起重机传动零件疲劳计算基准载荷及载荷谱系数(0709)
起重机钢结构设计中的载荷计算
起重机钢结构设计中的载荷计算上海港巨机械设计事务所1. 计算准则1欧洲起重机设计规范, FEM 1.001, 第3版, 1998.10.01.2中国起重机设计规范, GB3811-83材料钢板Q345C弹性极限(kN/cm 2)t ≤1634.516＜t ≤2532.525＜t ≤3631.536＜t ≤5029.550＜t ≤10027.5高强度螺栓:G B1228-86 10.9焊条:对Q345-----E50xx对Q235---E43xx载荷及载荷系数增大系数= 1.17（应力计算，起重机组别 A8）=1（疲劳计算）DL 自重载荷=1,409吨=13808.2kN TL 小车自重=21吨=205.8kN TLS 小车自重 (TL) 在非工作状态停车位LS =17.3吨 =169.7kN LSS 吊重系统 (LS) 在非工作状态停车位LL 起重量=65 吨=637kN =33 吨=324 kN厚度吊重系统 = 吊具上架 + 吊具最大前伸距为 65 米 cLL1E 偏心载荷LL2E一满箱一空箱30吨 637kN @ 横向偏心1200 mm 324 kN @ 横向偏心637kN @ 纵向偏心200 mm 324 kN @ 纵向偏心IMP 动力系数 = 1.17 x (LS + LLE) - (LS + LLE) = 0.17 x (LS + LLE)起重机等级: HC2 (岸边起重机)起升驱动形式: HD3 (起升驱动装置的控制系统能保证在荷重起离地面前20%额定速度单箱操作时Vh=Vh,cs=0.2x60m/min=0.20m/sf2min =1.10(FEM 表 T.9.3.b)b2 =0.34(FEM 表 T.9.3.b.)1.10+0.34x0.20= 1.17取 y = 1.17OK 注 : y =1.0大车运行时（因大车与起升不能同时运动）STL 堵转载荷:偏心载荷= 1,345kN,偏心距离为= 5300/2= 2650 cmk = 电机最大扭矩/额定扭矩 =2900 kw22.3120.940.921.32 m2169.7kN637 kN750 r.p.m11460N*m481317N*m729 kN 1345 kN65吨STL = 1.67 x (LS + LL) SNAG 挂舱载荷 = 8 钢丝绳 x 125% 最大工作载荷 (MORL) =y = 1.17169.7kNlong = 吊具上架上滑轮间横向距离530cmlong = 吊具上架上滑轮间纵向距离106.4cm637 kNeccx 起升载荷偏心120cm20cm=24.8 kN186.2 kNy=f2=f2min +b2nh=P = 起升功率 =r = 减速箱速比 =h = 减速箱效率 =稳定低速运动速度=M s =堵转时卷筒上的扭矩=kxMxrx h =T=堵转时钢丝绳受力=M s x2/(Dx1000)=F=堵转载荷=Txn t x h p =h p = 滑轮效率 =D = 卷筒直径 =n t = 倍率=LS = 吊重系统=1.17xLS/(#ropes)1.17xLL/2x(long/2+eccx)/longx(sh LL = 起重量=n = 电机转速 =LS = 吊重系统 =LL = 起重量 =M = 电机额定扭矩 = 9550xP/n ==211.1 kN 挂舱载荷2110.5 kN=2.62x(LS+LL)DYN 动态试验载荷y = 1.17超载荷重< 100t ==> r =1.2 (FEM 表 TDYN = r x y x (LS + LL)=1.2x 1.17 x (LS + LL)=1.404 x (LS + LL)注: 挂舱载荷大于动态试验载荷，为控制载荷LATT小车加速载荷=0.14 x TL + 0.068 x (LS + LL)小车速度: v = 4.0 m/sec 加速时间: t = 6.0 sec 加速度=(4 m/sec)/(6 sec)=0.67 m/sec^20.068g 驱动轮数=100%最小值检查：0.068g > (1/30 = 0.0333 g ) OK 2 x 0.068g= 0.14g (见 FEM 附录 A-2.2.3)注:以上载荷LATT 随起重量不同而变化.载荷方向平行于小车运行方向.LATG 大车加速载荷=0.033 x TL + 0.0167 x (LS + LL)大车速度: v =0.75 m/sec 加速时间: t =9.0 sec 加速度=(0.75m/sec)/(9 sec)=0.0833m/s^20.0085g 驱动轮数=50%最小值检查：0.0085g < (0.5/30= 0.0167 g ) N.G 2 x 0.0167g= 0.033g (见 FEM 附录 A-2.2.3)注:以上载荷 LATG 随起重量不同而变化.载荷方向平行于大车运行方向COLLG碰撞载荷=0.057 x TL + 0.0285 x (LS + LL) A=V2/2s=0.563m/s^20.057g Where:0.75 m/sec 500mm SKEWG 大车偏斜载荷= 0.05 (DL+TL+LS+LL) FEM 2.2.3.3节=741.0345kN OWL 工作风载:v=20m/s & q = 245N/m2 *OWX = 工作风沿小车方向OWY = 工作风沿大车方向=8 x 1.25 x MORL =s =(缓冲器行程) =v = (大车速度) =p C qf =?OW< = 工作风沿某一角度 =SWL 非工作风载:v=55m/s & q = 1,854N/m2*SWX = 非工作风沿小车方向SWY = 非工作风沿大车方向SW< = 非工作风沿某一角度 =OWX OWY 22+p C qf =?SWX SWY 22+3吨2吨3718 mm1659 mm119 mm重起离地面前作稳定低速运动)0.2x100m/min=0.33m/s1.10+0.34x0.33= 1.21OK升不能同时运动）1.2 (FEM 表 T.9.16)。
