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1、起重机金属结构 辽宁省安全科学研究院吴岩13604013063wy3063 辽宁省安全科学研究院 起重机金属结构 金属结构主要受力构件 主梁 支腿 吊臂 塔身 小车 端梁 塔帽 平衡臂 拉杆联接 螺栓 铆接 焊接 销轴梯子 走台 栏杆 平台 辽宁省安全科学研究院 一 起重机金属结构的设计计算 方法 许用应力法和极限应力法 目的 通过设计计算校核保证设备的安全性能 计算书内容包括结构 机构设计计算和电机的选用 结构计算是验证结构的强度 包括疲劳强度 刚度和稳定性 包括抗倾覆稳定性 依据 GB3811 2008起重机设计规范 辽宁省安全科学研究院 1 失效的形式 强度失效 超载使用 腐蚀过大 断裂
2、弹性失稳 突然卸载 压溃疲劳失效 长期使用母材开裂 断轴抗倾覆稳定性 汽车起重机倾翻防风防滑安全性 港口起重机被风吹跑 辽宁省安全科学研究院 2 计算载荷与载荷系数 常规载荷 自重载荷PG起升冲击系数 10 9 1 1 额定起升载荷PQ起升动载系数 2min1 05 1 2表10 2 2min 2vq 突然卸载冲击系数 31 0 2 0 运行冲击载荷运行冲击系数 41 0 1 3 驱动加速引起的载荷水平惯性力大小车运行起制动惯性力回转离心力F ma 51 0 3 0 辽宁省安全科学研究院 2 计算载荷与载荷系数 偶然载荷 偏斜运行时的水平侧向载荷坡道载荷风载荷P Cp A工作状态正常风载P C
3、p A工作状态最大风载表15雪冰载荷 辽宁省安全科学研究院 2 计算载荷与载荷系数 特殊载荷 非工作状态风载P CKhp A表18碰撞载荷倾翻水平力试验载荷安装 拆卸和运输引起的载荷工艺载荷等等 辽宁省安全科学研究院 3 载荷组合 目的确定起重机不同受力情况组合 找出最不利的载荷组合 验算起重机的承载能力 无风载荷A1 A2 A3 A4有风载荷B1 B2 B3 B4 B5特殊载荷情况或非工作情况下C1 C9见P27页表20门式起重机所受载荷及载荷组合 辽宁省安全科学研究院 4 结构计算原则 方法 计算内容 验算在最不利载荷组合下 起重机金属结构构件及其连接的强度 含疲劳强度 刚性和稳定性是否满
4、足要求 计算方法 许用应力法和极限应力法 辽宁省安全科学研究院 5 材料和许用应力 起重机材料选择主要承载结构的构件宜采用力学性能不低于GB T700中的Q235钢 GB T699中的20钢材 GB T1591中的Q345 Q390和Q420钢材 力学性能参数表沸腾钢的使用 低温和有疲劳要求的尽量不用高强度钢的使用 合理的焊接工艺性并进行焊接试验 焊接工艺评定 减少内应力 防止焊缝开裂和变形抗脆性破坏安全性应 根据影响脆性破坏的条件来选用钢材的质量组别 厚度大于50mm的钢板 作为焊接承载结构时慎用 辽宁省安全科学研究院 导致构件材料发生脆性破坏的重要影响因素 纵向残余应力和自重载荷引起的纵向
5、应力的联合作用无焊缝或只有横向焊缝 脆性破坏危险性小 只有纵向焊缝结构 脆性破坏危险性增加 焊缝汇集高度应力集中 脆性破坏危险性最大构件材料的厚度材料厚度越大脆性影响性越大工作环境的温度表I 2 辽宁省安全科学研究院 6 结构的许用应力 钢材的压缩 拉伸 弯曲许用应力 s b 0 7的钢材 许用应力 为钢材的屈服应力 s除以强度安全系数n表22Q235的许用应力值 为 A158B175C193低碳钢拉伸应力 应变曲线焊接 螺栓连接 铆接的许用应力表23 辽宁省安全科学研究院 连接的许用应力 焊接许用应力表23铆钉许用应力表24螺栓的许用应力表25销轴的许用应力 辽宁省安全科学研究院 7 结构强
