桥式起重机载荷试验与设计理论的分析与综述

2012-08-23蔡海英

科技视界 2012年34期

蔡海英

（龙岩技师学院福建龙岩 364000）

桥式起重机静载荷试验的目的是检验起重机及其部件的结构承载能力，动载荷试验主要目的是验证各机构和制动器的功能。在其设计阶段就考虑到载荷试验验规范要求，结合静载荷和动载荷试验的具体要求，就其在金属结构设计时所需考虑的问题进行全面分析，并对载荷试验与机构部分设计的关系加以初步分析。

1 桥式起重机的载荷试验过程与分析

桥式起重机试验包括空载试验、额定载荷试验、静载荷试验、动载荷试验[1]。试验的顺序为：空载试验，额定载荷试验，静载荷试验，最后动载荷试验。按照试验的工况，对起重机械的综合质量要求越来越高，前一项试验不合格，不能进行下一项试验，需整改完毕，经复查合格后才能继续后面的试验[2]。

1.1 空载试验

试验前，检测各个回路电阻，然后接通电源，开动各机构，使小车沿主梁全长，起重机沿轨道适当长度往返运行各不少于3次，应无任何卡阻现象，检查限位开关、缓冲器工作是否正常，吊具左右极限位置是否符合要求。空运转试验时，分别开动各机构，做正、反方向运转，累计时间不少于5min，并做好记录。

1.2 额定载试验

额定载荷试验的目的是通过额定载荷试验进一步测试起重机的相关功能指标。试验过程为：主起升机构按1.0倍额定载荷加载，使起重机和小车运行机构、起升机构做联合动作，只允许同时开动两个机构。试验过程中需分别检测各机构的速度、制动距离和起重机的噪声，保证设计功能的实现。

1.3 静载试验

起重机在做静载荷试验时，每个起升机构的静载荷试验必须分别进行，静载荷试验的试验载荷为1.25倍额定载荷，验证起重能力、电控系统正常控制。

1.4 动载荷试验

动载荷试验的目的主要是验证起重机各机构和制动器的功能，起重机各机构的动载荷试验应先分别进行，然后作联合动作的试验。

2 桥式起重机结构设计方法

我国《起重机设计规范》对金属结构设计方法有如下描述：在起重机金属结构设计中，通常采用许用应力设计法和极限状态设计法两种方法。

2.1 许用应力法

对许用应力法作如下定义：使外载荷作用在结构及连接接头中使之产生的应力和变形，不大于结构及连接接头的承载能力（强度和稳定性的抗力以及变形控制值）的设计方法[3]。

2.2 极限状态法

继许用应力设计法之后，一些学者提出极限状态设计法。极限状态设计法是基于概率与统计理论的一种新的结构可靠性设计方法，这种方法把载荷、构件实际尺寸以及材料性质等因素均看作基于某种概率分布的统计计算，并通过大量的实测、试验、调查得到各个基本变量的分布概率及参数，再应用概率论相关理论知识，计算结构失效的概率，从而估计出起重机金属结构的安全度[4]。

2.3 两种方法的比较

1）极限状态设计法比许用应力设计法的实际应力值和许用应力值都有所增大，至于增大数值的程度，需要根据不同的机型、具体的载荷及载荷组合确定。

2）极限状态设计法更适用于结构外在载荷作用下产生较大变形的场合及内力与载荷组合成非线性关系的场合。

3 桥式起重机结构部分载荷分析

桥架上作用的载荷可以分为：垂直载荷、水平载荷以及扭转载荷。

3.1 垂直载荷

桥架沿垂直方向作用的载荷有：固定载荷、移动载荷和冲击载荷。

3.1.1 固定载荷半桥架重力PGb包括主梁，小车轨道、走台、栏杆和集中驱动的传动轴等重力，它们均按均布载荷Fq作用在跨度S的桥架上：

桥架上的固定设备载荷PGi根据起重机类型而不同，它包括运行机构电动机重力PGb、减速器重力PGj和司机室重力PGs等，并按其实际位置，以集中应力方式作用在桥架上。

图3-1 小车轮压计算图

3.1.2 移动载荷

移动载荷包括额定起升载荷PG和小车重力PGx。移动载荷以小车轮压的方式作用在主梁上。在本文验算桥架结构强度和刚度时，小车重和吊重是已知条件，可直接计算。本文以四轮小车轮压计算为例，计算简图如图3-1所示。O是小车架中心，K和b是小车架的轨距和轮距，额定起升载荷PQ作用点为E，小车的综合质心F偏离通过O的纵轴的距离为 e，E点距AD边的距离为l1，F点距AD边的距离为l2，分别计算受力较大的一侧梁（AB）的轮压值。

