起重机械金属结构(第二章).ppt

第二章载荷及结构计算准则 结构金属结构的重要作用就是骨架作用 所以保证机械工作安全 可靠和良好的工作性能是机构设计的终极目标 合理分析和计算载荷 确定设计计算准则就是首先关注的问题 本章学习的重点1 载荷计算2 载荷组合3 强度 刚度和稳定性设计总则 2 1载荷种类 一 根据载荷的性质分1 重力载荷 自身重量 起升货物的重量 2 惯性载荷和振动载荷 由于运动产生的附加载荷3 自然载荷 环境载荷 如风 雪 冰 地震和温度等 4 其他载荷 偏斜运行 运输 安装等 二 根据载荷作用的概率分1 基本载荷 经常性 始终作用在起重机结构上的载荷 2 附加载荷 非经常性的载荷 3 特殊载荷 偶然作用的载荷 2 2载荷的确定和计算 一 自重载荷PG及其动载效应1 PG的估算 设计前无法知道 1 参考技术参数相近的同类产品2 利用手册 样本 参考书和文献中的经验公式3 逐步逼近法 初步内力计算 选择截面 计算重量 2 其动载效应1 起升冲击系数 1 描述起升质量突然离地起升或下降制动时自重载荷产生的沿其加速度相反方向的冲击作用 0 9 1 1 1 2 运行冲击系数 4 起重机或部分质量路径不平路面或轨道接头时 使自重质量产生沿铅垂方向的冲击作用 2 2载荷的确定和计算 可根据经验 试验和采取适当理论模型分析得到 也可按照以下数据计算 1 对于轮胎式和汽车式起重机 运行速度0 4m s 4 1 3 2 对于履带式起重机 运行速度0 4m s 4 1 13 对于轨道式起重机 轨道接头状态良好 4 1 0 轨道接头状态一般 Vy 运行速度 单位m s h 轨道接头处的高度差 单位mm 2 2载荷的确定和计算 二 起升载荷PQ及其动载效应PQ的计算吊钩式 PQ Q Ghe GrGhe 取物装置的重量 Gr 悬挂长度大于50m时起升钢丝绳重量 Q 起升货物的额定重量 抓斗式 PQ Q Gr对于抓斗 电磁吸盘或容器式等作为取物装置时 Q中包含有Ghe 2 2载荷的确定和计算 2 起升载荷的动载效应1 起升载荷的动载系数 2 起升质量离地起升或下降制动过程中的动载效应 其理论分析的简化模型 2 2载荷的确定和计算 m1 k1 分别表示主梁及小车在悬挂处的换算质量及刚度系数m2 k2 分别表示起升质量和钢丝绳滑轮组的刚度系数y0 在起升载荷作用下 起升质量悬挂点处的静挠度 位移 0 在起升载荷作用下 钢丝绳滑轮组的静挠度 位移 2 2在起重机械中的应用 静位移 ys y0 0动位移 则由简化后的动力学模型并考虑操作因素的影响后求得 C 操作参数 结构质量影响参数 1 2的定义计算的 2 y ys 1 yd ys 1 cv 2 2载荷的确定和计算 规范推荐的计算方法 2min 2 与起升状态级别有关的系数 取值见表10 P10 起升状态级别分为HC1 HC2 HC3 HC4四个级别 规范附录C P132 Vq 稳定起升速度 取值见表11 P11 对于建筑塔式起重机和港口臂架起重机不超过2 2 其他起重机不超过2 0 2 2载荷的确定和计算 2 运行冲击系数 4 考虑运行机构路径不平路面或轨道接头时所造成的起升载荷的动载效应 与自重载荷 4的相同处理方法 3 突然卸载冲击系数 起升质量部分或全部脱卸时 对结构产生的动态减载作用 3 1 m2 突然脱卸质量 m2 起升质量 3 类别系数 抓斗起重机 3 0 5电磁起重机 3 1 0 2 2载荷的确定和计算 三 惯性载荷Pi及其动载效应 指运行 旋转和变幅机构作刚体变速运动或刚体回转运动所产生的水平惯性力 1 运行惯性力m 运行部分的质量 a 运行起 制动的平均加速度 5 为考虑猛烈起 制动的动载效应 对于自行式的运行机构 运动惯性力的最大值不大于主动轮与轨道之间的静摩擦力 2 2载荷的确定和计算 对于自行式的运行机构 运动惯性力的最大值不大于主动轮与轨道之间的静摩擦力 Pz 运行机构主动轮的总静态轮压 静摩擦系数 室外 0 12室内 0 15轨道抛沙 0 25 2 2载荷的确定和计算 2 回转惯性力当回转机构做瞬时角速度和平均角加速度运动时 将产生起升质量和自重质量的法向惯性力和切向惯性力 法向 Pin m 2 r N 角速度 其中n为旋转速度 