工程起重机计算载荷与计算方法

工程起重机计算载荷与计算方法一、引言工程起重机在各种工程建设中发挥着重要作用，其安全可靠的运行对于保障工程顺利进行至关重要。计算载荷与计算方法是工程起重机设计、分析和评估的关键环节，直接影响到起重机的性能、强度和稳定性。准确地确定计算载荷，并运用科学合理的计算方法进行相关力学分析，能够确保起重机在不同工况下安全有效地工作，避免因计算不准确而导致的安全事故。本章将详细阐述工程起重机计算载荷的确定原则、各种计算载荷的具体内容以及常用的计算方法。

二、计算载荷的确定原则（一）考虑实际工作情况工程起重机的实际工作情况复杂多样，包括起升、变幅、回转、行走等不同动作，以及不同的作业环境和工况要求。在确定计算载荷时，必须充分考虑这些实际因素，确保计算结果能够真实反映起重机在实际工作中的受力状态。例如，在起升作业时，要考虑起升速度、加速度、动载系数等因素对钢丝绳拉力和起升机构受力的影响；在变幅作业时，要考虑变幅角度、变幅速度以及风载荷等因素对起重臂和整机稳定性的影响。

（二）满足安全性要求计算载荷的确定要以确保起重机的安全性为首要目标。起重机在工作过程中可能会受到各种不利载荷的作用，如惯性力、风载荷、冲击载荷等。计算载荷应充分考虑这些载荷的组合情况，使其具有足够的安全裕度，保证起重机在各种工况下都能安全可靠地运行。一般来说，计算载荷要大于起重机在正常工作条件下所承受的实际载荷，以应对可能出现的意外情况。

（三）符合相关标准规范工程起重机的设计、制造和使用必须遵循国家和行业的相关标准规范。计算载荷的确定也不例外，应严格按照标准规范中的规定和要求进行。这些标准规范对起重机的各种载荷取值、计算方法以及安全系数等都做出了明确规定，是确保起重机设计和使用安全的重要依据。例如，GB/T38112008《起重机设计规范》就对工程起重机的载荷分类、计算载荷的确定方法以及许用应力等方面给出了详细的指导。

三、计算载荷的分类及内容（一）自重载荷1.定义自重载荷是指起重机自身结构、部件以及固定在起重机上的设备等的重量。它包括金属结构的重量、机构及零部件的重量、电气设备及线路的重量、液压系统及管道的重量等。自重载荷是起重机设计和计算的基础载荷之一，对起重机的结构强度、刚度和稳定性有着重要影响。2.计算方法自重载荷的计算通常根据起重机各部件的设计图纸和材料规格，通过计算各部件的体积，并乘以相应材料的密度来确定。对于一些形状复杂的部件，可能需要采用数值计算方法或通过实际测量来确定其重量。在计算过程中，要注意考虑部件的连接方式、焊缝重量以及一些附属设备的重量。例如，对于起重机的起重臂，可以根据其截面形状和长度，将其划分为若干个简单的几何形状，分别计算其体积，然后相加得到总体积，再乘以钢材的密度得到起重臂的重量。

（二）起升载荷1.定义起升载荷是指被起升重物的重量以及与起升过程相关的附加载荷。它包括重物的自重、吊具（如吊钩、钢丝绳、吊索等）的重量、起升过程中因惯性力、振动等引起的动载荷等。起升载荷是起重机起升机构设计和计算的关键载荷，直接影响到起升机构的选型和安全性能。2.计算方法重物重量：根据被起升重物的实际重量确定。吊具重量：吊具的重量可以根据其设计规格直接获取或通过计算确定。例如，吊钩的重量可以根据其材料和尺寸进行计算；钢丝绳的重量可以根据其直径、长度和单位长度重量来计算。动载荷：在起升过程中，由于重物的加速、减速以及起升机构的振动等原因，会产生动载荷。动载荷通常用动载系数来考虑，动载系数的取值与起升速度、加速度等因素有关。一般来说，起升速度越快、加速度越大，动载系数取值越大。在GB/T38112008中，给出了不同起升速度下动载系数的推荐值。例如，对于起升速度小于或等于0.5m/s的情况，动载系数可取1.05；对于起升速度大于0.5m/s的情况，动载系数可取1.1。起升载荷的计算公式为：\[P=(G+Q)\times\varphi\]其中，\(P\)为起升载荷，\(G\)为吊具重量，\(Q\)为重物重量，\(\varphi\)为动载系数。

