橋式起重機載荷試驗與設(shè)計理論的分析與綜述

蔡海英

（龍巖技師學(xué)院 福建 龍巖 364000）

橋式起重機靜載荷試驗的目的是檢驗起重機及其部件的結(jié)構(gòu)承載能力，動載荷試驗主要目的是驗證各機構(gòu)和制動器的功能。在其設(shè)計階段就考慮到載荷試驗驗規(guī)范要求，結(jié)合靜載荷和動載荷試驗的具體要求，就其在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計時所需考慮的問題進行全面分析，并對載荷試驗與機構(gòu)部分設(shè)計的關(guān)系加以初步分析。

1 橋式起重機的載荷試驗過程與分析

橋式起重機試驗包括空載試驗、額定載荷試驗、靜載荷試驗、動載荷試驗[1]。試驗的順序為：空載試驗，額定載荷試驗，靜載荷試驗，最后動載荷試驗。按照試驗的工況，對起重機械的綜合質(zhì)量要求越來越高，前一項試驗不合格，不能進行下一項試驗，需整改完畢，經(jīng)復(fù)查合格后才能繼續(xù)后面的試驗[2]。

1.1 空載試驗

試驗前，檢測各個回路電阻，然后接通電源，開動各機構(gòu)，使小車沿主梁全長，起重機沿軌道適當長度往返運行各不少于3次，應(yīng)無任何卡阻現(xiàn)象，檢查限位開關(guān)、緩沖器工作是否正常，吊具左右極限位置是否符合要求。空運轉(zhuǎn)試驗時，分別開動各機構(gòu)，做正、反方向運轉(zhuǎn)，累計時間不少于5min，并做好記錄。

1.2 額定載試驗

額定載荷試驗的目的是通過額定載荷試驗進一步測試起重機的相關(guān)功能指標。試驗過程為：主起升機構(gòu)按1.0倍額定載荷加載，使起重機和小車運行機構(gòu)、起升機構(gòu)做聯(lián)合動作，只允許同時開動兩個機構(gòu)。試驗過程中需分別檢測各機構(gòu)的速度、制動距離和起重機的噪聲，保證設(shè)計功能的實現(xiàn)。

1.3 靜載試驗

起重機在做靜載荷試驗時，每個起升機構(gòu)的靜載荷試驗必須分別進行，靜載荷試驗的試驗載荷為1.25倍額定載荷，驗證起重能力、電控系統(tǒng)正常控制。

1.4 動載荷試驗

動載荷試驗的目的主要是驗證起重機各機構(gòu)和制動器的功能，起重機各機構(gòu)的動載荷試驗應(yīng)先分別進行，然后作聯(lián)合動作的試驗。

2 橋式起重機結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

我國《起重機設(shè)計規(guī)范》對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有如下描述：在起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常采用許用應(yīng)力設(shè)計法和極限狀態(tài)設(shè)計法兩種方法。

2.1 許用應(yīng)力法

對許用應(yīng)力法作如下定義：使外載荷作用在結(jié)構(gòu)及連接接頭中使之產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，不大于結(jié)構(gòu)及連接接頭的承載能力（強度和穩(wěn)定性的抗力以及變形控制值）的設(shè)計方法[3]。

2.2 極限狀態(tài)法

繼許用應(yīng)力設(shè)計法之后，一些學(xué)者提出極限狀態(tài)設(shè)計法。極限狀態(tài)設(shè)計法是基于概率與統(tǒng)計理論的一種新的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方法，這種方法把載荷、構(gòu)件實際尺寸以及材料性質(zhì)等因素均看作基于某種概率分布的統(tǒng)計計算，并通過大量的實測、試驗、調(diào)查得到各個基本變量的分布概率及參數(shù)，再應(yīng)用概率論相關(guān)理論知識，計算結(jié)構(gòu)失效的概率，從而估計出起重機金屬結(jié)構(gòu)的安全度[4]。

2.3 兩種方法的比較

1）極限狀態(tài)設(shè)計法比許用應(yīng)力設(shè)計法的實際應(yīng)力值和許用應(yīng)力值都有所增大，至于增大數(shù)值的程度，需要根據(jù)不同的機型、具體的載荷及載荷組合確定。

