腿用其幾何軸線代替， 結(jié)構(gòu)自重視為勻布載荷， 起升載荷視為集中移動(dòng) 載荷。計(jì)算主梁時(shí)，支座取圖 1-16b 的靜定支座；計(jì)算支腿時(shí)，用圖 1-16c 的一 次超靜定支座。必須指出， 如何把實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)合理地簡(jiǎn)化成計(jì)算簡(jiǎn)圖， 是起重運(yùn)輸機(jī)金 屬結(jié)構(gòu)分析中一個(gè)十分重要而且應(yīng)該首先加以解決的問題。 計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇合理和 否，將直接影響到結(jié)構(gòu)分析的正確性。 在計(jì)算同一結(jié)構(gòu)時(shí)， 往往需要采用幾種計(jì) 算簡(jiǎn)圖。初步設(shè)計(jì)時(shí)， 用一個(gè)比

16、較簡(jiǎn)單，而精確度不高的計(jì)算簡(jiǎn)圖（確定計(jì)算簡(jiǎn) 圖時(shí)，忽略較多的次要因素）。在最后技術(shù)設(shè)計(jì)階段，改用一個(gè)在計(jì)算上較繁， 而精確度較高的計(jì)算簡(jiǎn)圖（確定計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)，忽略較少的次要因素）。圖1-16單主梁龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖（a）結(jié)構(gòu)圖；（b）簡(jiǎn)化成靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖；（c）簡(jiǎn)化成超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖.第四節(jié) 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別設(shè)計(jì)起重機(jī)時(shí)，需要對(duì)起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和零部件進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性、 疲勞、磨損等計(jì)算。為使所設(shè)計(jì)的起重機(jī)具有先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，安全可靠， 具有一定的工作壽命，必須在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的工作級(jí) 別。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別是表明金屬結(jié)構(gòu)工作繁忙程度的

17、參數(shù)。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別按結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力狀態(tài)（名義應(yīng)力譜系數(shù)）和應(yīng)力循壞次數(shù)（應(yīng)力循環(huán)等級(jí)）分為 A1A8級(jí)。起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)等級(jí)，可以用起重機(jī)結(jié)構(gòu)在其使用壽命期間完成的 總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)來表征。這里所說的循環(huán)次數(shù)是指起升機(jī)構(gòu)從吊重被起升時(shí)開 始，到準(zhǔn)備起升下一個(gè)吊重為止。我國(guó)將起重機(jī)結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命期間總的應(yīng)力循環(huán) 次數(shù)N按使用情況分為十級(jí)，列于表1-1。表1-1起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)等級(jí)應(yīng)力循環(huán)等級(jí)總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N設(shè)備使用情況Uo41.6X 10不經(jīng)常使用U13.2X 10U2U346.3 X 10451.25 X 105U452.5X 105經(jīng)常輕度使用U55.0X 105經(jīng)常中等

18、使用U61.0X 106較繁忙地使用U7U862.0X 104.0X 106繁忙地使用U9>4.0 X 106特別繁忙地使用起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)表明結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的變化程度。它和所起升的載荷在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力口和額定起升載荷產(chǎn)生的應(yīng)力Cmax之比匚i/；max以及各個(gè)應(yīng)力G出 現(xiàn)的次數(shù)n和總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之比m/N有關(guān)。表示G/；max和n/N之間關(guān)系的 圖形稱為應(yīng)力譜。應(yīng)力譜系數(shù)匕按下式計(jì)算：匕=送 n |（1-1）N l<!max 丿式中ni應(yīng)力出現(xiàn)的次數(shù)；N總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N八ni ；第i個(gè)起升的載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,"-'max額定起升載荷產(chǎn)生的應(yīng)力;m指數(shù)，m

19、 二 3。起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)按名義應(yīng)力譜系數(shù)分為四級(jí)，見表 1-2。由式（1-1） 計(jì)算出的a值應(yīng)按表1-2選取和其接近的較大的名義應(yīng)力譜系數(shù)。如果設(shè)計(jì)時(shí)對(duì) 起重機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)不了解，通?？蓱{經(jīng)驗(yàn)預(yù)估一個(gè)合適的應(yīng)力狀態(tài)。表1-2起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及名義應(yīng)力譜系數(shù)k.-應(yīng)力狀態(tài)名義應(yīng)力譜系數(shù)ka構(gòu)件應(yīng)力說明S1-小0.125通常承受很小的應(yīng)力，很少受最大應(yīng)力S2-中0.25通常承受中等應(yīng)力，偶爾受最大應(yīng)力S3-大0.50通常承受較大應(yīng)力，有時(shí)受到最大應(yīng)力S4-特大1.00經(jīng)常有規(guī)律地承受最大應(yīng)力根據(jù)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)等級(jí)和應(yīng)力狀態(tài)，即可確定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的工作級(jí)別，共分為八級(jí)，列于表1