关于起重机钢结构疲劳计算的讨论
根据文献［１］，起重机利用等级与总的工作循环次数的关
的结构中采用高强度材料可降低结构的重量，而在由疲劳控 系见表 ２。
制设计的结构中采用高强度材料则是不合理和不经济的。
利用公式（６）可得表 ３。
这一点正和由刚度控制设计的结构中采用高强度材料是不合 理、不经济的一样。
表２ 起重机的利用等级
３．２ 变幅疲劳的等效 应力幅的计算方法
［Δσｃ ］＝（ｃ／ｎ）１／β 其中： ｎ——应力循环次数；
（６）
静强度计算中的材料强度极限和屈服强度σｓ也都是由试验
确定的，但那种试验中的载荷是缓慢施加的，试验中不包括
ｃ、β——参数，依据构件和连接类别可查表 １选用。
动力效应，而实际结构承载时是有动力效应的，故乘以动载
表１ 参数ｃ、β （据文献［３］ 表６．２．１）
算疲劳强度。 但是对工民建领域来
表３ 常幅疲劳的许用应力幅 ［Δσ ］（ｃ代表常幅） ｃ
说，由于承受动载 荷 的 结 构
类 型 不 是 很 多 ，尚 未 有 一 套
全 面 的 载 荷 谱 ，故 只 能 给 出
一 般 计 算 方 法 ，在 实 际 应 用
时对变幅疲劳的计算应用公
式（ ８ ）是 很 繁 复 的 。而 在 起 重
３ 新的疲劳计算方法在起重机结构设计中的应 用
在《 起 重 机 设 计 规 范 》（ Ｇ Ｂ ３ ８ １ １ － ８ ３ ）制 订 时 ，工 民 建 的
利用文献［１］中的起 重机的载荷状态与名义载 荷谱系数Ｋｐ及文献［３］中 的公式（６．２．３－２（）即本文
《 钢 结 构 设 计 规 范 》（ Ｇ Ｂ Ｊ １ ７ － ８ ８ ）尚 未 发 表 ，故 采 用 与 修 订 前
对于变幅（应力循环内的应力幅随机变化）疲劳，若能预 测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及
起重机钢结构总体设计时常用地载荷系数
在进行起重机总体设计时，特别是钢结构设计时，考虑的载荷和工民建钢结构厂房设计考虑的载荷有很大不同，其特点就是起重机是动态使用的，在考虑载荷时，都要乘一个系数，现在我把整体设计时最常用的载荷系数简单得说一下，使对起重机钢结构设计不了解的人有一个初步的认识，同时，也请这方面的专家指出不足之处。
《规范》中可没有这么详细啊！一、自重冲击系数当货物突然起升离地、货物下降制动、起重机运行通过轨道接缝或运动机构起动、制动时，起重机的的自身重量将产生冲击和振动。
由于这种冲击和振动，起重机各部分质量会产生附加的加速度，虽然可用计算机计算这种加速度，但计算工作量较大，所以，实际计算时是将自重乘以一个冲击系数，以考虑这种附加动载的影响。
按照《起重机设计规范》（GB3811-83），的规定，自重冲击系数分两种情况，一是货物离地或货物下降制动对自重的冲击，将起重机自重乘以起升冲击系数φ1，二是吊着货物的起重机运行通过轨道接缝，将起重机自重和起升载荷均乘以相同的运行冲击系数φ4，他们都是经验值。
1、起升冲击系数φ1《规范》规定：0.9≤φ1≤1.1这个系数的应用分两种情况：当自重对要计算的元件起增大作用时，取φ1=1.0~1.1，否则取φ1=0.9~1.0。
2、运行冲击系数φ4《规范》规定，φ4用下式计算：φ4=1.10+0.058v√h (注：√h为h开更号）式中v-----起重机（或小车）的运行速度（m/s)h----轨道接缝处二轨道面的高度差（mm）理论表明，当速度较大时（v≤2m/s），冲击系数并不随速度增大，只要控制h≤2mm，系数不会大于1.1。
二、起升载荷动载系数φ2这是一个最重要的系数。
φ2一般取1≤φ2≤2当起升质量突然离地上升或下降制动时起升质量将产生附加的加速度，由这个附加加速度引起的惯性力，将对机构和结构产生附加的动应力，我国《规范》规定，将起升载荷乘以系数φ2予以增大，φ2即为起升载荷动载系数。
1、φ2的估算值φ2=1+cv√[1/δg（λ0+yo）]各符号的意义见《起重机设计规范》（GB3811-83）附录B为了检验上式的正确性，曾对通用桥式起重机、塔式起重机、门座起重机等做过测定，φ2值与实测值很接近。
第三章起重机械的计算载荷与计算方法.ppt
向载荷。
F侧 P / 2
—P —发生侧向力一侧最不利轮压之和； ——水平侧向力系数，按图中选取。
二、载荷分类与载荷组合
1、载荷分类 （1）基本载荷：始终或经常作用在起重机上的载荷。 （2）附加载荷：在正常工作状态下受到的非经常性载荷。 （3）特殊载荷：非工作状态下可能受到的最大载荷或工作 状态下偶然受到的不利载荷。 2、载荷组合 （1）起重机破坏形式：
计算风压，用于强度、刚度、稳定性计算，qIII ——非工作状
态计算风压，用于强度、刚度、稳定性计算。
★ 风压高度系数 Kh
起重机工作状态风载荷不考虑高度变化，Kh =1；
非工作状态 Kh 按下表选取：
★ 风力系数 K f 风力系数与结构的体型、尺寸有关，几种情况：
①一般起重机单片结构和单根构件的风力系数K见f 表1-14。 ②两片平行平面桁架组成的空间结构，其整体结构的风力 系数c可取单片结构的风力系数，而总的迎风面积应考虑前片 对后片的挡风作用。 ③风朝着矩形截面空间桁架或箱形结构的对角线方向吹 来。当矩形截面的边长比<2时，计算的风载荷为风向着矩形 长边作用时所受风力的1.2倍；当矩形截面的边长比≥2时， 取为风向着矩形长边作用的风力。 ④三角形截面的空间桁架的风载荷，可取为该空间桁架垂 直于风向的投影面积所受风力的1.25倍。
