起重机轨道压板受力计算资料

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1、起 重 机 轨 道 压 板 受 力 计 算 武汉市特种设备监督检验所 ? 吴爱京 ? ? 摘? 要: 分析了起重机轨道的受力, 推导出了起重机轨道压板所受的外力, 再由有限元素法求出了压板各 部位的应力分布, 以此来判断压板的安全性。 关键词: 起重机; 轨道压板; 受力分析 Abstract: Forces exerted on crane tracks are analyzed, and external forces exerted on track hold- down plates and the stress distribution are worked out. The cal

2、culation results are used to judge whether the plate is safe or not. Keywords: crane; track nold- down plate; force analysis ? ? 起重机属于危险性较大的特种设备, 其结构设 计、制造与检验均有国家标准规范, 而轨道固定压 板没有设计或标准规范。在起重机的安全事故中, 许多是由于轨道压板固定失效而产生。因此, 对轨 道压板的受力及应力分布进行研究, 希望对压板提 供一套合理的分析方法及设计依据。 1? 轨道的受力分析 桥架式起重机以吊钩、抓斗或电磁铁等将物体 提升, 经

3、由桥架将载重传到车轮,通过车轮与轨道 接触, 使所承受负荷由轨道、轨道压板、支承梁等 传到地面。将轨道所受的作用力分 3 个方向予以分 析,即纵向、横向与垂直受力。起重机在静态时, 其轨道仅受到本身的自重、额定载荷、桁架重心位 置等影响; 而在动态时,则受到负载升降、起动加 速、车轮踏面不圆、轨道踏面不平、轨道接缝起伏 等影响,造成起重机的冲击与振动。 1?1? 轨道垂直方向受力分析 桥架式起重机中桁架 U、小车 G0、额定起重 量 Q 等重量均由垂直方向作用于车轮,如图 1 所 示。 图 1? 桥架式起重机垂直载荷图 依图 1 可得各车轮的最大轮压为 P1man= M ? U n + ? ?

4、 2? ( Q+ G0) n ? L2 L (1) P2man= M ? U n + ? ? 2? ( Q+ G0) n ? L1 L (2) 式中:U 为桁架重量;Q 为额定起重量;G0为小 车重量;n 为纵向行走车轮总数;P1为单一车轮 左侧负荷;P2为单一车轮右侧负荷;L 为跨距; L1为吊钩最远距离; L2为吊钩最近距离;M 为作 业系数;? 为冲击系数。 由式 (1) 及 (2) 虽可精确计算出车轮最大负 荷, 但有些参数如桁架重量 U、小车重量 G0在设 计初期并不知道,可以按照起重特性曲线, 查找相 应参数关系,进行粗略估算,小车重量 G0与额定 起重量 Q 之间关系可由经验式

5、(3) 计算 G0=(2?5+ Q) / 5(3) 1?2? 轨道纵向受力分析 起重机除了克服车轮在轨道上的滚动摩擦力 FR外,还需克服强风引起的空气阻力 FW和使起 重机加速起动的加速阻力 Fa,所以,纵向行驶的 车轮作用于轨道上的纵向合力 FY,即可由下式计 算 FY= FR+ FW+ Fa( 4) ( 1) 滚动摩擦力 轨道与车轮接触导致轨道材料在车轮前形成阻 力。滚动摩擦系数是车轮在一定条件下滚动,所形 成的阻力与车轮轮压之比,所以, 如果知道滚动摩 擦系数f 与车轮轮压,即可求得该车轮的滚动摩擦 力, 假设所有车轮支承的起重机总重为桁架重量 U、小车重量 G0、额定起重量 Q 之和,