小车重力PGx产生的静压Px1和Px2为：

额定起升载荷PQ产生的静压PO1和PO2为：

由PGX和PQ产生的静轮压值为：

采用均衡梁式八轮小车，静轮压计算与四轮小车相同，先求出均衡梁支承铰点的支反力，再均分于均衡梁的两个车轮上。

3.1.3 冲击载荷

桥式起重机运行至轨道接头处，会产生冲击力，引起结构振动，这个可以由运行冲击系数Ф4来考虑。起重小车升降物品起、制动时，会使结构的自重载荷、起升载荷增大，自重载荷由起升冲击系数Ф1、起升载荷由计算结构的动载系数Ф2或者突然卸载冲击系数Ф3考虑。

根据工况不同，各系数应乘以不同的载荷，计算时对吊钩起重小车轮压为：

式中Ф1、Ф2也可能是Ф4。当小车轮距不大时，可取合力∑P=P1+P2来计算桥架。对刚性吊具小车，通常选取载荷系数Ф2、Ф3、Ф4计算。按照起重机设计规范载荷组合规定，也可将动力系数Фi先乘以相应载荷上，再分别计算出轮压值。

3.2 水平载荷

水平载荷又包括大、小车起、制动惯性载荷，偏斜运行时的水平侧向载荷、风载荷本文计算的桥式起重机均假设为室内使用，不计风载荷作用。

3.2.1 起、制动惯性载荷

大车或者小车运行.起、制动时，将使桥架、小车和起升质量产生水平惯性力，其各惯性力用以下总表达式计算，但不大于大车主动轮与钢轨之间的滑动摩擦力，即水平惯性力PHi为：式中m——所计算惯性力物体的质量；a——运行加速度；

Ф5——考虑结构水平振动而使惯性力的增大的动载系数，一般Ф5=1.5；

no——大车主动轮数；n——大车车轮总数；

μ——滑动摩擦系数，正常轨道面，μ=0.14；轨道上撒砂时，μ=0.25。根据上式计算的惯性力为两类：

2）大车起、制动惯性力。半桥架质量mG产生的水平惯性力，以水平均布载荷FH作用于梁上。由半桥架固定载荷的集中质量mGi产生的惯性力PHi，以水平集中力作用于梁的相应位置上。

小车和起升载荷的质量（mx+mq）产生的水平惯性力以水平移动集中力PH1，PH2作用于梁上，并与轮压的作用位置相对应。当轮压不大时，为简化计算，常以合力PH=PH1+PH2作用于主梁上。

3.2.2 偏斜运行时的水平侧向载荷

桥架偏斜运行时，会产生的水平侧向载荷，偏斜运行时的水平侧向载荷Ps，作用在一根端梁的相应的两个车轮轮缘上。

3.3 扭转载荷

由于垂直、水平载荷对主梁截面的偏心作用而产生扭转载荷。

上述各种载荷对不同的桥架产生的作用也不同，应视具体情况区别对待。

4 载荷试验与机构部分设计的关系

4.1 静载荷试验与机构部分设计的关系

起重机静载荷试验的目的是检验起重机及其部件的结构承载能力，其试验要在使其结构处于最不利的状态下进行，即主小车停靠在跨中位置，先按1.0倍额定载荷加载，起升离地面100～200mm处悬空，再无冲击地加载至1.25倍额定载荷，悬空时间不少于10min。卸去载荷，将空载小车停放在极限位置，用拉钢丝的方法检查起重机主梁基准点处应无永久变形、且主梁实有上拱度符合检测规范要求，即可终止试验。如有永久变形，需从头再做试验，但总共不超过三次，不应再有永久变形。

静载试验同时考核起升机构中的吊钩、钢丝绳、卷筒、减速器等的承载能力，以及制动器的支持能力；金属结构焊接质量与机械连接质量，以及电动机、制动器、卷筒轴承座及减速器等，静载试验后，要求零部件安装不得松动。

4.2 动载荷试验与机构部分设计的关系

动载试验目的是验证各机构和制动器功能。动载试验过程为：首先起升机构按1.1倍额定载荷加载，对每种动作应在其行程范围内作反复起动和制动。对悬挂着试验载荷作空中起动时，试验载荷不应出现反向动作。试验时应按电动机接电持续率留有操作的间歇时间，按操作规程进行控制，且必须注意把加速度、减速度和速度限制在正常工作的范围内，按接电持续率及其工作循环，试验时间至少应延续1小时[5]。

试验过程中，动载荷试验把试验载荷扩大到额定载荷1.1倍，且运行工况和额定载荷下运行工况是完全相同，主要考核了起重机各机构在超载条件下的工作能力，这就要求我们在机构设计过程中必须得全面考虑动载试验所带来的所有影响因素，保证起重机具有超出10%额定载荷的工作能力，尤其要考虑电动机的发热验算问题。