⑤下弦杆为方形钢管、腹杆为圆管的三角形截面空间桁架， 在侧向风力作用下，其风力系数可取1.3。
⑥当风与结构长轴（或表面）成某一角度吹来时，结构所 受的风力可按其夹角分解成两个方向的分力来计算。 ★ 迎风面积A
指受风部位在垂直风向平面上的投影面积。
结构受风面积还应考虑充实率 ， 见表中所示。
5、其它载荷 （1）冰雪、地震载荷一般不考虑。若有特殊要求，则进行 专门计算。 （2）安装及运输载荷在设计计算时视实际情况考虑。 （3）坡度载荷：流动起重机需要时，按具体情况考虑；轨 道起重机若轨道是永久性的，且坡度不超过0.5%,可不考虑， 否则按实际坡度计算；临时性轨道，按其安装误差计算。 （4）碰撞载荷：
起重机机械零件疲劳安全系数的确定
起重机机械零件疲劳安全系数的确定吴军;王玉金;刘永刚;魏永顺【摘要】According to the working level classification principle and fatigue calculation method of crane machinical parts provided by GB/T 3811-2008 Design Rules for Crane, the paper discusses the value-deciding method for safety factor, working level group number, etc. In the crane machinical parts fatigue calculation process.%依据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》所提供的起重机机械零件工作级别划分原理及机械零件疲劳计算方法,探讨了起重机机械零件的疲劳计算过程中安全系数、工作级别组别号等的取值方法.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2011(000)008【总页数】3页(P70-72)【关键词】起重机;机械零件;疲劳计算;探讨【作者】吴军;王玉金;刘永刚;魏永顺【作者单位】河南卫华重型机械股份有限公司,长垣453400;河南卫华重型机械股份有限公司,长垣453400;河南卫华重型机械股份有限公司,长垣453400;河南卫华重型机械股份有限公司,长垣453400【正文语种】中文【中图分类】TH210 引言GB/T 3811—2008《起重机设计规范》 (以下简称为设计规范)已于2009年6月1日起开始实施，与GB/T 3811—1983《起重机设计规范》相比，设计规范第1次引入了国外较为科学的起重机结构件或机械零件工作级别划分的概念，是设计规范引入的1个重要概念，也是起重机设计理念的1个重大更新。
因为，无论是起重机整机的工作级别还是起重机各机构的工作级别，均不能有效地表征主要结构件或机械零件的实际受载情况。
起重机钢结构总体设计时常用的载荷系数
起重机钢结构总体设计时常用的载荷系数在进行起重机总体设计时，特别是钢结构设计时，考虑的载荷和工民建钢结构厂房设计考虑的载荷有很大不同，其特点就是起重机是动态使用的，在考虑载荷时，都要乘一个系数，现在我把整体设计时最常用的载荷系数简单得说一下，使对起重机钢结构设计不了解的人有一个初步的认识，同时，也请这方面的专家指出不足之处。
《规范》中可没有这么详细啊！一、自重冲击系数当货物突然起升离地、货物下降制动、起重机运行通过轨道接缝或运动机构起动、制动时，起重机的的自身重量将产生冲击和振动。
由于这种冲击和振动，起重机各部分质量会产生附加的加速度，虽然可用计算机计算这种加速度，但计算工作量较大，所以，实际计算时是将自重乘以一个冲击系数，以考虑这种附加动载的影响。
按照《起重机设计规范》（GB3811-83 ），的规定，自重冲击系数分两种情况，一是货物离地或货物下降制动对自重的冲击，将起重机自重乘以起升冲击系数4 1,二是吊着货物的起重机运行通过轨道接缝，将起重机自重和起升载荷均乘以相同的运行冲击系数44,他们都是经验值。
1、起升冲击系数 4 1《规范》规定：0.9 <4 1 < 1.1这个系数的应用分两种情况：当自重对要计算的元件起增大作用时，取 4 1=1.0?1.1 ,否则取力1=0.9~1.0 。
2、运行冲击系数力4《规范》规定，（））4用下式计算：4 4=1.10+0.058v V h （注：Vh 为h 开更号）式中v——起重机（或小车）的运行速度（m/s）h----轨道接缝处二轨道面的高度差（mm ）理论表明，当速度较大时（v<2m/s ），冲击系数并不随速度增大，只要控制h<2mm ,系数不会大于1.1。
二、起升载荷动载系数42这是一个最重要的系数。
4 2 一般取1<（））2 < 2当起升质量突然离地上升或下降制动时起升质量将产生附加的加速度，由这个附加加速度引起的惯性力，将对机构和结构产生附加的动应力，我国《规范》规定，将起升载荷乘以系数 4 2予以增大，4 2即为起升载荷动载系数。
基于 nsoft的塔式起重机疲劳载荷谱编制及疲劳剩余寿命估算
基于 nsoft的塔式起重机疲劳载荷谱编制及疲劳剩余寿命估算顾海浩;袁祖强;殷晨波;冯松【摘要】以QTZ4508型塔式起重机为研究对象，在Ansys中建立其金属结构的有限元模型，通过静力学分析确定其危险位置，进而确定疲劳易发点。
通过施工工地试验，检测起重臂不同位置不同工况下的应力－时间历程，经数据处理，绘出了A1、 A2工况下NO.9单循环下的载荷谱。
另外，观察一周内塔式起重机的工况数，在nSoft软件中运用雨流计数法编制了塔式起重机一周内的载荷谱，并将载荷谱外推至1 a。
