起重机的计算方法及现代设计方法

国内外起重机的计算方法及现代设计方法简介

起重机零部件的计算方法起重机零部件的计算方法

1） 许用应力法：起重机零部件、金属结构的计算方法，目前主要采用许用应力计

算法。这种

计算方法的基本原则是所设计的零部件、结构件最危险截面上的计算应力不得超过许用应力，若为强度条件，则

σg ≤[σ] （1-1）

式中，σg 为计算应力，[σ]为许用应力。许用应力[σ]应比材料极限应力σL 小一个倍数——即安全系数n ，即

[σ]=n L

σ （1-2）

式中，材料极限应力在进行强度计算时，对于塑性材料取屈服强度，对于脆性材料取强度极限；当进行疲劳强度计算时去材料的耐久极限（疲劳强度）。材料极限应力与材料性质、应力种类、尺寸大小和热处理条件等因素有关，所以当这些因素确定后，即可从材料手册中查出确定材料的极限应力。按许用应力法的关键问题是合理地确定安全系数。由上述强度公式可知，在截面计算应力不变的情况下，降低安全系数，可以减少零件、构件的截面尺寸，节约材料，减轻重量，改善机器使用性能。但如果分降低安全系数（即过分提高许用应力），则会使零件、构件在过载及其他偶然情况下有产生破坏的危险。因此，对于安全系数的确定，必须全面考虑、仔细分析、在保证足够安全可靠的前提下尽可能降低安全系数。

结构件材料的拉伸、压缩、弯曲许用应力取未相应载荷组合所决定的基本许用应力[σ] Ⅰ、[σ] Ⅱ、[σ] Ⅲ；剪切许用应力及端面承压许用应力由基本应力按表1-18确定。

s b s b 的安全系数和基本协议应力按表1-18确定。

若钢材的屈服应力σs 与抗拉强度σb 的比值为σs /σb ＞7.0时，相应于各种载荷组合的安全系数和基本协议应力按表1-18确定。但其基本需要应力按下式计算：

[σ] =n

35.05.0b s σ+σ （1-3）

式中：[σ] ——钢材的基本许用应力，即表1-18中[σ] Ⅰ、[σ] Ⅱ、[σ] Ⅲ；

σs ——钢材的屈服应力。当材料无明显屈服点时，取 为 （为钢材标准拉力试验残余应变达时的试验应力；）

σb ———钢材的抗拉强度；

n ——与载荷类别相应的安全系数，见表1-18。

2） 极限状态计算法：起重机金属结构计算，有的国家按极限状态计算。所谓极限

状态是指某一结构或者这一结构的某一部分达到失去正常工作能力，或不再满

足所赋予的正常使用要求的状态。根据结构在达到极限状态时所出现的损坏情

况和严重程度不同，可分为两种极限状态：承载能力极限状态（强度极限状态）

和正常使用极限状态。

① 第一种极限状态---承载能力（强度、稳定性、耐久性）极限状态 它是指结构

强度方面的极限状态，即结构达到极限承载能力时会使结构由于弯折、剪断或扭

断而破坏；比较细长的受压杆件会因失去稳定而破坏；承受反复载荷作用的构件

会因过度疲劳而破坏等等。为保证起重机机构安全可靠，避免出现这种极限状态，

对于必须计算的任何构件均应按这一极限应力状态计算。按照这一极限状态计算

时，所要解决的室外载荷在构件截面上所引起的作用内力（计算内力）与构件相

应截面的承载能力（抵抗内力）之间的矛盾，这两者之间的关系可用下式表达： N ≤φ （1-4） 式中：N ———构件计算内力，由外载荷确定。

φ——构件极限抗力，它与构件截面尺寸、材料强度和结构使用条件等因素有关。因此式（1-4）又可写成。

N = ∑αi P N i n i ≤φ=AkRm （1-5） 式中：αi ——构件内力系数，即当P N i =1时的构件内力值；

P N i ——标准载荷；

n i ——载荷系数（结构上可能达到的最大载荷与标准载荷之比）可有统计法确定； A ——构件截面几何因素（面积、惯性矩等）；

R ——构件材料标准强度；

m ——工作条件系数；

k ——材料强度系数（材料的最低屈服极限与标准屈服极限之比），由统计方法确定。

②第二种极限状态——正常使用极限状态 它是指结构或构件达到不能正常使用时的极限状态。例如结构在使用期间产生过大的变形以及结构振动（振幅）过大等。结构出现变形过大或振幅过大，虽然对于结构本身的危害不如达到上述承载能力极限状态那样严重，却会影响结构的正常使用。所以各种结构必要时应按第二种极限状态进行验算。例如根据使用要求，需要控制变形值得构件应进行变形验算，使其最大变形（挠度等）不超过规定的极限值。又如对有防震要求的构件，则应使其最大振幅不超过规定的极限值。其关系式如下：

L f ≤L f u （1-6） t p ≤t pmax （1-7） 式中：L f 、L f u

————分别表示计算和极限相对挠度；

t p 、t pmax ————分别为计算和极限结构振动衰减时间。

（3）现代设计方法简介： 设计是起重机技术之核心，目前我国起重机的设计能力薄弱、设计方法落后，所进行的设计主要是按许用应力法进行的，导致我国起重机与国外先进发达国家相比“粗、大、笨”，消耗了过多的材料和能源，严重影响了我国起重机产品的竞争能力。如何提高我国起重机行业的核心竞争能力，做到科学发展、可持续发展，尽快缩小与国外发达国家起重机制造水平的差距，是摆在我国起重机设计人员面前的一个重大课题。近些年，国际上现代设计理论和现代设计方法应运而生，并且越来越受重视，如极限状态法、有限元法、优化设计等在国际上得到了越来越多的运用，值得欣喜的是，国内也逐步开始此方面工作的研究。如何快速使我国的起重机设计人员学习和掌握现代机械设计理论和现代设计方法，站在现代设计理论和方法的平台上不断设计出创新产品，这是提高我国起重机行业核心竞争能力，振兴我国起重机行业之关键所在。