6、度计算 强度计算包括结构构件受拉 受压 受弯和受扭得应力分析和复合应力的计算 计算出的应力值应小于许用应力或相应的极限设计应力 N A 受拉杆件单位面积所受的力局部压应力 当滑块或车轮上的集中载荷作用在构件顶面 垫片上或轨道上时 对其下面腹板上边缘长生的局部压应力 m P tc 复合强度的计算连接强度计算 对接焊缝 螺栓连接 辽宁省安全科学研究院 8 结构刚度计算 刚度是与起重机安全性有关的轴心受力构件刚度 表28 结构构件的长细比无论受压还是受拉 都要受到有效控制 在用起重机检查时对于受力构件发生形变后 也要控制 特别是受压构件 当 过大 无法计算 起重机整体刚度 辽宁省安全科学研究院 8
7、结构刚度计算 桥式起重机低起升速度加速度可接受定位精度的起重机f S 500中等定位精度特性的起重机f S 750高定位精度特性的起重机f S 1000小车位于悬臂长度位置f L 350手动小车位于跨中f S 400塔式起重机 L 1 34H 100箱型伸缩式臂架的轮胎 汽车 起重机起重机的动态刚性 一般不做要求 辽宁省安全科学研究院 9 构件抗失稳计算 轴心受压构件的整体失稳N A 见表K 1 K 4从表可以看到 随 变大而减小很多对强度影响很大 所以保证刚度 在一定前期下就是在保证强度 压弯构件的整体稳定性 辽宁省安全科学研究院 典型受力分析 3T电动悬挂起重机主梁的计算4 1 1 55悬
8、臂起重机计算4 1 1 53门式起重机计算4 1 1 54 辽宁省安全科学研究院 10 结构的疲劳强度计算 结构构件及其连接的抗疲劳能力 疲劳极限强度 取决于构件的工作级别 材料种类 应力变化情况及构件连接的应力集中等级等 根据载荷组合A的实际可能的最不利工况计算得出的绝对值最大应力进行核算 rx xmin xman应力循环系数疲劳许用应力表31 1 是拉伸或压缩许用应力的基本值 是r 1对称应力循环试验中得到的疲劳极限除以1 34安全系数 辽宁省安全科学研究院 10 结构的疲劳强度计算 结构件工作级别 对轻微 中等应力集中的工作级别低的构件不进行疲劳计算 E4以上工作级别结构件应进行应校核疲
9、劳强度 结构件应力集中等级表33从表中可以看到抗疲劳能力工作级别 材料种类 应力变化 也可以看出需进行不同工作级别的结构截面尺寸和布置是不一样的 推荐采用K2 避免采用K4疲劳强度校核 xman xyc 疲劳断裂的特点 辽宁省安全科学研究院 典型方案 4 1 1 47 辽宁省安全科学研究院 疲劳破坏及断裂的特点 疲劳破坏 起重机金属结构承受变化载荷 当变化载荷重复达到一定次数 结构突然产生裂纹并迅速扩展 从而降低结构的承载能力 甚至发生断裂 称之为结构的疲劳破坏 疲劳破坏的特点4 1 1 36机构疲劳4 3 4 30 辽宁省安全科学研究院 11 GB3811构造一般要求 主要承载结构的构造的设
10、计应力求简单 受力明确 传力直接 尽量降低应力集中的影响 结构 或结构件 的设计应考虑到制造 检查 运输 安装 拆卸 使用和维护等的方便和可能性 露天工作的起重机应避免积水 应根据起重机的实际工作环境考虑腐蚀对结构钢材的影响 结构有可靠的防腐措施或属于短暂性使用的设备 可不考虑腐蚀的影响 主要承载结构的钢板和型钢的最小厚度应不小于表34的规定 对于动载荷比较严重和受力比较复杂的焊接结构件 除非采取措施减小或消除焊接内应力 否则选用的钢材厚度对碳素钢不宜大于50mm 对低合金钢不宜大于35mm 辽宁省安全科学研究院 11 GB3811构造一般要求 对承载后会发生较大弹性变形的结构 在设计时应预先