根据编制的载荷谱和塔式起重机的P－S－N曲线，运用nSoft 软件预测塔式起重机的疲劳寿命，推算出使用年限约16.6 a，为其安全评估提供了理论和技术支持。
%With QTZ4508 tower crane as the study object, the finite element mode is developed for the metal structure in Ansys.The dangerous position is determined through static analysis to identify the spot where fatigue easily happens.Through the construction site test, the stress-time history of the cargo boom at different positions under different conditions is detected.By processing the data, the load spectrum of NO.9 under single cycle is plotted under cases of A1 and A2.In addition, through observation of the quantity of working conditions of the tower crane within one week, the one-week load spectrum for the tower crane is prepared using the rain-flow counting method.The load spectrum is extrapolated to 1a.Ac-cording to the load spectrum and the P-S-N curve, the fatigue life of the tower crane is predicted using nSoft, equal to about 16.6a, providing theoretic and technical support for safety evaluation.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2015(000)011【总页数】7页(P39-45)【关键词】塔式起重机;疲劳载荷谱;剩余寿命;nsoft【作者】顾海浩;袁祖强;殷晨波;冯松【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院南京 211816【正文语种】中文【中图分类】TH213.3塔式起重机(以下简称塔机)广泛应用于建筑施工。
第三章工程起重机计算载荷与计算方法
第三章工程起重机计算载荷与计算方法第一节作用在起重机上的载荷主要的有：起升载荷、起重机自重栽荷、风载荷、重物偏摆引起的载荷、惯性和离心力载荷以及振动、冲击引起的动力载荷等一、自重载荷G(或用P G表示)自重载荷指除起升载荷外起重机各部分的总重量（不是质量,在此以N计),它包括结构、机构、电气设备以及附设在起重机上的存仓等的重力二、起升载荷P Q(最大额定起重量Q+吊钩自重q)起升载荷是指起升质量的重力（以N计）.起升质量包括允许起升的最大有效物品、取物装置（下滑轮组、吊钩、吊梁,抓斗、容器、起重电磁铁等)、悬挂挠性件及其它在升降中的设备的质量。
起升载荷动载系数φ2δ——结构质量影响系数三、水平载荷1。
运行惯性力P H起重机自身质量和起升质量在运行机构起动或制动时产生的惯性力按质量m与运行加速度a乘积的1。
5倍计算,但不大于主动车轮与钢轨间的粘着力2。
回转和变幅运动时的水平力P H臂架式起重机回转和变幅机构运动时,起升质量产生的水平力(包括风力、变幅和回转起、制动时产生的惯性力和回转运动时的离心力）按吊重绳索相对于铅垂线的偏摆角所引起的水平分力计算四、安装载荷在设计起重机时，必须考虑起重机安装过程中产生的载荷.特别是塔式起重机,有的类型其安装给局部结构产生的应力大大地大干工作应力。
露天工作的起重机安装时风压应加以考虑。
五、坡度载荷起重机坡度载荷按下列规定计算：1．流动式起重机需要时按具体情况考虑.2．轨道式起重机轨道坡度不超过0。
5%时不计算坡度载荷，否则按实际坡度计算坡度载荷。
六、风载荷P W在露天工作的起重机应考虑风载荷并认为风载荷是一种沿任意方向的水平力。
起重机风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载两类。
工作状态风载荷P Wg起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力1。
风载荷按下式计算：计算风压q风压髙度变化系数K h 风力系数C查表得七、试验载荷起重机投入使用前,必须进行超载动态试验及超载静态试验第二节载荷分类与载荷组合―、载荷分类作用在起重机结构上的载荷分为三类，即基本载荷，附加栽荷与特殊载荷。
载荷与其组合
a. 承受惯性载荷小的零件
Qφ2 引起对计算零件的扭矩
b. 其他传动零件 M II max = （2 ? 2.5) Mn
3.平衡式变幅机构
a. 承受惯性载荷小的
最大变幅阻力(包括矩 αII 角偏摆力引起的水平力)产生的扭矩
b. 其他传动零件
M II max = （2 ? 2.5) Mn
绪论
20
三.等效载荷
[τ] = τsF / n
n —— 安全系数，根据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类载荷的计算要求,查表决定.