6、则总的滚 动摩擦力 FR为 FR= f ? ( U+ G0+ Q)(5) 在式 (5) 中,一般轨道与车轮均为钢材,其 滚动摩擦系数 f 为 0?02 0?04。故起重机的总滚动 摩擦力 FR也可表达为 FR=( 0?02 0?04)? ( U+ G0+ Q)(6) (2) 空气阻力 ?14? ?起重运输机械? ? 2007 (11) 对于室外工作,尤其是在港口或在空旷地面上 使用的起重机,在强风的环境中仍能正常工作,必 须考虑风力对起重机所产生的负荷, 空气阻力可拆 分为压力与粘滞阻力 2 部分, 由空气的粘滞性产生 的粘滞阻力, 对起重机的影响很小, 一般可忽略不 计。 依照 GB3811

7、? 1983 起重机钢结构计算标准, 工作时风载荷仅考虑风的正向压力, 其最大风速以 不超过 16 m/ s 为强度设计依据, 风力所产生载荷 FW为风力系数 CW、速度压 qW( N/ m2) 、迎风面 积 AW(m2) 的乘积,即 FW= CW? qW? AW( 7) 对空气阻力计算式 ( 7) 中的风力系数、速度 压与迎风面积的选用及计算方式如下: ? 风力系数 CW。由不同的结构物形状可由表 1 求得。 表1 中, II 为充实率,为迎风面轮廓所包围的 面积与实际迎风构件投影面积之比;h/ l 为桁架或 箱型桁架的高与长之比。 一般桁架或箱型桁架, 其风力系数 CW最大值 由表 1 可

8、按 CW= 1?6 计算。 表 1? 风力系数 CW 迎风面构造形状CW 钢桁架II 未满 0?12?0 0?1 以上未满 0?31?8 0?3 以上未满 0?91?6 0?9 以上2?0 板桁架或 箱型桁架 h/ l 未满51?2 5 以上未满 101?3 10 以上未满 151?4 15 以上未满 251?6 ? ? ? 速度压 qW。速度压与风速 v ( m/ s) 及距地 面之高度 H1( m) 有关,其公式为 qW= v2 3 4 H1(8) 依GB3811? 1983 规定,起重机工作最大风速 为16 m/ s, 例如: 以一般起重机桁架距地面高度为 16 m, 代入式 ( 8)

9、可得速度压为 qW= 162 3 4 16= 170?67 ( N/ m2) ? 迎风面积 AW。取迎风方向的投影面积 Ay与 被吊物迎风面积 Al之和,即 AW= Ay+ Al。但被吊 物体的形状并不一定规则,故可按照表 2取概值。 表 2? 被吊物的迎风面积 被吊物体质量 Q/ t迎风面积 Al/m2 Q ? N1时, 轨道将产生滑动, 将之代入 式 (18) 及 (19) 1 n ? W1 ? W ( 20) ? 当f1? ? N1时, 轨道将不会滑动 1 n ? ? W1 ? W ( 21) 其次分析轨道是否会发生翻倒,对 0点取力矩 若 M0?0则轨道翻倒, 如图 8所示。若 FH取

10、最大 值 ? W1及 FV取最小值 W/ n 时, 容易翻倒, 即 ? W1h- W n ?e 1 2 ?0 即是? 2? W1h We1 ? 1 n ( 22) 反之,若 M0 0 则轨道不会翻倒。 依照国家标准轨道标准, 轨道高度与底面宽度 相等,即 e1= h,踏面宽度为底面宽度一半,即 e2 = e1/ 2, 将 e1= h 代入式 (20) (22),则可简 化为 将产生滑动: ? W n ? W1 ? ( 23) 不产生滑动: ? W n ? W1 ?( 24) 有翻倒之倾向:? W 2? W1? n ( 25) 式 (23) (25) 中,?为横向力系数, 可视 为横向推动轨道的

11、力,而 ? W n ? W1与 W 2? W1? n则为 滑动临界条件和不翻转临界条件。 2?2? 滑动情况下压板的受力分析 轨道的安装是先将轨道铺直与定位,再用力矩 扳手施加一定扭矩于高强螺栓上, 使螺栓产生预期 的预加负荷 Fi,以便压板能固定住轨道,图 3 为 1 个右侧压板的正视及俯视形状尺寸示意图。 当施加此预加负荷 Fi时,右压板与轨道翼板 接触斜面间产生正向压力 F2,此时若轨道如图 3 所示受 1 向右的横向力, 则压板在接触斜面上同时 产生1 个摩擦力f2,在压板与支承结构钢梁的接触 面间同时产生 1 个反作用力 N0及摩擦力 f0。图 3 中 ?为压板斜面倾斜角,无轨道翼板