（三）风载荷1.定义风载荷是指风吹在起重机结构上所产生的载荷。它对起重机的稳定性和结构强度有着重要影响，尤其是对于大型起重机和在露天作业的起重机。风载荷的大小与风速、风向、起重机的外形尺寸和结构形式等因素有关。2.计算方法风载荷的计算通常采用经验公式或数值计算方法。在GB/T38112008中，给出了风载荷的计算公式：\[F_w=\alpha\timesq\timesA\]其中，\(F_w\)为风载荷，\(\alpha\)为风载体型系数，它与起重机的外形有关，不同形状的起重机部件有不同的风载体型系数；\(q\)为基本风压，其值与当地的气象条件有关，可以通过气象资料查询得到；\(A\)为起重机在风向垂直平面上的投影面积。风载体型系数\(\alpha\)的取值需要根据起重机的具体结构进行确定。例如，对于起重臂，其风载体型系数可能在1.11.5之间；对于起重机的塔身，风载体型系数可能在0.81.2之间。

（四）惯性载荷1.定义惯性载荷是指起重机在启动、制动、加速、减速以及回转等过程中，由于运动部件的惯性作用而产生的载荷。惯性载荷会对起重机的结构和机构产生附加的作用力，影响其工作性能和安全性。2.计算方法惯性载荷的计算与起重机的运动状态有关。例如，在起升机构启动和制动时，惯性载荷主要由起升质量的惯性力产生，其计算公式为：\[F_i=ma\]其中，\(F_i\)为惯性力，\(m\)为起升质量（包括重物和吊具的质量），\(a\)为起升加速度。在回转机构回转时，惯性载荷则与回转部件的质量、回转半径以及回转角速度等因素有关。回转惯性力的计算公式为：\[F_{ir}=m_{r}r\omega^2\]其中，\(F_{ir}\)为回转惯性力，\(m_{r}\)为回转部件的质量，\(r\)为回转半径，\(\omega\)为回转角速度。在计算惯性载荷时，要准确确定起重机各运动部件的质量分布和运动参数，以保证计算结果的准确性。

（五）其他载荷1.定义除了上述几种主要载荷外，工程起重机还可能受到其他一些载荷的作用，如冰雪载荷、温度载荷、地震载荷等。这些载荷在特定的环境条件下会对起重机产生影响，在计算载荷时也需要考虑。2.计算方法冰雪载荷：冰雪载荷的大小与当地的冰雪厚度、积雪密度以及起重机的结构形式等因素有关。一般可以根据当地的气象资料和相关规范，确定冰雪的等效厚度和等效密度，然后计算冰雪载荷。计算公式为：\[F_{ice}=\rho_{ice}ghA\]其中，\(F_{ice}\)为冰雪载荷，\(\rho_{ice}\)为冰雪的等效密度，\(g\)为重力加速度，\(h\)为冰雪的等效厚度，\(A\)为起重机受冰雪作用的面积。温度载荷：温度变化会引起起重机金属结构的热胀冷缩，从而产生温度应力。温度载荷的计算需要考虑起重机结构的材料热膨胀系数、温度变化范围以及结构的约束条件等因素。一般可以通过有限元分析等方法来计算温度应力。地震载荷：在地震多发地区，起重机需要考虑地震载荷的作用。地震载荷的计算较为复杂，通常需要根据当地的地震烈度、起重机的结构类型和高度等因素，按照相关的地震设计规范进行计算。地震载荷一般以地震作用系数的形式乘以起重机的自重载荷等基本载荷来确定。