20、-3。表1-3起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級(jí)別的劃分應(yīng)力狀態(tài)名義應(yīng)應(yīng)力循環(huán)等級(jí)力譜系數(shù)QU0U1U2U3U4U5U6U7U8U9S1-小0.125A1A2A3A4A5A6A7A8S2-中0.25A1A2A3A4A5A6A7A8S3-大0.50A1A2A3A4A5A6A7A8S4-特大1.00A2A3A4A5A6A7A8起重機(jī)的載荷譜和工作循環(huán)次數(shù)是決定構(gòu)件應(yīng)力譜和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的依據(jù)。 結(jié)構(gòu)工作級(jí)別不一定和起重機(jī)的工作級(jí)別相同，視具體情況而定。常用起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級(jí)別，列于表1-4，供設(shè)計(jì)時(shí)參考表1-4 常用起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作級(jí)別舉例起重機(jī)類別起重機(jī)主要用途金屬結(jié)構(gòu)工作級(jí)別起重機(jī)類別起重機(jī)主要用途金屬結(jié)

21、構(gòu)工作級(jí)別龍門起重機(jī)一般用途A5 A6輪式起重機(jī)履帶起重機(jī)安裝和裝卸用A4 A6用抓斗裝卸散狀貨物A6 A7用抓斗裝卸散狀貨物A6 A7電站用A5塔式起重機(jī)建筑、施工安裝用H<60mA5造船、安裝用A5H>60mA6裝卸集裝箱A6 A7運(yùn)送混凝土用H<60mA6門座起重機(jī)安裝用A5H>60mA7裝卸一般貨物A6用抓斗裝卸散狀貨物A7 A8注：表中H貨物起升高度第五節(jié) 對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的要求及其發(fā)展趨向起重運(yùn)輸機(jī)是一種工作十分繁忙的重型機(jī)械， 又是一種移動(dòng)機(jī)械，為保證其 正常工作，對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)提出如下要求：起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)必須堅(jiān)固耐用。金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)保證起重機(jī)有

22、良好的工作性 能，因此，其本身應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力求輕巧。 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的重量約占整 機(jī)重量的4070%,巨型起重機(jī)則可達(dá) 90%以上。由于起重運(yùn)輸機(jī)是移動(dòng)的， 因此減輕自重不但可以節(jié)省原材料，而且也相應(yīng)地減輕了機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和支承結(jié)構(gòu) 的造價(jià)；起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的制造工藝性要求簡(jiǎn)單，安裝、維修容易，并應(yīng)注意改 善司機(jī)的工作條件；起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的外形應(yīng)盡可能美觀、大方。 起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作不僅繁忙， 且結(jié)構(gòu)自重甚大， 消耗鋼材很多， 金屬 結(jié)構(gòu)的成本約占總成本的 1/3 以上。因此，設(shè)法提高金屬結(jié)構(gòu)的性能， 節(jié)省材料， 減輕自重、 減少制造勞動(dòng)

23、量， 從而降低產(chǎn)品成本， 是起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 制造工作堅(jiān)定不移的方針，也是今后發(fā)展的總趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的基本要求， 提出以下幾點(diǎn)今后發(fā)展的方向和研 究的重點(diǎn)。一、設(shè)計(jì)計(jì)算理論的研究和改進(jìn) 到目前為止，在起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我國(guó)仍采用許用應(yīng)力計(jì)算法。這種方法使用起來比較簡(jiǎn)便， 但其缺點(diǎn)是對(duì)不同用途， 不同工作性質(zhì) （受力情況） 的金屬結(jié)構(gòu)采用同一的安全系數(shù)， 而且安全系數(shù)往往偏大或過小。 因此，按許用 應(yīng)力計(jì)算法設(shè)計(jì)的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)， 或者多消耗金屬材料或者安全程度較低。 隨 著生產(chǎn)發(fā)展的要求， 試驗(yàn)研究工作的開展， 促進(jìn)了計(jì)算理論的改進(jìn)和發(fā)展。 近年 來出現(xiàn)了不少新

24、的計(jì)算方法， 提出許多新的數(shù)據(jù)、參數(shù)、系數(shù)和公式。這些方法 正確地考慮了載荷的作用性質(zhì)， 鋼材的性能及結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)， 如在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)領(lǐng)域內(nèi)采用的以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)計(jì)算法就是一例。 這種計(jì)算方法， 計(jì) 算結(jié)果比較精確， 比較符合金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況。 因而也能更充分地利用鋼 材的性能，節(jié)省材料。二、改進(jìn)和創(chuàng)造新型的結(jié)構(gòu)形式在保證起重運(yùn)輸機(jī)工作性能的條件下， 改進(jìn)和不斷創(chuàng)造新型的結(jié)構(gòu)形式， 是 最有效地減輕起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)自重的方法之一。 例如汽車起重機(jī)動(dòng)臂用周長(zhǎng) 相同的折線閉合斷面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的箱形截面（圖 1-17），使斷面幾何特性有所改 善，因而提高了動(dòng)臂的強(qiáng)度、 剛度和穩(wěn)定性，