12、角度相同, 标准角度均为13?,t1、t2、c1、b1、b2、b3、b4均 ?16? ?起重运输机械? ? 2007 (11) 为压板相关尺寸。 图 3? 右侧压板示意图 以左、右 2 个压板自轨道两侧翼板向下压紧为 例, 在轨道与支承结构钢梁间达到临界摩擦情况 下,假设左、右 2 个压板对于轨道翼板保持压紧状 态所需的力为 F2(均以等效合力表示),且压板与 轨道翼板间达到临界摩擦状态, 即摩擦力均达临界 值 ? N 及 ? F2,如图 4 所示。 在压板抵抗轨道侧滑的临界状态,轨道与支承 结构钢梁及2 个相对压板间的临界摩擦力 ( ? F 及 ? F2) 的合力应等于起重机轨道侧向推力,

13、由图 4 根 图 4? 临界摩擦状态示意 据力的平衡关系可得 ? ( W/ n+ 4F2cos? ) = ? W1( 26) 整理上式可得 F2= 1 4cos? ? W1 ? - W n ( 27) 其次,再计算轨道压板的受力,将压板斜面受 力作为临界摩擦状态,即 f2= ? F2,如图 5 所示, 轨道左右 2 片压板, 应分别独立分析其受力状态。 先选取右方压板分析,图 3所示右压板受力图, 将 f2用 ? F2代替,并以 O 点为转轴计算力矩,可得 Fi Fi= 1 ( b2- b4/ 2) F2cos ?b1- b4 2 - c1 2 cos?+ F2sin ?t1- t2- c1

14、2 sin ?- ? F2sin ?b1- b4 2 - c1 2 cos?+ ? F2cos ?t1- t2- c1 2 sin ? ( 28) ? ? 由图 3 根据力的平衡关系,可得 N0、f0 ? ? ? N0= Fi+ ? F2sin? - F2cos?(29) ? ? ? f0= ? F2cos? + F2sin?(30) 此时应当再核算 O 点的摩擦系数是否超过临 界值,如果 f0/ N0 ?, 则表示压板在 O 点已发生滑 动,也就是先前假设轨道翼板与压板间已先达到临 界摩擦情况并不正确。 图 5? 压板受力示意图 用同样的方法分析左压板受力情况, 并检查其 与轨道接触面、与支

15、承结构钢梁接触面之间是否达 到临界摩擦情况, 并根据结果修正压板受力模型。 3? 结论 本研究以分析法及查阅法估算起重机的自重及 所受外力,进而转换成轨道在纵向、横向及垂直 3 个方向的受力, 随后推导出起重机轨道压板所受外 力及可能的滑动模式,通过计算压板的等效应力, 从而判断压板的安全性。 参? 考? 文? 献 1? GB/3811? 1983? 起重机设计规范 2? GB/6974?1? 1986? 起重机械名词术语 3? GB/502578? 1998? 起重设备安装工程施工及验收规范 4? GB/6067? 1985? 起重机械安全规程 5? GB/10183? 88? 桥门式起重机制造及轨道安装公差 6? JT/5022? 86? 港口起重机轨道安装技术条件 7? JT/399? 1999? 港口大型装卸机械防风安全要求 8? YB/T5055? 93? 起重机轨道 9? JB/T7333? 1994? 起重用夹钳 10? GB/T14370? 2000? 预应力筋用锚具、夹具和连接器 11? 刘正良, 钟添东, 蔡超群? 起重机轨道压板受力之研 究 作者地址: 湖北省武汉市江岸区惠济二路 11? 2号 邮? ? 编: 430019 收稿日期: 2006- 11- 06 ?17? ?起重运输机械? ? 2007 (11)