（机械工程专业论文）wjlq200型无支架缆索起重机研发.pdf

工程硕士学位论文 摘要 缆索起重机是一种以悬挂于两支点之问的柔性钢索作为大跨距承载结构、利用载重 小车在其上往返移动进行工作、兼有垂直运输和水平运输的特种起重机械。与其它起重 机械相比，它具有跨度大、速度快、效率高、总体结构简单、造价低廉、施工周期短等 突出优点，并且不受气候和地形条件的限制，在特定的条件下能发挥其它起重机械和起 重技术所不能发挥的作用。因而，它被广泛应用于采矿工业、森林工业、码头、渡口以 及桥梁、水电建筑工程的起重和施工作业中。 然而用传统的设计方法进行设计非常复杂、繁琐、周期较长而且计算结果难免有过 大的安全系数，不利于充分发挥设备能力。此外，由于工作现场的地形原因( 如我省地 处黄土高原) ，起重机塔架经常难以固定，即使得以固定也需花费较长时间。本文针对 这些问题，通过选择合适的缆索力学模型并进行力学分析，得出相关的计算、校核公式。 结合研发用于甘肃省九甸峡水利枢纽工程跨河交通桥的，眦q 一2 0 0 州型无支架缆索起 重机，以及作者多年的工作经验，得出简单、实用的无支架缆索起重机计算、校核公式 和合理的设计模式和路线，从而使今后设计无支架缆索起重机时，能大大提高设计效率， 缩短设计周期，节约成本，取得更大的经济效益。 由于缆索起重机工作环境和性质的特殊性，安装精度的影响、工作环境的变化以及 实际工作的需要，不可避免的会引起的各项参数的变化，如工作温度，实际的跨度等， 造成与设计参数之间的差异，从而影响承载索的张力和承载能力，因而直接关系到起重 机的性能和生产的安全性，因此论文研究这些因素变化对张力和承载能力产生的影响， 分析张力及承载能力对各因素变化的灵敏度，从而对生产实践和安全生产作出有意义的 指导。 关键词：无支架缆索起重机；承载索；承载能力；灵敏度分析；设计计算；调试 w 儿0 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 a b s t r a c t t h ec a b l ec r a n ei sas o r to fs p e c i a lh o j s t i n gm a c h i n e 吼w h i c hu s e sn e x i b l ec a b l eh u n g b e t w e e nt w om l c m m sa sc 哪d n gs t r u c t u r e ，m a k e su s eo ft h ec r a n ec a r r i a g em o v i n go v e rt h e c a n y i n gc a b l et ow o r k ，a n dh 0 1 dt h ea b i l i t yo f v e n c a l t 俐n s p o r t i n ga n dh o z o n t a lt r a l l s p o r t i n g c o m p a r e dw i t ho t h e rh o i s t i n gm a c h i n e r y ，i tp o s s e s sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sb i gs p a n ，h 塘h s p e e d ，h i 曲e f f i c i e n c y ，s i m p l es t r u c t u r e ，c h e a pc o s ta 1 1 ds oo n a n di ta i s oc a i lg e t 砌o ft h e 1 i m i to fw e a t h e ra n dl a n d f o m ，e x e r tt h e e f r i c a c v t h a to t h e r h o i s t i n gm a c h i n e r v a n d h o i s t i n gt e c h n o l o g yc a n tb r i n gi m op l a yu n d e rs p e c i f i cc o n d i t i o na sar e s u l t ，i ti s w i d e j yu s e di nm a n yf l e l d ss u c ha sm i n i n gi n d u s t r y ，f o r e s ti n d u s t r y d o c l 【 f e r r y b r i d g e w o r k ， w a t e ra n dp o w e re r 培i n e e r i n g b u tt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nw a yi sv e r yc o m p l e x ，a n dt h es a f e t yf a c t o rf l g u r e do u tw 岫 t r a d i t i o n a ld e s i g np a t t e mi sab i to fb