25、降低了動(dòng)臂的自重。根據(jù)動(dòng)臂的受 力特點(diǎn)，國(guó)外出現(xiàn)了梯形截面的動(dòng)臂結(jié)構(gòu)（圖 1-18），在減輕結(jié)構(gòu)自重方面， 也取得了顯著效果。鐵路部門自行設(shè)計(jì)并制造的三角形斷面桁架式龍門起重機(jī)金 屬結(jié)構(gòu)，自重比相同參數(shù)的雙梁箱形龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)輕15%-20%。港口小型門座起重機(jī)的動(dòng)臂用矩形斷面空腹管結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu)， 使動(dòng)臂自重下降20%。我國(guó)六機(jī)部第九設(shè)計(jì)院為馬耳他設(shè)計(jì)并制造的起重量150噸，幅度45m的門座起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)，全部采用薄壁箱形結(jié)構(gòu)，在減輕整機(jī)自重方面取得了 明顯的效果。(a)(b)圖1-17折線形和八角形閉合斷面動(dòng)臂圖1-18梯形截面動(dòng)臂（a）折線形截面動(dòng)臂；（b）八角形截面動(dòng)臂。

26、三、改進(jìn)制造工藝過程廣泛地采用焊接，特別是自動(dòng)焊和改進(jìn)工藝過程，使用沖壓焊接鋼板制造起 重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，既能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造，節(jié)省材料，又能減少制造安裝的勞動(dòng)量， 縮短工期，從而降低產(chǎn)品成本。采用焊接結(jié)構(gòu)比鉚接結(jié)構(gòu)可以節(jié)省鋼材30%以上，所以用焊接代替鉚接結(jié)構(gòu)被稱為金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造方法的一大改革。目前生產(chǎn)的起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)絕大部分都是采用焊接連接。使用沖壓焊接鋼板的金屬結(jié)構(gòu)，并用螺栓進(jìn)行裝配，可以省去許多復(fù)雜而繁 重的組裝工藝，防止裝配變形，增加結(jié)構(gòu)剛度，保證結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量。四、盡量采用先進(jìn)技術(shù)目前，起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造工作雖然有了一整套可行的方法和 工藝，但仍有許多問題有待進(jìn)一步

27、研究和改進(jìn)。在設(shè)計(jì)方面，如研究采用預(yù)應(yīng)力的方法設(shè)計(jì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，可改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，節(jié)省鋼材。利用有限元法（借助電子計(jì)算機(jī)）解算復(fù)雜的計(jì)算問題， 能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度且可探索斷裂設(shè)計(jì)法在起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中使 用的可能性。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，把設(shè)計(jì)工作的主要精力轉(zhuǎn)到優(yōu)化方案 的選擇方面來，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者由被動(dòng)的校核設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)地從各種可 能的設(shè)計(jì)方案中尋求最優(yōu)的方案，最優(yōu)方案可以用數(shù)字來表示，用數(shù)字來回答問 題，優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特色。在制造方面，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的沖壓結(jié)構(gòu)，使用最新的連接方法（高強(qiáng)度螺 栓及膠合連接等）和裝配式結(jié)構(gòu)，選擇更先進(jìn)的工藝

28、等，這些都能為改善起重機(jī) 的工作性能，節(jié)省材料，提高生產(chǎn)率，降低成本提供有利的條件。五、提高起重機(jī)的參數(shù)近年來，除生產(chǎn)一些輕、小、簡(jiǎn)、廉的起重設(shè)備，以滿足各使用部門的需要 外，為解決長(zhǎng)大笨重貨物（如冶煉設(shè)備、水壩閘門、化工設(shè)備、大型船舶、發(fā)電 設(shè)備和火車頭等）的裝卸，各國(guó)生產(chǎn)的起重機(jī)有向大噸位、大幅度（大跨度）、 大高度、高速度方向發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)要求有靈活的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)對(duì)起重機(jī) 調(diào)速的要求。由于造船工業(yè)的蓬勃發(fā)展，船舶噸位由幾千噸發(fā)展到幾十萬噸，為解決船 體整段組裝和機(jī)械安裝，國(guó)外已生產(chǎn)了大型龍門起重機(jī)來代替原有的門座起重機(jī) 和塔式起重機(jī)。日本造有載重量為20003000kN，跨度為104140m,高度70m 左右的箱形單主梁龍門起重機(jī)；西德制成了造船用的載重量為8400kN，跨度140m，全高96m的箱形單主梁龍門起重機(jī)，主梁高達(dá)8m,滿載時(shí)總重量達(dá)40000kN。英國(guó)設(shè)計(jì)制造了載重量 10000kN,跨度150m,高度60m以上的巨形 龍門起重機(jī)。我國(guó)已經(jīng)