绪论
22
五.疲劳强度计算 可以由试验或计算求得疲劳强度极限 σrk 2σ-1
计算： σrk =(—1 —– —γ—)k——+ —η—(1—+—γ—)
式中： σrk——零件的疲劳强度 σ-1——对称循环下的试验应力 ( N0≥107 )
当 km kn > 1.0
时
取
绪论
km
kn
=
1
21
四.强度验算 ①σs/σb ≤ 0.7 时,表明材料的塑性较好 强度极限可取屈服极限 [σ] =σs/n [τ] = τs/n
②σs/σb > 0.7 时, 强度极限采取以下值:
σsF
=
—σ—s+—σ—b — 2
τsF = √—σ3—sF
[σ] = σsF /n
φ4 =1.10 + 0.058v√h
V ——运行速度 m/s
h ——轨道接头处高度差
也可按下表查取：（经验数据）
绪论
8
4. 水平载荷
①运行惯性力 PH PH = 1.5 ma
式中: m —— 运行质量
a —— 运行加速度（减速度）
机械零件疲劳强度计算
4）疲劳极限比同材料的屈服点低，疲劳极限的大小和应力循环 次数及循环特性有关。
三、材料疲劳曲线（对称循环变应力的—N曲线） 疲劳曲线的定义：表示应力循环次数N与疲劳极限的关系曲线。
4、振动稳定性
如果机器中某一零件的固有频率 f和周期性强迫振动频率 fp相等或成
整数倍时，零件振幅就会急剧增大而产生共振，使零件工作性能失常， 还可能引起破坏。所谓振动稳定性，就是设计时避免使零件的固有频率
和强迫振动频率相等或成整数倍。
强度、刚度、耐磨性及振动稳定性是衡量机械零件工作能力的准则，
设计计算时并不是每一种零件均需按这些准则逐项计算，而是根据零件
R=－1对称循环
R=＋1静应力
二、材料疲劳的两种类别
根据作用在机械零件上的变应力循环次数的不同，把 材料的疲劳分为两类： 当变应力循环次数大约在104左右时，材料的疲劳现 象称为低周疲劳，亦称应变疲劳。例如：飞机起落架、 炮筒、导弹壳体等。 大部分通用零件和专用零件在工作时所承受的变应力 循环次数大于104，此时材料的疲劳称为高周疲劳。本章 只讨论高周疲劳问题。
、 [ ] ——分别为零件的变形量和许用变形量；
、 [ ] ——分别为零件的转角和许用转角；
、 [ ] ——相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。零件 过度磨损会使形状尺寸改变，配合间隙增大，精度降低，产生冲击振动， 从而失效。设计时应使零件在预期使用寿命内的磨损量不超过允许范围。 一般通过限制工作面的单位压力和相对滑动速度；选择合适的材料组 合及热处理方法；良好地润滑以及提高表面硬度和表面质量等均能提高 耐磨性。 对于传动效率低、发热量大的运动副（如蜗杆传动副），如果散热不 良，将使零件温升过高，致使两零件局部熔融引起胶合，因此还应进行 散热计算，使其正常工作时的温度不超过允许限度。
第五章 起重机技术参数与载荷
试验，在试验中作用于起重机的最不利载荷。
第五章 起重机技术参数与载荷
第四节 载荷分类与计算原则
将作用在起重机上的载荷分为三类：基 本载荷、附加载荷和特殊载荷。
第四节 载荷分类与计算原则
一、载荷分类与载荷组合
1.基本载荷 基本载荷是指始终或经常作用在起重机结构上的载荷， 包括静载荷（自重载荷（PG）、起升载荷（PQ））、垂直 动载荷（φ1、φ2 、φ3 、φ4）和惯性水平载荷（PH））。
结构质量影响系数
第三节 起重机的计算载荷
三、水平动载荷
1.运行水平惯性力PH
PH 1.5 ma 式中： m 产生水平运行惯性力的 相应质量； a 运行加速度；
2.回转和变幅运动的水平力PH 3.起重机偏斜运行时的水平侧向力PS
1 P 2 式中： P 起重机发生侧向力一侧 经常出现的最不利轮压 之和； Ps
第四节 载荷分类与计算原则
载荷组合
组合Ⅰ：只考虑基本载荷。
组合Ⅱ：考虑基本载荷和附加载荷。
组合Ⅲ：考虑基本载荷和特殊载荷或三类载荷
都考虑。
各类载荷组合是起重机结构强度和稳定性 计算的原始受力依据。
第四节 载荷分类与计算原则
二、计算原则与安全系数
设计起重机时，应考虑其具有一定的使用寿命。 在规定的使用期限内，起重机各零部件和结构 件在重复载荷下应不产生疲劳破坏。同时，也 应考虑到起重机在使用期间内，可能出现在最 大载荷组合的情况下，各零部件、结构件应具 有足够的强度和稳定性，以保证起重机安全可 靠地工作。 起重机设计通常分为寿命（疲劳）计算、强度 计算和强度验算，与这些计算相适应的，有不 同情况的载荷，这些载荷称为计算载荷。
m
起重机械课件 第四章起重机的承载能力与计算载荷
起重机类别及 回转速度
装卸用门座起重机
n≥2r/min
n＜2r/min
安装用门座起重机
n≥0.33r/min
n＜0.33r/min
轮胎和汽车 起重机
——
臂架变幅平面内
序 号
工
况
5
1 计算回转离心力时
1.0
2 传动系统无间隙，采用无级变速的控制系统，加速力或制动力呈连续平稳的变化
1.2
3 传动系统存在微小的间隙，采用其他一般的控制系统，加速力呈连续的但非平稳的变化
1.5
4 传动系统有明显的间隙，加速力呈突然的非连贯性变化
2.0
5 传动系统有很大的间隙或存在明显的反向冲击，用质量弹簧模型不能进行准确的估算时
§4-2 起重机的计算载荷
二、常规载荷
3. 变速运动引起的载荷
②水平惯性力
b.起重机回转离心力和回转与变幅起（制）动时的水平惯性力
➢臂架起重机单独计算起升质量本工况产生的综合水平力计算 方法（包括风力、变幅和回转起制动产生的惯性力和回转运动
的离心力）：可以用起重钢丝绳相对于铅垂线的偏摆角引起的