转 分切向 Pit m r N 平均角加速度 2 2载荷的确定和计算 以上是计算法向惯性力和切向惯性力的通式 所有法向惯性力的合力称为法向惯性力的主矢 其大小等于总质量与其质心法向加速度的积 切向惯性力的主矢等于回转部分的总质量与质心的切向加速度的积 必须指出 切向主矢的作用点并不在质心处 因而切向惯性力对于回转轴的合力矩 主矩 并不等于切向惯性力与质心半径的乘积 2 2载荷的确定和计算 计算起重机回转的下部支撑结构 知道主矢主矩就够了 而对于上部结构而言就必须惯性力的分布情况了 下面讨论工程上的实际处理方法 1 集中质量的处理方法其惯性力的计算为 注意挠性悬挂的起升质量 回转半径r的确定 应考虑在法向力作用下的偏摆影响 2 2载荷的确定和计算 2 分布质量的处理方法 2 2载荷的确定和计算 3 变幅运动惯性力1 采用变幅小车进行变幅 作用在小车和起升质量上的惯性力按照运行惯性力计算 2 摆动臂架类变幅 不计臂架轴线的法向惯性力 只计及切向惯性力 货物的水平运动 在货物偏摆角中考虑 3 注意同样不要忘记考虑1 5的动载系数 四 碰撞载荷及其动载效应计算依据 刚性假定 1 碰撞轨道终端缓冲器 2 2载荷的确定和计算 2 互撞情况Vc1 Vc2 V理论上的碰撞力PCi1 线性特性的缓冲器 2 2载荷的确定和计算 2 常力特性碰撞速度的确定1 无可靠限速和减速安全装置时 85 的大车速度 100 小车速度 2 实际碰撞速度 50 的额定速度动载效应系数 7见规范P22 2 2载荷的确定和计算 五 风载荷及风振已知风速或风压条件下 风载荷的计算 q 风压 C 风力系数 依据物体的外形而定 A 有效的迎风面积 空气的密度 2 2载荷的确定和计算 风压工作风压 允许起重机工作的风压非工作风压 不工作情况下承受的最大风压 如考虑风压的高度变化系数 则 Kh 分段计算 数值见表P21风力系数1 单片结构或构件 规范P182 多片结构 取第一片结构的风力系数 2 2载荷的确定和计算 结构挡风系数 见P20 第一片结构的充实率 实体面积与结构轮廓面积之比 风振当自振周期T 0 5s时的高耸塔桅结构 增大45 结构自振周期T与相应的风振系数参见 工业与民用建筑载荷规范 2 2载荷的确定和计算 六 温度载荷和冰雪载荷仅产生于超静定结构内 除用户特别要求外 一般不予考虑 冰雪载荷无任何规定 需要时参见相应归家规范 七 地震载荷不予考虑 八 偏斜运行侧向力Ps引起偏斜运行的原因 1 两侧电机不同步 2 车轮四支点的制造安装误差 3 轨道不直 不平等 2 2载荷的确定和计算 定量分析难度大 采用以下的经验公式 侧向力系数 取值参见P134 P 受侧向力一侧相关车轮的最大轮压之和 参见P133 九 安装运输载荷十 试验载荷静态试验载荷 125 额定载荷 动态载荷 110 额定载荷 试验风速 8 3m s 2 3载荷的计算组合 起重机的基本载荷 附加载荷和特殊载荷不可能同时起重机结构上 那些载荷同时出现的概率与起重机的种类 使用场合和工作情况有关 所以载荷组合的原则就是 根据起重机的实际使用工况 将同一工况下可能同时出现的载荷进行组合 以此作为结构设计的依据 一 载荷组合的种类a A 无风工作情况 b B 有风工作情况 c C 受特殊载荷使用的工作情况和非工作情况 每类载荷情况中 与可能出现的使用情况相对应 又有若干个可能的具体载荷组合 2 3载荷的计算组合 二 载荷组合表1 如何应用载荷组合表 根据所设计起重机的工况要求的实际情况 按照规范表20或附录G中的相应载荷组合 进行计算 2 结构的疲劳强度应按照A1 A4计算 只有在某些特殊的应用实例中 才考虑一些偶然的载荷及特殊载荷 强度和稳定性按照B类和C类载荷组合计算 3 当高危险度系数为1时 安全系数就是强度系数 fi 2 4结构承载能力的计算方法 一 结构安全工作的条件强度条件稳定性条件刚度条件前两项是安全工作条件 也是结构承载能力的表现 后一项是使用要求条件 可以理解为使用性能指标 2 4结构承载能力的计算方法 二 承载能力的计算方法1 许用应力法的示意图 2 4结构承载能力的计算方法 2 极限状态设计法示意图 2 4结构承载能力的计算方法 3 两种方法的比较1 