i g g e r a i l dt h i sm a l ( e sa g a i n s te x e r t i n gt h ea b i l i t yo f d e v i c e s f u n h e 珊o r e ，b e c a u s eo ft h el a n d f o 珊o fw o f k i n gf i e l d ，t h ep v l o n so fc r a n ea r e u s u a l l yd i 衢c u l tt om o u me v e ni f t h e yc a nb em o u n t e d ，t h e vm a ys p e n dm a n vt i m e ss ot h i s p a p e ra i ma tt h e s eq u e s t i o n s ，t h o u g hc h o o s es u i t a b l em e c h a n i c sm o d e lo fc a b l ea n da n a l v z e t h em o d e lt oe d u c ec o r r d a t i v ef o r m u l ao fc a i c u 】a t ea i l dv a l i d a t e 工n t e g r a t ed e s j g nt h et y p eo f w 儿q - 2 0 0n o n b r a c k e tc a b l ec r a n ef o rr i v e rc r o s s i n gb r i d g eo f h y d r o _ j u n c t i o ne n g i n e e r i n g o f j i u d i a n x i a ，g a n s ua n dm a n yy e a r s e x p e r j e n c eo fa u t h o le d u c es i m p l ya n da p p l i e d f o r m u l ao fc a l c u l a t ea n dv a l i d a t ef o rt h en o n b m c k e tc a b l ec r a n ea n dl o g i c a ld e s i 窖nm o d e a n dc o u r s e c o n s e q u e n t l v w h e nd e s i g nt h en o n b r a c k e tc a b l ec r a n ef o rt h e 如t u r cc a ng r e a t l v e n h a n c ee 街c i e n c y 、s h o r t e nc y c l eo f d e s i g n ，s a v ec o s ta n dg a i ng r e a te c o n o m yb e n e m ni si n e v i t a b j et h a ts o m ec 啪e sp a r a m e t e rs u c ha sw o r k i n gt e m p e r a t u r e ，a d u “s p a na n d s oo nw i l ic h a n g eb e c a u s eo ft h ea n 色c t i o no fi n s t a l lp r e c i s i o n ，t h ec h a n 窖eo fw o r k i n 2 c o n d i t i o na n da c t u a ln e e d sa sar e s u l t ，i tw i l la 疏c tt h et e n s i o nf o r c eo fc a 兀v i n gc a b l ea n d c a r r y i n gc 印a c n y a n dt h et e n s i o nf o r c ea i l dc a r r y i n gc 印a c i t yh a v ed o s er e l a t i o nt ot h e p e r f b r m a n c eo fc a b l ec r a n ea n do p e r a t i o n a ls e c u r i t vs ot h i sp a p e rw i l ls t u d vh o wt h e s e f h c t o r s 谢l l 硼盹c tt e n s i o na n dc a r r y i n gc 印a c i t yna 1 w i l la n a l y z et h es e n s i t i v i t yo f t e n s i o n a n dc a n 了j n gc a p a c i t yt oe a c hf a c t o f k e yw o r d s ：n o n b r a c k e tc a b l ec r a n e ： s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ；d e s i g nc a l c u l a t i o n ； c a n 了i n gc a b l e ；c a 丌y i n gc a p a c i t y ； s i m u l a t i o n s e t u p 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 屈欠纬 日期：砧j 月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：乃文磷 导师签名：之 v 。 