2）極限狀態(tài)設(shè)計法更適用于結(jié)構(gòu)外在載荷作用下產(chǎn)生較大變形的場合及內(nèi)力與載荷組合成非線性關(guān)系的場合。

3 橋式起重機結(jié)構(gòu)部分載荷分析

橋架上作用的載荷可以分為：垂直載荷、水平載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷。

3.1 垂直載荷

橋架沿垂直方向作用的載荷有：固定載荷、移動載荷和沖擊載荷。

3.1.1 固定載荷半橋架重力PGb包括主梁，小車軌道、走臺、欄桿和集中驅(qū)動的傳動軸等重力，它們均按均布載荷Fq作用在跨度S的橋架上：

橋架上的固定設(shè)備載荷PGi根據(jù)起重機類型而不同，它包括運行機構(gòu)電動機重力PGb、減速器重力PGj和司機室重力PGs等，并按其實際位置，以集中應(yīng)力方式作用在橋架上。

圖3-1 小車輪壓計算圖

3.1.2 移動載荷

移動載荷包括額定起升載荷PG和小車重力PGx。移動載荷以小車輪壓的方式作用在主梁上。在本文驗算橋架結(jié)構(gòu)強度和剛度時，小車重和吊重是已知條件，可直接計算。本文以四輪小車輪壓計算為例，計算簡圖如圖3-1所示。O是小車架中心，K和b是小車架的軌距和輪距，額定起升載荷PQ作用點為E，小車的綜合質(zhì)心F偏離通過O的縱軸的距離為 e，E點距AD邊的距離為l1，F(xiàn)點距AD邊的距離為l2，分別計算受力較大的一側(cè)梁（AB）的輪壓值。

小車重力PGx產(chǎn)生的靜壓Px1和Px2為：

額定起升載荷PQ產(chǎn)生的靜壓PO1和PO2為：

由PGX和PQ產(chǎn)生的靜輪壓值為：

采用均衡梁式八輪小車，靜輪壓計算與四輪小車相同，先求出均衡梁支承鉸點的支反力，再均分于均衡梁的兩個車輪上。

3.1.3 沖擊載荷

橋式起重機運行至軌道接頭處，會產(chǎn)生沖擊力，引起結(jié)構(gòu)振動，這個可以由運行沖擊系數(shù)Ф4來考慮。起重小車升降物品起、制動時，會使結(jié)構(gòu)的自重載荷、起升載荷增大，自重載荷由起升沖擊系數(shù)Ф1、起升載荷由計算結(jié)構(gòu)的動載系數(shù)Ф2或者突然卸載沖擊系數(shù)Ф3考慮。

根據(jù)工況不同，各系數(shù)應(yīng)乘以不同的載荷，計算時對吊鉤起重小車輪壓為：

式中Ф1、Ф2也可能是Ф4。當小車輪距不大時，可取合力∑P=P1+P2來計算橋架。對剛性吊具小車，通常選取載荷系數(shù)Ф2、Ф3、Ф4計算。按照起重機設(shè)計規(guī)范載荷組合規(guī)定，也可將動力系數(shù)Фi先乘以相應(yīng)載荷上，再分別計算出輪壓值。

3.2 水平載荷

水平載荷又包括大、小車起、制動慣性載荷，偏斜運行時的水平側(cè)向載荷、風(fēng)載荷本文計算的橋式起重機均假設(shè)為室內(nèi)使用，不計風(fēng)載荷作用。

3.2.1 起、制動慣性載荷

大車或者小車運行.起、制動時，將使橋架、小車和起升質(zhì)量產(chǎn)生水平慣性力，其各慣性力用以下總表達式計算，但不大于大車主動輪與鋼軌之間的滑動摩擦力，即水平慣性力PHi為：式中m——所計算慣性力物體的質(zhì)量；a——運行加速度；

Ф5——考慮結(jié)構(gòu)水平振動而使慣性力的增大的動載系數(shù)，一般Ф5=1.5；

no——大車主動輪數(shù)；n——大車車輪總數(shù)；

μ——滑動摩擦系數(shù)，正常軌道面，μ=0.14；軌道上撒砂時，μ=0.25。根據(jù)上式計算的慣性力為兩類：

2）大車起、制動慣性力。半橋架質(zhì)量mG產(chǎn)生的水平慣性力，以水平均布載荷FH作用于梁上。由半橋架固定載荷的集中質(zhì)量mGi產(chǎn)生的慣性力PHi，以水平集中力作用于梁的相應(yīng)位置上。