水平分力来计算；用起重钢丝绳最大偏摆角aⅡ(见表)计算结构、 机构强度和起重机整机抗倾覆稳定性，用起重钢丝绳正常偏摆
§4-1 承载能力计算综述
二、承载能力计算概述
3. 承载能力计算方法 ① 许用应力法（安全系数法）
注意
许用应力设计法的典型流程图
流程：1.组合载荷作用→2.产生相应内力（线性）→3.确定危险 断面应力→4.叠加合成应力≤5.许用应力（弹性强度极限／安全 系数）
起重机技术参数与载荷
第二章起重机技术参数与载荷目录第一节起重机主要技术参数第二节起重机工作级别第一单元起重机工作级别第二单元起重机结构工作级别第三单元机构工作级别第三节起重机的计算载荷第一单元起重机载荷的作用方式第二单元垂直动载荷第三单元水平载荷第四单元风载荷Pw第五单元其他载荷第四节载荷分类与计算原则第一单元载荷分类与载荷组合第二单元计算原则与安全系数第一节起重机主要技术参数起重机主要参数是表征起重机主要技术性能指标的参数，是起重机设计的依据，也是重机安全技术要求的重要依据。
一、起重量 G起重量指被起升重物的质量，单位为 kg 或 t 。
可分为额定起重量、最大起重量、总起重量、有效起重量等。
1．额定起重量 Gn额定起重量为起重机能吊起的物料连同可分吊具或属具（如抓斗、电磁吸盘、平衡梁等质量的总和。
2．总起重量 Gz 总起重量为起重机能吊起的物料连同可分吊具和长期固定在起重机上的吊具和剧（包括吊钩、滑轮组、起重钢丝绳以及在起重小车以下的其他起吊物）的质量总和。
3．有效起重量 Gp 有效起重量为起重机能吊起的物料的净质量。
该参数需要说明如下：第一，起重机标牌上标定的起重量，通常都是指起重机的额定起重量，应醒目表示在起重机结构的明显位置上。
第二，对于臂架类型起重机来说，其额定起重量是随幅度而变化的，其起重特性指标是用起重力矩来表征的。
标牌上标定的值是最大起重量。
第三，带可分吊具（如抓斗、电磁吸盘、平衡梁等）的起重机，其吊具和物料质量的总服额定起重量，允许起升物料的质量是有效起重量。
二、起升高度 H 起升高度是指起重机运行轨道顶面（或地面）到取物装置上极限位置的垂直距离，单位为m通常用吊钩时，算到吊钩钩环中心；用抓斗及其他容器时，算到容器底部。
1．下降深度 h当取物装置可以放到地面或轨道顶面以下时，其下放距离称为下降深度。
即吊具最低工作位置与起重机水平支承面之间的垂直距离。
2•起升范围D起升范围为起升高度和下降深度之和，即吊具最高和最低工作位置之间的垂直距离。
载荷与其组合
起升高度大于50m时，应计及钢丝绳的重力。
2. 自重载荷G
指起重机的钢结构、机械设备、电气设
备及其上的料斗和连续运输机等的重力 (N，KN)。
3. 动载荷
以动载系数的形式在设计计算时反映出来
绪论
3
P静 + P动 P静 +P惯 +P振 动载系数 φ = ————— = —————— P静 P静 动载系数 与结构因素、操作及速度有关
δ —— 结构质量影响系数 m1 y0 δ = 1 + —— [———— ]2 m2 y0 +λ0
m1 —— 结构在重物悬挂处的折算质量
m2 ——起升额定质量
绪论
6
实际计算时：
折算质量m1 ，对桥架类起重机，取桥架与小车质量的 对臂架类起重机，取臂架质量的1/3 结构的静变位y0，对桥架类起重机， y0 = （1/700 ~ 1/1000）S 对门座起重机， y0 = （1/200 ~ 1/250）Rmax Rmax为最大幅度 S为跨度
一. 传动零件疲劳计算基本载荷 1. 运行机构与回转机构 M I max = φ 8 Mn 式中： M I max —— 零件疲劳计算基本载荷 Mn ——电机额定扭矩在计算零件上的折算值
φ 8 —— 刚性动载系数
取 φ 8 = 1.2 - 2.0
2. 起升机构与非平衡式变幅机构
绪论 18
a. 承受惯性载荷小的 Qφ
= 0.5ຫໍສະໝຸດ 对抓斗类起重机β3
= 1.0 对电磁铁类起重机
绪论
8
④ φ 4 ——运行冲击系数 由于起重机及小车在运行时轨道接头处有高度差，或道 路不平，引起冲击。 PG冲 = φ 4 G PQ冲 = φ 4 PQ φ =1.10 + 0.058v√h V ——运行速度 m/s 也可按下表查取：（经验数据） h ——轨道接头处高度差
【CN110069867A】驱动桥传动系统零部件多工况下综合疲劳安全系数计算方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910342472.8(22)申请日 2019.04.26(71)申请人 清华大学地址 100084 北京市海淀区北京市100084信箱82分箱清华大学专利办公室申请人 陕西汉德车桥有限公司(72)发明人 范子杰 王琪 周驰 桂良进 丁炜琦 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限公司 11245代理人 谢斌(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称驱动桥传动系统零部件多工况下综合疲劳安全系数计算方法(57)摘要本发明公开了一种驱动桥传动系统零部件多工况下综合疲劳安全系数计算方法，包括以下步骤：建立驱动桥传动系统的静力学分析模型，计算零部件在某一单一工况下的受力；计算在多个工况下轴的综合有限寿命疲劳安全系数；计算传动系统中的每个轴承在多个工况下的综合疲劳安全系数；计算传动系统中的每个齿轮在多个工况下的综合疲劳安全系数。