一 日期：矽喏年f 月如目 日期：伊占年，、叫 工程硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章绪论 缆索起重机( 如图1 1 ) ，也称为悬索起重机或走线滑车，俗称“走索”，是一种 以悬挂于两支点之间的柔性钢索作为大跨距承载结构，利用载重小车在其上往返移动进 行工作，兼有垂直运输和水平运输的特种起重机械。与其它起重机械相比，它具有跨度 大、速度快、效率高、总体结构简单、造价低廉、施工周期短等突出优点，并且不受气 候和地形条件的限制，在特定的条件下能发挥其它起重机械和起重技术所不能发挥的作 用。因而，主要用于大型水电站建坝工地浇灌混凝土和安装设备，架设公路和铁路桥梁， 修建工程中吊运建筑材料和其它重物，也可用于施工作业，如在拱桥合成过程中支持和 调整拱架位置，还可用于矿山工程。它有不受环境限制，工作范围大以及机动性大，结 构简单，便于搬迁，容易操作掌握等优越性，在日常工作中越来越被重视和采用。 卜墨墅 图1 1 缆索起重机示意图 就水电工程而言，据资料介绍，国外3 4 的水电工程是采用缆索起重机浇筑大坝混 凝土的。在国内，据统计1 9 8 0 年到1 9 9 5 年就有l o 余座电站采用缆索起重机浇筑混凝 土，在大型水电工程施工中，比例超过了1 2 1 2 ”。随着国家西部大开发战略的实施和以 基础设施建设拉动消费政策的确立，对基础设施建设的投资日益增大。因此，对缆索起 重机的需求势必会大增。 由于缆索起重机的核心部分承载索系统的设计理论和力学模型非常繁琐和复 杂，并且已有设计模式存在着计算安全系数偏大，不利于发挥设备能力，要想精确达到 指定的安全系数，往往要通过数次反复试探拼凑才能达到。而且缆索起重机多为单件生 产，难以实现系列化和批量生产，因此造成缆索起重机的没计十分复杂并且周期较长。 同时，由于工作现场的地形原因( 如我省地处黄土高原) ，起重机塔架经常难以固定， 即使得以固定也需花费较长时问。 针对这些问题，本课题通过选择合适的缆索力学模型并进行力学分析，同时对缆索 起重机承载能力灵敏度进行分析，结合研发用于e | 。肃省九甸峡水利枢纽工程跨河交通桥 的矾见p 一2 0 0 【型无支架缆索起重机，得到合理的设计模式和路线，从而使今后设计 无支架缆索超重机时，能大大提高设计效率，缩短设计周期，节约成本，取得更大的经 济效益。 w 儿0 2 0 0 鼢q 型无支架缆索起重机研发 1 2 研究现状 缆索起重机由架空索道技术演变而成，到本世纪初，特别是在大力发展工业化生产 的过程中，缆索起重机在世界各国得到了蓬勃的发展，4 0 年代末以来研究出许多新颖而 科学的结构和方案，形成了比较完整的设计理论体系，在研究、设计和应用诸方面积累 了丰富的经验。 而就作者所收集的资料来看，目前对缆索起重机的研究按照内容大致可以分为以下 方面： 1 承载索设计计算理论方面 缆索起重机是以承载索为支承构件的，这是其与其它起重机的最大不同之处，承载 索处于一个很重要的地位，因此架空缆索的计算理论就成为缆索起重机设计中的最基本 最核心的设计理论。 架空缆索力学计算理论有多种，如弹性理论、挠度理论等，但其主流则主要是悬链 线理论和抛物线理论。悬链线理论最为精确，它的解最接近实际情况，且适用于几乎绝 大多数情况，不过它是应用双曲线函数，计算求解异常复杂，在进行分析计算及进行缆 索起重机的设计计算时几乎不采用这种方法。抛物线理论又称为近似法，它是在悬链线 理论的基础上，对双曲线函数进行简化，将双曲线函数按级数展开，当缆索的相对垂度 1 1 0 ，略去高阶无穷小，得到抛物线函数，此时的计算精度与悬链线理论的计算结果 相比，误差在5 以内。对于缆索起重机而言，缆索的相对垂度1 1 0 时，在允许误差 内完全可代替悬链线理沦，且计算相对简化很多，是承载索设计的主要设计理论。而当 相对垂度1 1 0 时，则最好采用悬链线理论”。 近年来，又提出了一种比较新的设讨理论承载索许用荷重设计法”1 。它是对抛 物线理论的一种改进。其主要原理为：承载索所承受的最大载荷以不超过钢索安全系数 条件下的极限载荷为原则，设计时将强度条件、钢索特性、地形条件等各因素考虑进去， 在抛物线理论的基础上推导出承载索的计算理论公式，编制系列数值表，并建立系统的 没计方法，便于实际应用。相对于抛物线理论，它在一定程度上简化了计算的复杂度， 能够较精确的将承载索的强度控制在所要求的安全系数范围内。 此外，文献 1 0 、 1 1 对双吊重缆索起重机的计算理论进行了分析研究，分别推导 出在不考虑边跨影响和考虑边跨影响情况下的承载索张力的普遍方程。