小車和起升載荷的質(zhì)量（mx+mq）產(chǎn)生的水平慣性力以水平移動集中力PH1，PH2作用于梁上，并與輪壓的作用位置相對應(yīng)。當輪壓不大時，為簡化計算，常以合力PH=PH1+PH2作用于主梁上。

3.2.2 偏斜運行時的水平側(cè)向載荷

橋架偏斜運行時，會產(chǎn)生的水平側(cè)向載荷，偏斜運行時的水平側(cè)向載荷Ps，作用在一根端梁的相應(yīng)的兩個車輪輪緣上。

3.3 扭轉(zhuǎn)載荷

由于垂直、水平載荷對主梁截面的偏心作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。

上述各種載荷對不同的橋架產(chǎn)生的作用也不同，應(yīng)視具體情況區(qū)別對待。

4 載荷試驗與機構(gòu)部分設(shè)計的關(guān)系

4.1 靜載荷試驗與機構(gòu)部分設(shè)計的關(guān)系

起重機靜載荷試驗的目的是檢驗起重機及其部件的結(jié)構(gòu)承載能力，其試驗要在使其結(jié)構(gòu)處于最不利的狀態(tài)下進行，即主小車?？吭诳缰形恢茫劝?.0倍額定載荷加載，起升離地面100～200mm處懸空，再無沖擊地加載至1.25倍額定載荷，懸空時間不少于10min。卸去載荷，將空載小車停放在極限位置，用拉鋼絲的方法檢查起重機主梁基準點處應(yīng)無永久變形、且主梁實有上拱度符合檢測規(guī)范要求，即可終止試驗。如有永久變形，需從頭再做試驗，但總共不超過三次，不應(yīng)再有永久變形。

靜載試驗同時考核起升機構(gòu)中的吊鉤、鋼絲繩、卷筒、減速器等的承載能力，以及制動器的支持能力；金屬結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與機械連接質(zhì)量，以及電動機、制動器、卷筒軸承座及減速器等，靜載試驗后，要求零部件安裝不得松動。

4.2 動載荷試驗與機構(gòu)部分設(shè)計的關(guān)系

動載試驗?zāi)康氖球炞C各機構(gòu)和制動器功能。動載試驗過程為：首先起升機構(gòu)按1.1倍額定載荷加載，對每種動作應(yīng)在其行程范圍內(nèi)作反復(fù)起動和制動。對懸掛著試驗載荷作空中起動時，試驗載荷不應(yīng)出現(xiàn)反向動作。試驗時應(yīng)按電動機接電持續(xù)率留有操作的間歇時間，按操作規(guī)程進行控制，且必須注意把加速度、減速度和速度限制在正常工作的范圍內(nèi)，按接電持續(xù)率及其工作循環(huán)，試驗時間至少應(yīng)延續(xù)1小時[5]。

試驗過程中，動載荷試驗把試驗載荷擴大到額定載荷1.1倍，且運行工況和額定載荷下運行工況是完全相同，主要考核了起重機各機構(gòu)在超載條件下的工作能力，這就要求我們在機構(gòu)設(shè)計過程中必須得全面考慮動載試驗所帶來的所有影響因素，保證起重機具有超出10%額定載荷的工作能力，尤其要考慮電動機的發(fā)熱驗算問題。

5 結(jié)論

本文主要介紹了橋式起重機的載荷試驗過程及設(shè)計方法和理論，并根據(jù)試驗的具體要求，對橋架結(jié)構(gòu)在載荷試驗條件下的強度和剛度進行理論分析；另一方面，還介紹了在機構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)考慮載荷試驗所帶來的影響因素。

［1］GBT14405-2011通用橋式起重機[S].北京：中國標準出版社，2011.

［2］張應(yīng)力.起重司機安全操作技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［3］徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計.第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

［4］郭云志，王鑫.極限狀態(tài)設(shè)計法及應(yīng)用[J].建筑機械，2005，（05）：2-4.

［5］王善樵，文豪.起重機安全保護技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.