11、采取与此弹性变形相反的措施 如桥式起重机和门式起重机主梁跨中应作出向上的预拱 门式起重机悬臂段应作出向上的预翘 且这些预变形宜由结构构造或结构件的下料来保证 在设计由疲劳强度控制的主要焊接结构时 应采取各种降低疲劳应力的措施 如改善街头型式降低应力集中等级 对双面连续焊缝的头部进行包裹回焊 采用较大半径的圆弧过渡板以减少内应力等 主要承载结构件在不同连接处允许采用不同的连接方式来传递载荷 但在同一连接处不宜混合使用不同的连接方式 主要承载结构的表面如果长期受到热辐射作用 且表面温度达到150 以上时 结构设计应考虑有效的隔热防护措施 辽宁省安全科学研究院 整体抗倾覆稳定性和抗风防滑安全性 在工
12、作和非工作状态下有可能发生整体倾覆的起重机 应计算校核抗倾覆稳定性 在露天工作的轨道运行起重机应校核抵抗风吹防止滑移的安全性 稳定的力矩的代数和大于倾覆力矩的代数和 起重机就是稳定的 流动式起重机抗倾覆支腿全伸1 25PQ 0 1F6 3 32 辽宁省安全科学研究院 汽车起重机倾翻 汽车起重机6 3 32 事故案例分析 辽宁省安全科学研究院 门式起重机 某制造单位根据用户要求制造一台MH10 8A3桁架结构的门式起重机如图3 3 13所示 已知该起重机跨度S 8m 葫芦自重G 1t 主梁G主梁 3668kg 每个支腿重量G支腿 1359kg 每个行走架重量G行走梁 858kg 有效悬臂长度L
13、3m 设葫芦的重心与吊钩吊物时的重心在同一铅垂面上 其与轨道的距离为3m 额定起重机Q 10t 试校核该起重机悬臂平面的抗倾覆稳定性的基本稳定性 本例为简化计算 不考虑结构的风载荷和惯性力 根据GB T3811 2008 起重机设计规范 如果技术参数不变 采取什么样的措施可以满足用户要求 辽宁省安全科学研究院 辽宁省安全科学研究院 12 金属结构的检查 整体失稳 整体失稳时不得修复 应报废 产生严重塑性变形 产生严重塑性变形使工作机构不能正常运行时 如不能修复 应报废 在额定载荷下 主梁跨中下挠值达到水平线下S 700时 如不能修复 应报废 发生锈蚀或腐蚀超过原厚度的10 时应报废 严重锈蚀或
14、腐蚀 GB6067规定桥式起重机整体腐蚀应小于原厚度的10 产生裂纹 产生裂纹应修复或采取措施防止裂纹扩展 否则应报废 主要受力杆件失稳或较大变形应修复钢板严重局部失稳应修复 辽宁省安全科学研究院 表15 工作状态计算风压和计算风速 返回 辽宁省安全科学研究院 表18 非工作状态计算风压和计算风速 返回 辽宁省安全科学研究院 表20 起重机金属结构的载荷与载荷组合表 返回 续表 辽宁省安全科学研究院 表20 续 返回 辽宁省安全科学研究院 龙门起重机载荷组合表 返回 示意图 辽宁省安全科学研究院 载荷示意图 返回 载荷表 辽宁省安全科学研究院 材料力学性能参数表 1 返回 后表 辽宁省安全科学
15、研究院 材料力学性能参数表 2 返回 前表 辽宁省安全科学研究院 表I 2 钢材质量组别及钢材牌号 返回 辽宁省安全科学研究院 表22 强度安全系数n和钢材的基本许用应力 返回 辽宁省安全科学研究院 图1 低碳钢拉伸应力 应变曲线 返回 辽宁省安全科学研究院 表23 焊缝的许用应力 返回 焊缝分级 辽宁省安全科学研究院 焊缝缺陷质量分级 前表 返回 辽宁省安全科学研究院 表28 结构构件的容许长细比 返回 辽宁省安全科学研究院 表K 1 a类截面轴心受压构件的稳定系数 返回 K 2 K 3 K 4 续表1 续表2 辽宁省安全科学研究院 返回 表K 1 续表2 辽宁省安全科学研究院 返回 表k 1 续表1 辽宁省安全科学研究院 表31 构件疲劳许用应力 返回 表33 辽宁省安全科学研究院 表33 拉伸和压缩疲劳许用应力的基本值 1 返回 表31 辽宁省安全科学研究院 表34 钢板和型钢的最小厚度 返回