文献 1 2 引入可 靠性的设计思想，以柚子树大桥施工用缆索起重机的设计为例，论述了承载索的可靠性 设计方法，很值得借鉴。 2 承载索承载张力计算测量方面 承载索的张力关系到安全生产，因此测量技术在缆索起重机设计中是一个很重要的 组成部分。目前测量技术主要有： ( 1 ) 敲振法“”1 ，其作用原理是通过测定敲击承载索所产生的振动波传递速度来 实现的。 ( 2 ) 支点倾角法“。，是利用钢索两支点之倾角与中央挠度系数的数力关系来推得 其两端的张力关系，通过对两支点倾角的测定来测定张力。 ( 3 ) 仪器仪表法，是通过各种测力计、电阻应变片等进行测量，但一般在工程应 用上比较复杂困难。文献 1 5 根据“三点弯曲法”的原理提出并设计出应用方便且测量 精度高的张力测力传感器。 此外，文献 1 4 在自动测量缆索张力方面做了有益的探索，提出了一种较好的实现 方法，它从缆索张力与自振频率的关系入手，推出它们之间的偏微分方程式，通过对自 振信号的数据采集和频谱分析得到张力。在以上各种测量技术中，技术( 3 ) 既能在无 工程硕士学位论文 荷重情况下进行测量，又能在有荷重情况下进行测量，其它技术方法更适于无荷重情况 下的测量，在有荷重情况下公式推导非常困难，一般不采用。因此，如要在工作过程中 进行测量，采用文献 1 5 提出的方案比较好。 3 缆索起重机的自动控制方面 自动控制系统在缆索起重机上的运用研究相对较少，文献 1 6 、 1 7 和文献 1 8 均提出了各自的可行实现方案，文献 1 6 、 1 7 是通过工业电脑来实现，文献 1 8 是通 过p l c 来实现的，并且探讨了p l c 网络在其上的运用。 4 缆索起重机在具体方面或工程中的应用 在作者所查阅的相关文献资料中，此类文章占了绝大部分，大体上都是针对某一颂 具体的工程进行缆索起重机设计，涉及到缆索起重机的总体布置，结构和机构形式的组 成与确定，缆索系统的常规设计与校核，缆索起重机的安装工艺，施工方案和工艺的选 择与确定等。这些都给以后缆索起重机的设计提供了宝贵的资料和经验借鉴。 除了以上提到四个较为集中的方面，还有一些其他的研究方面。如文献 2 1 通过分 析承载索张力状态方程定性分析了承载索的垂度与缆索起重机安全性的关系：文献 1 9 结合具体工程探讨了运用l i s p 语言编制的在a u t o c a d 环境下运行的可绘制缆索起重机 主索包络线，主索在集中载荷作用下的下垂曲线，以及上支牵引索的下垂曲线的绘图程 序，在一定程度上提高了缆索起重机的布置工作效率。文献 2 0 以福建省漳龙高速公路 溪柄特大桥为实例，探讨了承载索的垂度对整体经济性能( 费用) 的影响，文中得出的 部分结论对优化缆索系统的经济性能提供了相关数据及有益的帮助。 由以上论述可以看出，目前对缆索起重机的研究主要集中在有支架缆索起重机的传 统方法设计上，对应用于复杂地形条件下的无支架缆索起重机的设计研究较少，而如何 在最短的时间内发计出与实际应用情况相贴近的无支架缆索起重机将是本论文的主要 研究部分。 1 3 本文的主要工作 文论文基于国内外的发展动态和研究成果，将传统和现代设计方法以及作者本人多 年的起重机设计研究经验相整合，得到无支架缆索起重机合理的设计模式和路线，使无 支架缆索起重机的设计更加快捷、高效、合理。具体如下： ( 1 ) 通过对缆索力学模型的力学分析，确立缆索系统的设计计算理论，为无支架 缆索起重机的设计奠定理论基础。 ( 2 ) 对影响承载索承载能力的各个因素进行灵敏度分析，得出较普遍的规律，以 指导实际生产活动。 ( 3 ) 以得到的没计计算理论为指导，对用于甘肃省九甸峡水利枢纽工程跨河交通 桥的阪见q 一2 0 0 剧型无支架缆索起重机进行具体的设计。包括：无支架缆索起重机总 体方案的设计；缆索系统的设计；起升机构的设计计算；自锚移动式索鞍结构设计和固 定方式；地基基础的设计等。 其中的创新点为： ( 1 ) 承载能力的参数灵敏度分析。 ( 2 ) 有效地解决了施工中起重构件需长距离的垂直和水平移动问题。 ( 3 ) 采用无支架结构，减少了缆风系统，增大了整机刚性，从而整体稳定性和抗 扭性能进一步提高。 ( 4 ) 起升机构采用两台1 0 吨电动葫芦，提高了该缆索起重机的工作效率。 ( 5 ) 采用单索牵引，减少了跨内自身载荷，使整机结构更加紧凑，可靠。 w j l q - 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 第2 章缆索系统的设计计算理论和力学模型 2 1 承载索的计算理论 2 1 1 承载索的物理特性和计算假设 承载索是由一根或数根钢索构成的。钢索具有相当的刚性，若截取一极小段的钢索 则会像铁棍一般，不同于线绳和链索那样能自由弯曲。但将相当长的钢索架设在空中则 呈现曲线形状，跟线绳和链索的情况一样。因此，也就可以把钢索看成是可饶曲的，亦 即具有较好的柔性。由于承载索具有良好的柔性，属于变化体系，故它的形状和尺寸将 随着载荷的大小、位置和分布规律等的不同而改变。变化体系是不遵守力的叠加原理的， 其载荷与变形间的关系是非线性的。