本发明公开的驱动桥传动系统零件在多工况综合条件下的综合疲劳安全系数的计算方法可确保驱动桥传动系统的疲劳安全性能都达到设计要求而不影响其使用寿命，提高产品性能的稳定，进而提高产品的合格率。
权利要求书3页 说明书9页 附图2页CN 110069867 A 2019.07.30C N 110069867A1.一种驱动桥传动系统零部件多工况下综合疲劳安全系数计算方法，所述零部件包括轴、轴承和齿轮，设所述驱动桥传动系统零部件的工况数目为N L (N L 为大于1的自然数)，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：步骤A：建立驱动桥传动系统的静力学分析模型，计算零部件在某一单一工况N i (i为1至N L 的自然数)下的受力；步骤B：计算在N L 个工况下轴的综合有限寿命疲劳安全系数；步骤C：计算传动系统中的每个轴承在N L 个工况下的综合疲劳安全系数；步骤D：计算传动系统中的每个齿轮在N L 个工况下的综合疲劳安全系数。
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起重机传动零件疲劳计算基准载荷及载荷谱系数*朱大林 郑小玲 方子帆摘要 本文讨论起重机传动零件疲劳计算方法问题。
讨论了区分机构和零件的载荷谱系数的必要性，指出应以零件的载荷谱作为零件疲劳计算的依据。
从实用的角度，提出以弹性振动最大载荷作为疲劳计算基准载荷并给出了相应的载荷谱系数定义。
本文还对零件的应力循环次数计算问题进行了分析。
关键词 起重机 机构 零件 疲劳计算 基准载荷 载荷谱系数１ 引言起重机传动机构零部件的疲劳寿命计算是起重机设计的重要内容，起重机设计规范(GB3811-83)[1]（以下简称规范）对此给出了一些原则规定。
起重机传动件的疲劳计算方法原则上与一般机械零件相同，但由于起重机的工作特点，决定了其零件的疲劳计算具有以下两个特点：1) 零件承受的载荷是变幅交变载荷，并具有随机变化的特性，从而使起重机零件的疲劳计算必须引入应力谱或载荷谱的概念，采用变幅疲劳的计算方法。
零件疲劳计算的依据是零件的载荷谱，而规范给出的是机构的载荷谱，对零件的载荷谱问题并未叙及。
2) 零件的应力循环次数通常小于材料的基本循环次数N 0，属于有限寿命疲劳计算。
这就要求正确计算零件的应力循环次数，对此，规范的规定也不尽完善。
本文将就以上问题进行讨论，并提出笔者的建议。
２ 起重机传动零件疲劳计算与载荷谱规范采用名义应力法和疲劳损伤的线性累积理论，规定了起重机传动零件的疲劳计算方法，推荐的计算公式为：eq rk n σσ≤/Ⅰ (1)式中，σeq —考虑变幅应力和有限寿命的零件等效应力;σrk —考虑循环特性和应力集中后的零件无限寿命疲劳强度限；n Ⅰ—疲劳计算安全系数。
规范规定，零件的等效应力σeq 根据零件承受的等效载荷计算，对传动零件，等效载荷计算公式为：T eq ＝k n k m T Ⅰmax (2)式中，T Ⅰmax —机构启动时零件的静力矩与刚体惯性力矩之和；k m —载荷系数，m m m k K =,K m 为载荷谱系数；k n —有限寿命系数，n m k N N =/0，(N<N 0)；N 0—材料的基本应力循环次数；N —机构零件的工作应力循环次数；当k n k m 〉1时，取k n k m ＝1 。
式(2)的来源分析根据疲劳损伤线性累积理论，对承受变幅应力作用的零件,材料不产生疲劳破坏的条件是：ii n N ∑<1 (3)式中，n i —应力σi 的循环次数；N i —对应于应力σi 的材料疲劳寿命；材料的S —N 曲线方程 i m i mN N c σσ==-10 (4) 式中，σ-1—材料的疲劳强度限；N 0—材料的基本循环次数。
m 、c —与应力型式和材料有关的常数。
将(3)式变为 ii m ii m n N σσ<∑1 并引入(4)式得 ∑∑<=-101N n m m i i mi mii n σσσσ 即 ∑-<m mi i N n 10σσ令 m m i i d N n ∑=0σσ (5)则得疲劳强度校核公式 1-≤σσd (6)式中σd 的意义为相应于无限寿命的等效应力，对(5)式作如下变换 m a x m a x 00)()(σσσσσm i m i m m i i d Nn N N N n ∑∑==可得 m a x σϕσm m d K = (7) 式中，φ＝N/N0—循环系数；N ＝∑ni —总的应力循环次数。
∑=)()(m a x Nn K i m i m σσ (8)可定义Km 为零件的应力谱系数，由式(7)可知，若φ和σmax 一定，则零件所受的相当应力σd 仅与Km 有关。
应力谱系数Km 由应力的大小及所占的频率决定，它反映了结构或零部件的相当应力的大小。
在应力与载荷成线性关系时，Km 可写成∑=)()(m a x N n P P K i m i m (9)由上述推导过程可知Km 为起重机传动零件的载荷谱系数，在应力与载荷成线性关系时，Km 与零件的应力谱系数Km 有着一一对应的关系，Km 综合考虑了零件的受力型式，载荷变化情况，材料抗力和疲劳累积损伤效应，比较全面地反映了变幅载荷作用下按疲劳损伤考虑的零件相当应力。