四、计算方法（一）静力学计算方法1.受力分析静力学计算主要是对起重机在静态载荷作用下的受力情况进行分析。通过对起重机各部件进行受力分析，确定其受到的各种外力，如自重载荷、起升载荷、风载荷等，并绘制受力图。例如，对于起重机的起重臂，可以将其简化为一端固定、一端自由的梁，分析其在自重、起升载荷和其他附加载荷作用下的弯矩、剪力和轴力分布情况。2.平衡方程求解根据受力分析得到的受力图，利用静力学平衡方程来求解未知力。对于平面力系，平衡方程包括\(\sumF_x=0\)、\(\sumF_y=0\)和\(\sumM=0\)，分别表示在\(x\)方向、\(y\)方向的合力为零以及对某一点的合力矩为零。通过联立这些平衡方程，可以求解出起重机各部件在静态载荷作用下的内力和反力，从而进行强度和稳定性计算。例如，在计算起重机支腿的受力时，可以根据整机的受力情况，利用平衡方程求出支腿所承受的垂直力和水平力，进而确定支腿的尺寸和强度。

（二）动力学计算方法1.运动方程建立动力学计算考虑起重机在动态过程中的运动情况。首先需要建立起重机的运动方程，描述其在各种载荷作用下的运动状态。例如，对于起升机构的动力学分析，要考虑起升质量、起升速度、加速度等因素，建立起升过程的动力学方程，如牛顿第二定律方程\(Fmg=ma\)（其中\(F\)为起升力，\(m\)为起升质量，\(g\)为重力加速度，\(a\)为起升加速度）。对于回转机构，要考虑回转部件的惯性、回转阻力矩等因素，建立回转运动的动力学方程。2.动态响应分析通过求解运动方程，分析起重机在动态过程中的响应，如位移、速度、加速度等随时间的变化情况。这对于评估起重机在启动、制动、加速、减速等过程中的工作性能和安全性非常重要。例如，在分析起重机起升过程中的动态响应时，可以得到起升钢丝绳的拉力随时间的变化曲线，判断其是否在安全范围内；在分析回转机构的动态响应时，可以了解回转过程中的角速度和角加速度变化情况，评估回转的平稳性和可靠性。动力学计算通常可以采用数值计算方法，如有限差分法、龙格库塔法等，借助计算机软件进行求解。

（三）有限元计算方法1.模型建立有限元计算方法是一种广泛应用于工程领域的数值计算方法。在工程起重机计算中，利用有限元软件建立起重机的三维模型，将其离散为有限个单元，如梁单元、板单元、实体单元等。在建模过程中，要准确地模拟起重机的实际结构，包括各部件的形状、尺寸、连接方式等。例如，对于起重机的金属结构，可以采用梁单元模拟起重臂、塔身等杆件，采用板单元模拟平台、腹板等薄板结构，采用实体单元模拟一些复杂的节点和连接件。2.载荷施加与求解在建立好有限元模型后，施加各种计算载荷，如自重载荷、起升载荷、风载荷、惯性载荷等。然后利用有限元软件求解模型，得到起重机各部位的应力、应变、位移等结果。通过对这些结果的分析，可以评估起重机的强度、刚度和稳定性。例如，根据有限元计算得到的应力分布云图，可以直观地了解起重机哪些部位应力较大，是否存在应力集中现象；根据位移结果，可以判断起重机在载荷作用下的变形情况是否满足要求。有限元计算方法能够考虑起重机结构的复杂几何形状和边界条件，提供较为准确的计算结果，在工程起重机设计和分析中得到了越来越广泛的应用。

五、结论计算载荷与计算方法是工程起重机设计、分析和评估的核心内容。准确确定计算载荷，并运用科学合理的计算方法进行力学分析，对于保证起重机