因此，承载索的受力计算较遵守叠加原理的线性变 形体系要复杂得多。 在分析承载索受力情况时，为了简化计算，特作如下基本假定： ( 1 ) 承载索是绝对柔性的，亦即认为承载索任一截面上只能承受拉力，而不能承 受弯矩和压力： ( 2 ) 承载索的材料服从胡克定律； ( 3 ) 将承戡索于两端塔架的固结点处视为不动点，亦即不考虑两塔架顶位移的影 响。 2 1 2 承载索在均布载荷和集中载荷下的计算 仅在均布载荷作用下，对于小垂度承载索来晚，将索长s 近似的耿为其弦长彳日 其误差是很小的。在这种情况下，承载索白重就可以视为均匀分布在弦线上。则： 譬：箜。型：j _ ( 2 1 ) o 三上c o s 口 、7 式中：口承载索单位长度重量； s 索长； 上弦线长： 口弦线倾角。 如图2 1 ，假设承载索所受的集中载荷9 的任意作用点p 距一支承点的水平距离为 x ；r 为承载索中任意点的张力；日为承载索张力的水平分力；矿为承载索张力的垂直 分力；l 、h 。、分别为承载索在4 支承点的张力及其分力；、日。、分别为承 载索在占支承点的张力及其分力。 t l 图2 1 4 q ，c o 曲 工程硕士学位论文 首先由平衡条件= o 和= o 得 矿：望l + 望堡二兰2 一日鱼 “ 2 c o s 口 工上 ( 2 2 ) n ：丝+ 堡+ 圩生( 2 3 ) 。 2 c o s 口 三三 将p 点左端彳p 段上距4 a 支承点为五处截断作为隔离体则有： 丁：日盟 出1 矿：日亟 凼1 又由平衡条件矿= o 得： 等= 字= 吉一剖 西c hh 。c o s 8 将式( 2 2 ) 代入上式整理后得： 碧= 捌+ 景p 圹呈 出2 日c o s m 、 三 以4 支承点为坐标系原点来解庇微分方程得： 胪互志犯1 h 。+ 熹伍一x k 。一兰x 。 其相应垂度为： 式讪蝎兰= 五志乜1 b + 盖旺一如厶2 y + 一z 2 西南u r p + 盖恤一r 户一 对于集中载荷作用点尸的右端，若以b 支承点为坐标系原点，同样可得： 圹熹b 乜_ h ：+ 盖聒：+ 呈x ： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 厶，砒吨兰= 煮南乜飞b ：+ 盖一： 汜s ， p 点两侧的索长s 和s ：分别为： 耻r m 针。 w 儿o 一2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 为 p 趾耻三+ 笠+ 茄+ 帮q ( q + 剖汜。， 令：型擎：o ，则有当z ：三2 时，可得承载索的最大索长j 为： 黜 眦+ 差+ 翥+ 器( q + 南 汜 将x = x ：= x = 三2 代入式( 2 6 ) 可得承载索的最大垂度为 厶。= 志景 由此可得承载索的水平张力为： 日：望+ 堕 8 ，m 。c o s 4 兀。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 将x = 三2 代入式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，可得在爿、曰两支承点处承载索张力的垂直分 力分别为： 矿：l + 垒一生 “ 2 c o s 口2l = 羔+ 譬一兰 则承载索的最大张力k 为： k = 五= 獗了驴 2 1 3 承载索张力的状态方程 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 在承载索两端为固定的情况下，必须使它在安装时具有一定的初张力，并且在使用 过程中应根据实际需要采用辅助装置来调节初张力。承载索在这种固定方式下，当载荷 的大小、位置和温度等条件发生变化时，其张力的变化范围将很大。当搬运小车运行到 跨中而又处于温度最低时，承载索所受张力最大，受力状态最为不利；随着搬运小车由 跨中向塔架移近，其张力将随之减小。 为了建立当载荷和温度等条件发生变化时承载索张力的计算公式，必须研究承载索 不同受力状态之间的关系： 6 度氏线曲的索载承时为一禺 距 平水 的 占l r 嫁 中j 4接觚 一2用 h 作 ，1的 鞠 喊集当以昕 工程硕士学位论文 第一种状态：当载有最大载荷q 的起重小车位于跨中、承载索均布载荷为g 而温度 为f 时，索长为s 的承载索将产生最大的张力，。 第二种状态：当载荷为q 。的起重小车位于距离塔架x 处，承载索的均布载荷为吼、 而温度为f ：、时，其张力为t ，索长为s 。 在这两种状态下，索长的变化是由载荷和温度的变化而引起的，所以，承载索在这 两种状态下的s 与s ，之差等于承载索的弹性伸长丛，与温度伸长埘，的代数和，因此存 在下式： s s 。= 醚l + 醚2 = 甏南蚺a 南 ( 2 _ 1 6 ) e r c o s 口、“c o s 卢 ：堕一二墨坚必f 。上 e r & c o s 2 c o s 将式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 代入上式并经整理后得到计算承载索张力的状态方程( 又称 普遍方程) ： ：+ 胡：一6 = o ( 2 1 7 ) 其中： 口= 等| 3 q ( q + g ) + g 2 】一日。