许用应力法采用单一的系数考虑安全裕度 极限状态设计法采用分项系数考虑安全裕度 2 许用应力法中的安全系数 可理解为np 载荷安全系数 nm 材料安全系数 nn 结构重要安全系数 2 4结构承载能力的计算方法 在许用应力法中nn np归入了抗力项 而在许用应力法中两者归入了载荷项 这种处理在线性结构中没有多大的差异 但在非线性结构中却有本质的区别 2 5强度设计准则及许用应力 一 静强度准则弹性设计准则 除集中轮压和构件端面挤压引起的局部应力外 结构件内部允许有塑性延展 二 疲劳设计准则结构件的疲劳强度取决于结构的工作级别 材料种类 结构件的应力集中等级以及交变应力的循环特性 1 应力循环特性应力比对疲劳强度的影响 采用等寿命曲线换算 规范P34 2 5强度准则及计算方法 2 结构的工作级别 衡量结构工作繁重的指标 共分8个级别 E1 E8 根据应力状态和应力循环等级划分 a 应力状态由应力谱系数确定分为四个等级S1 S4b 应力循环等级从1 0 104到8 106共分为B0 B1011个级别两项指标组合起来成为E1 E8的结构工作级别 2 5强度准则及计算方法 C 应力集中等级非焊接件 W0 W2三个等级 焊接件 K0 K4五个等级 各种等级所对应的连接型式 参见规范P201 需要说明的是各种接头的应力集中等级是与街头所受载荷型式而定的 如 贴脚焊缝的纵向拉压 接头标记0 31 剪切 0 51 应力等级是K0 而横向拉压 1 2 应力等级却是K1 2 5强度准则及计算方法 Q235和Q345两种材料的 1 见规范 P55 C 疲劳强度的设计准则正应力时 max r 剪切应力时 max r 同时承受正应力和剪切应力的 2 5强度准则及计算方法 5 疲劳强度计算示例箱型截面桥式起重机主梁验算部位 受拉下翌缘横向对焊接缝及附近全体金属 同时受较大正应力 剪应力的腹极受拉区 验算横向加劲助下端焊缝附近腹极的疲劳强度 2 5强度准则及计算方法 疲劳强度计算小结 2 6稳定性设计准则 一 稳定性问题分类1 第一类稳定性问题 具有分支平衡点的稳定性问题 特点 当外载荷达到一定数值时 构件存在两种平衡形式 一种是保持原先变形性质的平衡形式 另一种丧失原先变形的平衡形式 前一种平衡形式为不稳定的平衡形式 属于这种稳定性的问题有 1 轴心受压构件 2 平面弯曲构件或平面压弯构件的空间弯扭失稳 3 薄板实腹构件或柱壳局部失稳 2 6稳定性设计准则 设计原则 cr ncr cr 临界应力 ncr 稳定性安全系数 2 6稳定性设计准则 a 轴心压杆的整体水平条件 为轴心压杆稳定系数b 平面弯曲构件的整体稳定性条件 w w 受弯构件的整体稳定性系数c 受压应力 1 剪应力 局部压应力 m的平板局部稳定性条件 2 6稳定性设计准则 2 第二类稳定性问题 没有分支平衡点的稳定性问题 特点 没有变形平衡状态的性质突变 其极限载荷为压溃载荷 对这类构件应采取几何非线性构件的二阶应力理论来控制最大应力不超过强度的许用应力 2 6稳定性设计准则 设计准则 s nm考虑设计原则一阶应力二阶应力强度许用应力 用二阶应力的强度来代替稳定问题 弹性设计准则 不允许构件截面有塑性扩展 2 7刚性设计准则 结构刚性 刚度 抗变形能力 静刚度 抗振动能力 动刚度 一 静刚度设计准则 1 桥式类型起重机主架 yL yL yL 满载小车位于跨中和悬臂段工作位置时 主梁对应截面在移动载荷 额定起升载荷和小车自重载荷之和 不计动力系数 作用下的扰度值 yL 许用扰度值 见P56 表2 15 新规范P43 2 7刚性设计准则 2 流动起重机的箱形伸缩臂 yL yL yL及 yL 详见P563 轴心受力构件 构件的长细比 l0 r l r式中 r 截面回转半径 l0 构件计算长度 为长度系数 许用长细比参见新规范P43 2 7刚性设计准则 二 动刚度设计准则 f f 用户要求时才计算 规范P44 f 满载起重机的基频频率 f 许用基频频率 Hz 电动桥式 f 2Hz 小车满载位于跨中 门座式 f 1Hz 满载时 第二章作业 2 1按载荷的作用概率划分 作用在起重机金属结构上的载荷有哪几种 各包括哪些具体载荷 2 2某室外工作的门式起重机 小车满载悬吊不动并处于主梁上某位