在应力与载荷成线性关系时，式(7)又可表示为m a x P K P m m eq ϕ=式中Peq 为等效载荷，取P 为传动轴扭矩T 时，则为m a x T K T m m eq ϕ=并令 n m m k N N ==0ϕm m m k K = 则 m a x T k k T m n eq = (10)规范规定，上式中的Tmax 取为传动零件的刚体动力矩，称为疲劳计算基本载荷TImax ，即(10)式可写成ax m n eq T k k T Im = (11) 由推导过程知，此处的载荷谱系数Km 为∑=)()(max Nn T T K i m i m (12)此即规范推荐的疲劳计算方法中传动零件载荷谱系数应有的定义。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------以上分析说明，在变幅载荷作用下，根据疲劳损伤线性累积理论进行零件疲劳计算的依据是零件的应力谱或载荷谱，其变幅载荷的特性由零件的应力谱系数Km 或载荷谱系数Kp 描述。
而起重机设计规范仅规定的机构的载荷谱系数，它主要考虑的是机构的驱动装置所承受的载荷，并且统一规定其中的疲劳指数m ＝ 3。
很明显，对同一机构中的不同零件，由于其所在位置的不同，载荷类型（弯、扭、挤压）的不同，所承受的变幅载荷的变化特性存在着较大的差异，也不会与机构载荷谱系数所代表的变化特性相同。
所以，在疲劳计算中，应区分零件的载荷谱与机构的载荷谱。
对零件各自定义其载荷谱系数，这对于应力不由起升载荷直接产生的机构( 如运行、回转机构)尤其显得重要。
３关于载荷谱系数及其基准的分析由上述分析知，规范所规定的疲劳计算方法是以零件疲劳计算基本载荷TImax作为基准的，由此而定义的零件载荷谱系数亦以TImax作为基准，其载荷样本中的最大载荷应为TImax。
但是，就实际建谱过程来看，一个零件的实测载荷--时间历程中刚体动力矩TImax仅是一个理论值，其实际的Tmax应为起、制动时期弹性振动力矩峰值TIImax，在目前主要对实测载荷时间历程作统计分析建立载荷谱的条件下，若按式(9) 的一般定义对一实测的载荷时间历程计算其载荷谱系数，Pmax应为载荷样本中的最大采样值，显然Pmax是由弹性振动产生的，那么，相应在式(10)中Tmax应为弹性振动最大力矩TIImax，才能与KP的定义相对应。
就实际建谱过程看，由于TIImax是载荷时间历程中这一个客观存在，并且可以很方便的检测到，显然采用式(9)的定义并取Pmax＝TIImax要方便一些，相应的疲劳计算基本力矩应取为TIImax，Kp定义为ni TiKp＝∑(—)(————)m (13)N TIImax等效载荷为Teq＝knkpTIImax (14)弹性振动最大力矩TIImax的作用时间短，循环次数少，作为疲劳计算基准是否过大呢？实际上，计算基准载荷是与载荷谱系数相联系的，选择较大的基准载荷将导致载荷谱系数的数值变小，其疲劳计算等效载荷的数值不会发生变化。
但这一定义的改变却使建谱过程及载荷谱系数的计算变得方便，使得我们可以对每个零件各自计算其载荷谱系数。
笔者对一名义载荷谱系数为0.25的起升机构作动态仿真，获得了其高速浮动轴的扭矩时间历程。
按式(13)的定义，取m＝3，对样本峰谷值计算其零件载荷谱系数得Kp＝0.1118Kp与名义载荷谱系数的差异是明显的。
由此说明零件和机构的载荷谱系数是不一致的，而作为零件疲劳计算依据的应是零件的载荷谱或应力谱。
因此，如何根据机构的名义载荷谱得到零件的载荷谱或应力谱，是使起重机传动零件疲劳计算方法实用化所需进行的一项重要工作。
４零件的应力循环次数规范规定，零件在使用期内的应力循环总数N为N＝FZ (15)式中，F—每小时的应力循环数；Z—零件的总设计寿命(h)。
F的计算分两种情况：(1) 应力循环数仅与起重机工作循环数有关时F＝kaSp(16)式中，Ka—零件在一个工作循环中经受的应力循环数；Sp—每工作小时内起重机工作循环数。
(2) 应力循环数与转速有关的零件F＝60nmkb/im(17)式中，nm—零件所属机构的电动机转速(r/min)；im—由电动机到计算零件的传动比；kb—零件每一转经受的应力循环数。
上式中Z、Sp均由机构或起重机工作级别和使用情况决定，而Ka则与零件在工作过程中的动态响应有关。
起重机工作时经常的起、制动，对传动零件产生较大的冲击载荷，并由于振动而增加零件的应力循环次数，而式(16)和(17)对此并未考虑。
对此，笔者对上述200 个工作循环的扭矩仿真样本进行了雨流计数，取出全循环次数517次，根据Ka的定义可求得Ka＝517/200≈2.6对起升机构，由于载荷力矩的单向作用，理论上在一个工作循环中传动轴扭矩(或扭转剪应力)的循环次数为1，计算的应力循环次数Ka〉1主要是由于起、制动时的振动使循环次数增加。
由此可见，规范对此类零件应力循环次数的计算也是不够完善的。
为此，必须在传动零件动载荷研究的基础上，确定各种机构的零件应力循环次数的计算方法。
参考文献１起重机设计规范(GB3811-83).北京：中国标准出版社,1985.２朱大林、黎万军. 起重机起升机构零件随机疲劳载荷的仿真分析.葛洲坝水电工程学院学报,1996(2).起重机传动零件疲劳计算基准载荷及载荷谱系数*朱大林郑小玲方子帆（武汉水利电力大学）摘要本文讨论起重机传动零件疲劳计算方法问题。
讨论了区分机构和零件的载荷谱系数的必要性，指出应以零件的载荷谱作为零件疲劳计算的依据。
从实用的角度，提出以弹性振动最大载荷作为疲劳计算基准载荷并给出了相应的载荷谱系数定义。
本文还对零件的应力循环次数计算问题进行了分析。
关键词起重机机构零件疲劳计算基准载荷载荷谱系数Base Load of Fatigue Calculation of Crane's TransmissionElement and It's Load Spectrum FactorZhu Dalin, Zheng Xiaoling, Fang Zifan附:作者通信地址邮编443002湖北省宜昌市云林路21号武汉水利电力大学宜昌校区机械工程系。