以r 。e 。& c 。s ) c z ，s ， 6 ：譬陵r + 1 2 9 x 仁一x 。崛) 1 ( 2 1 9 ) 在上述各式中： q 单根承载索的总载荷( 包括吊重、搬运小车、及其它荷重) ； g 载荷变化后单根承载索的任意载荷； 日。当最大载荷q 在跨中时承载索的最大水平张力； 日。当任意载荷q 在距塔架x 处承载索的水平张力； g 第一种状态下两支承点间承载索的总重量，g = 牡c o s ； q 第二种状态下两支承点间承载索的总重量，g ，= 牡c o s ； e ，承载索的弹性模量： 凡承载索的金属截面积； s 承载索的线膨胀系数，一般取s = ( 1 l 1 2 ) 1 0 。6 ； 出。绝对温度差，f 。= f f 。； 口弦线倾角。 2 1 4 承载索的安全校核 1 拉力安全系数k 。 在考虑了冲击系数后计算所得的承载索最大拉力i 。，应有足够安全储备，其安 w 儿q 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 全系数不宜小于3 ，即： k ：生3 k 式中：l 承载索的破断拉力。 2 应力安全系数e 承载索的应力由两部分组成：拉应力q 和弯曲应力盯。，弯曲总应力为： 。一，r qf 疋q 饥2 瓦+ 舌、嚣 并且应满足： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中：，承载索的张力； e 承载索的金属截面积； q 单根承载索的集中载荷： 单根承载索上的运行小车的走轮数； e ，承载索的弹性模量； 蠢承载索的破断应力( 即钢丝的有效强度) 。 3 承载索张力丁与运行小车轮压矿的关系 由于运行小车在承载索上往复移动，因此承载索受到交变的弯曲应力的作用，为了 减小承载索的磨损和弯曲疲劳，延长使用寿命，须对张力丁与轮压矿的关系加以限制。 相关文献有以下规定： 善三一去 ( 2 2 3 ) 丁2 54 0 若大于上述比值，承载索的磨损不仅显著增大，而且弯曲疲劳也很厉害，这也将大 大降低承载索的使用寿命。 2 2 工作索的设计 2 2 1 牵引索的设计 牵引索最主要的导绕方式有两种，如图2 2 所示。 对于图2 2 a 的导绕方式，起重索的一端固结于载重小车上，牵引索所受的最大张 力为： f m 。= f o + 暇+ + ( 2 2 4 ) 对于图2 2 b 的导绕方式，起重索的一端固结于支架上，牵引索的最大张力为： 工程硕士学位论文 b ， 图2 2 载重小车导绕图 。= f 0 + 暇+ 呒+ + 式中：f 。牵引索的初张力； 彬载重小车运行时的破道阻力； 眠载重小车运行时的摩擦阻力； 职导绕滑轮的转动阻力； 起重索在起重卷筒入端的张力。 ( 1 ) 牵引索初张力的计算牵引索的初张力可按下式确定： f n 篮 ” 8 z 式中： q 牵引索单位长度的重量； 厶分索器或承码的安装距离； z 牵引索的垂度，正= ( o 0 0 8 00 1 ) 乞。 ( 2 ) 载重小车的坡道阻力载重小车运行的坡道阻力可按下式确定： ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 彬= q s i n ， ( 2 2 7 ) 式中：q 一组承载索的载荷( 包括吊重、载重小车、吊钩、滑轮组以及相应 长度的起重索在内) ； y 载重小车沿承载索运行时的最大升角。 其中：载重小车在承载索上距爿支撑点的距离为z 时的升角y ，可按下式计算： 留以= 那+ 筹( 南+ 引 汜z s ， 由此可知，小车沿承载索运行时的最大升角发生在靠塔架处，将此时的x 代入即可 求得最大升角。 ( 3 ) 载重小车的摩擦阻力载重小车运行的摩擦阻力可按下式计算： = 厶q c o s y ( 2 2 9 ) 式中： 小车沿承载索运行时的摩擦阻力系数。 w 几q 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 厶= “去+ 等 化3 0 ) 式中：“载重小车走行轮轴承的摩擦系数( 青铜衬套：“= 00 6 ol ，滚动 轴承：“= o0 1 o0 1 5 ) ； 风载重小车走行轮与承载索之间的滚动摩擦系数( 采用密封式钢索 地= o 3 o 4 ，采用普通钢索风= o 5 o6 ) ； ，载重小车走行轮轴承半径； r 载重小车走行轮半径。 ( 4 ) 导绕滑轮的转动阻力导绕滑轮的转动阻力可如下计算： 磁= “+ + ) ( ，“6 1 ) 式中： ，滑轮的总阻力系数； 盯载重小车运行时，在牵引索中转动的导向滑轮的数目： 6 载重小车运行时，在起重索中转动的滑轮的数目。 2 2 2 牵引索的安全校核 牵引索的拉力安全系数应满足 世：王4 5 z 咖x 应力安全系数应满足： 式中： o 牵引索的最大张力； 最牵引索的金属截面积； 牵引索的弹性模量； 以牵引索的钢丝直径； d 牵引索绕过的滑轮直径。 2 2 3 起重索的设计 从定滑轮绕出时的起重索卷筒入端张力由下式计算 = 筹巾q 式中：滑轮组的总阻力系数； 口滑轮组的倍率； 七其中所有定滑轮绕出至起重索卷筒的导向滑轮数目 l o ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 谚一d ， & 旦q i | 乓 旦q 玉乓 如 吒 靴 工程硕士学位论文 滑轮组的省力系数； q 计算其重量。 起重索的强度计算只考虑抗拉强度【2 】，其条件式为 墨= 一s 2 3 缆索系统驱动装置的功率计算 ( 2 3 6 ) 缆索起重机牵引卷筒和起重卷筒为分别驱动，即由独立的驱动机构驱动，其功率计 算需分别进行。 2 3 1 牵引卷筒驱动功率计算 1 牵引索的牵引力 牵引索是通过驱动装置的牵引卷筒来驱动的。卷筒传递给牵引索的牵引力即圆周力 p 用于克服牵引索的全部阻力。圆周力尸在数值上等于卷筒附近牵引索紧边张力z 与松 边张力正之差，即： 尸= 巧一e 由2 2 1 节可知： p = w + 十 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 式中：彬载重小车运行时的坡道阻力，根据( 2 2 7 ) 计算： 彬载重小车运行时的摩擦阻力，根据( 2 2 9 ) 计算： 职导绕滑轮的转动阻力，根据( 2 3 1 ) 计算。 2 牵引功率 当牵引索的牵引力p 确定后，预定牵引速度v ，稳定运行状态下牵引静功率可用下 式确定： ，：当 ( 2 3 9 ) 。 1 0 0 0 ” 式中：p 牵引索的牵引力； v 牵引速度； 叩驱动装置的传动效率。 3 驱动电机功率选择的依据 确定驱动电机功率的比较合理的方法是按式( 2 3 9 ) 计算出载重小车在跨内不同位 置所需要的静功率，并从牵引索循环周期中找出各功率所对应的时间，绘制功率随时问 变化的曲线图，然后利用等效功率法确定牵引驱动功率，最后验算所选功率的过载能力。 另外一种比较简单的做法是：考虑到目前缆索起重机中所采用的驱动装置都考虑了 缆索起重机的工作特性，即都具有较大的过载能力，因而在具体设计中，以在一定的驱 动装置过载能力内考虑最不利状态时的启动或制动的功率计算： w 儿q 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 竺竺望止 1 0 0 0 7 7 式中： 圪。考虑最不利情况的最大牵引力 # 启动、制动时的惯性力： p ：生； q 集中载荷； g 重力加速度； 启动、制动时间，一般取1 5 2 5 s ，最大不能大于6 0 s k 。电机的过载系数。 2 3 2 起重卷筒驱动功率计算 起重卷筒稳定状态下的静功率可由下式计算 ：盟 1 0 0 0 订 式中：q 起升重载荷； 起升速度； 玎传动机构的机械效率。 ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) 工程硕士学位论文 第3 章缆索起重机承载能力的灵敏度分析 3 1 缆索起重机承载能力的灵敏度分析的必要性 缆索起重机作为大跨度起重运输机械，广泛用于各行各业中，发挥着重要的作用。 然而正是由于其工作环境的特殊性，安装精度的影响，工作环境的变化以及实际工作的 需要，不可避免的会引起各项参数的变化，如工作温度，实际的跨度等，从而造成实际 的各项参数与设计参数之问的差异，从而影响承载索的张力，进而影响缆索起重机的承 载能力，而承载索的张力和承载能力又直接关系到起重机的性能和生产的安全性，因此， 研究这些因素变化对张力和承载能力产生的影响，对指导生产实践和安全生产是很有意 义的。 3 2 承载能力的定义 本论文将承载能力q 。定义为：在给定的承载索及安全系数足( 包括拉力安全系数 e ，和应力安全系数b ) 下，承载索在当时的工作条件和状态下所能承载的最大总载 荷( 包括吊重，起重小车，及其它荷重) 。 由上一章可知，设计承载索要验算轮压比，然而，本文在讨论和计算承载能力时， 并不考虑验算轮压比，这是因为：验算轮压比是为了减小承载索的磨损和弯衄疲劳，延 长使用寿命，这是一个长期的过程，而本文所讨论的承载能力是考虑承载索的强度问题， 如果承载能力严重不够则会发生破断，对安全生产更为重要，如果再考虑轮压比则会忽 略问题的核心和实质，反而不利于实际工作需要；其次，在讨论和分析计算灵敏度时， 很可能出现满足强度条件而不满足轮压比的情况，若考虑轮压比，则参数能够变化的范 围很可能很小，这不利于灵敏度分析。因此，本文在讨论灵敏度和进行计算时，只考虑 承载索的强度条件，即只考虑拉力强度和应力强度。这不会影响问题的实质。 3 3 承载索张力状态方程的进一步讨论 由2 1 3 节可知，张力状态方程是建立在两种状态之间的物理关系上的，即索长的 变化是由载荷和温度的变化而引起的。 同样，当调整承载索的长度或者跨度发生改变，索长的变化因素应该加入这两点， 因此状态方程需要修正。 当在实际工作中需要调整索长的长度时，则张力状态方程中的口变为： 口： 警 ，q ( q + g ) 也础坟驷s 蚋 e k f 【c o s 8 ( 3 1 ) 计算时，当放松承载索时，值取正号，缩紧的情况下则取负号。 当塔架顶部因为吊重存在着弹性位移或者因为其他原因使跨度发生变化，且这一位 移或变化为j 时，张力状态方程中的口变为： w j l o 2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 d = 警 ，q ( q + g ) + g 2 一日。丛r 。e 。最c 。s 卢占兰叠兰产) ( 3 2 ) 计算时，对于承载索两端固定在塔架上的情况，向跨内位移占取正号，向跨外位移 取负号。 3 4 承载能力的计算方法 求解承载索的承载能力，就是要在满足拉力安全系数和应力安全系数下，求解所能 承受的最大集中载荷。很明显，这是一个临界值。如果用墨、五分别代表计算所得的 拉力、应力安全系数，如式( 2 2 0 ) 和( 2 2 2 ) 所示，用 k 、 世： 分别代表拉力、 应力设计( 许用) 安全系数，则当承载索的集中载荷达到这一临界值时，存在以下关系： k 。= 【墨】且有屹 【】 或 = 互】且有墨 墨】 按照这一思想，可按以下步骤( 流程) 求解承载索的承载能力： ( 1 ) 根据 墨 计算出此时承载索所能承受的最大张力毛。； ( 2 ) 根据7 孟。计算出此时承载索所能承受的最大水平张力月。； ( 3 ) 根据日一，运用承载索的张力状态方程计算出在当时环境条件下承载索的最 大集中载荷q m 。，令q = q m a x l ( 4 ) 根据q 计算k ：。 ( 5 ) 如果k ：【k ： ，则承载能力为q ，整个过程结束。如果k ，墨【k ：】，则令 9 = q 一q ( q o ) ，重复第( 4 ) 步。 由以上求解的流程可以清楚的看出，计算承载能力的关键是根据瞄 求解q m 。 ( ( 1 ) ( 3 ) ) 和根据集中载荷p 求解e ，可以用以下方法来求解： 1 根据 k 1 求解： ( 1 ) 由公式( 2 2 0 ) 可得： 乙1 = 罟 ( 3 3 ) a i ( 2 ) 根据公式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可以求得日一； ( 3 ) 考察承载索的状态方程： h ：+ d h ：一b = q 其中： 6 = 刍警 r + 1 2 q x ( 一x ) ( q + q ) ( 3 4 ) 2 4 o ”“o 不妨令皿= 日。，根据公式( 3 1 ) 或( 3 2 ) ，可以求出在参数改变后的口，通过 上式可以求出6 ，通过公式( 3 4 ) 又可求得q ，此时，承载索在满足拉力安全系数下 工程硕士学位论又 所能够承受的最大集中载荷即为q 。因此，此时瓯。= q 。 2 根据q 求解墨 根据承载索的状态方程，令q = q ，可以求得皿，当z = 2 时，可得此时最大张 力口一。 运用公式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 可以求得k ，根据公式( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 即可求 得墨。 3 5 承载能力的变化率 为了更清楚的表明各因素对承载索的承载能力的影响，反映承载能力对各因素的灵 敏度，不妨将承载能力的灵敏度分析转化为对承载能力变化率的分析。 设在初始状态下，承载能力为旦，参数改变后，承载能力为q ，则承载能力的 变化率心定义为： 心：尼咳) ：与垒x l o o 3 6 承载索张力的变化率 为了迸一步更清楚的了解参数变化对缆索起重机整体性能和安全的影响，讨论参数 变化对承载索张力的影响也是很有益处的。 设在初始状态下，承载索的最大张力为z t 眦，当参数改变后，在相同的集中载荷作 用下，承载索的最大张力为r ，则承载索张力的变化率，定义为： 肼州耻等枷蝴 3 7 承载索张力及承载能力的灵敏度分析 本论文对承载索张力及承载能力的灵敏度分析所采用的力学计算模型如图2 1 所 示，为了计算方便，假定初始高度差矗= 0 ，这并不影响计算结论的准确性和适用性。 具体参数如下： 跨度：= 4 0 0 m最大集中载荷：q = 1 0 0 e 均布载荷：g = 1 7 0 1 0 - 3 槲伽( 包括承载索、工作索、辅助索及其它设备对承载 索形成的均布载荷) 选用钢丝绳为：6 3 7 麻芯双重绕钢索，横截面积e = 15 6 8 4 3 1 0 。3 舻 承载索的破断拉力：一= 2 6 l l7 o 8 2 = 2 1 4 l6 刖 承载索的弹性模量：e ，= 15 1 0 8 尼p 口 承载索的线膨胀系数：s = 12 l o “ 拉力安全系数：k = 3 ，应力安全系数：世，= 2 承载索的公称强度为：r 6 6 6 m p 口 w 儿q 一2 0 0 k n 型无支架缆索起重机研发 承载索的破断应力为：1 6 6 6 o8 2 = 1 3 6 61 2 伽m 承载索的许用张力为：。= 己墨= 7 1 3 8 阳v 载重小车的走行轮个数为：门= 8 在工作载荷q = 1 0 0 剧( 最大载荷，包括动载) 下，讨论下列因素对张力及承载能 力的影响： ( 1 ) 工作温度与安装温度间的差值f 。= 一3 0 一3 0 ： ( 2 ) 因安装或测量等因素造成的两固定端的高度差 的误差 = 0 1 0 ，三= o 一4 0 m ； ( 3 ) 固定端点的水平位移j = 5 一5 ，三= 一2 2 脚： ( 4 ) 调整承载索的长度，= 一5 一5 ，三= 一2 2 柳：