1）设计的概念及其发展阶段

①设计的概念 设计的本身就是一种创造，为了满足人类与社会的要求，将预定的目标通过人们的创造性思维，经过一系列规划、分析、决策，产生载有相应文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会与经济效益。我国起重机行业设计能力薄弱、绝大数起重机制造企业主要靠购买定型产品的图纸（有的图纸使用长达数十年）进行生产（加工），这从企业的起重机制造许可证明细表中不难看出。据不完全统计，目前我国起重机企业生产的产品中新的型号不到5%。新产品匮乏，设计创新意识和能力不强，严重制约了起重机行业的发展。所以，提高设计能力是起重机制造企业首先要考虑的课题。

②设计的发展阶段 设计的发展跟人类历史的发展一样，是逐渐进化和逐步发展的。人类的设计活动至今共有三个设计发展阶段：早期的直觉设计阶段，传统设计阶段（包括经验设计阶段，半理论半经验设计阶段），现代设计阶段。应当说目前我国的起重机设计总体尚处于传统设计阶段。我们在进行产品设计时，主要关注的是要有足够大的安全系数，而对产品的经济性、可靠性、能耗等研究甚少，缺少很多诸如优化设计、创新设计、绿色环保设计

等现代设计理念，导致现有的产品“粗、大、笨”。这也完全不符合我国科学发展观的要求。要尽快缩小与发达国家的起重机制造水平的差距，把我们的起重机设计从传统设计尽快转向现代设计是关键。

2）现代设计的概念及其与传统设计的比较

①现代设计的概念现代设计是随着电子技术、技算机技术、网络技术的迅猛发展，信息时代产生的，它是对传统设计的丰富和发展，它是以市场需求为动力，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。

②现代设计的特征及其与传统设计的比较

现代设计以计算机技术为核心，计算机的飞速发展导致了现代设计的产生和发展。这就是现代设计的显著特征。

传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。而现代设计是基于可靠性理论、疲劳理论、模态分析理论、摩擦学理论、润滑理论等形成的方法，利用这种方法进行设计可减少经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此现代设计以理论指导为主，经验为辅的一种设计。其表现为以下几个方面：

●设计手段的更新——设计手段从“手工”转向“自动”。传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，效率低、人工强度大。而现代设计从分利用CAD技术进行“无纸设计”，这就显著提高了设计效率。

●产品表示的改变——从“二维”转向“三维”。传统设计利用投影原理表示产品结构。这种二维表示的数据单一，数据量小，不便于产品的进一步分析和制造。而随着CAD技术的发展，三位“产品模型”（Product Model）应用越来越广泛。它不仅能反映产品的形状和几何信息，还可以包括分析、加工、材料、特性等数据。

●设计方法的发展——从“传统设计”到“现代设计”。随着计算机技术的发展，一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模拟分析等都涉及大量复杂的计算并开始越来越多地应用到工程实践中，使得设计从传统设计（如许用应力法）进入到现代设计。与此同时又带动了其它现代设计方法的出现。如；虚拟设计、并行设计、计算机仿真、绿色设计、反求设计等。

●工作方式的变化——从“串行”到“并行’。由于设计手段的限制，传统的设计过程采用串行方式进行，即从设计任务按时从一个环节传入下一个环节。而随着数据库和网络技术的发展，并行设计正在得到广泛应用，各设计小组可以并行的参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计中。

●设计与制造一体化存在于计算机内的产品模型可直接进入计算机辅助工艺设计（CAPP）系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计和制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。

●管理水平的提高产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量的设计数据和设计行为的管理。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种公路信息系统（MIS）、产品数据管理（PDM）系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程道德高效、协同和安全。

●组织模式的开放网络技术的发展加快了数据通信速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享、极大的提高了设计效率和水平。

3）现代设计原则

设计原则就是最基本的设计输入，就是设计时应达到的最基本要求和准则。包括产品的安全性、可靠性、工艺性、经济性、绿色环保性等要求。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善。具体应遵循以下原则：

①满足安全要求原则产品的安全使用是使用产品的最基本安全要求。对起重机这样的产品更是如此。这是设计的第一原则。具体有：

●强度原则。要求产品零件具有抵抗整体断裂、朔性变形和某些表面损伤的能力。

●刚度原则。要求在外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。

●稳定性原则。指产品在外载荷作用下能够恢复其平衡特性的原则。

●抗磨损性原则。要求零件在规定的时间内材料的磨损量在规定值以内。

●抗腐蚀性原则。要求产品在恶劣的环境下不被周围介质侵蚀的特征.

②质量保证原则产品质量主要由产品性能和可靠性决定，保证质量是现代设计的又一个基本原则，具体包括：

●性能指标。指产品的各类技术指标，如起重机的运动精度、噪音等

●可靠性指标。指产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。一般用可靠度或失效率表征。它也决定了产品的生命周期。

③功能满足原则设计出能够实现规定功能的产品，因此满足功能要求是产品设计的基本原则，必不可少。否则就失去了设计的价值，现代社会对产品功能的要求越来越高，产品的功能设计也是产品核心竞争能力的重要方面。

④工艺优良的原则在进行产品设计时必须考虑产品结构工艺性。即所设计的产品的可制造性、可装配性、可测试性能等。工艺优良是指容易通过生产过程实现。包括：

●可制造性。指利用现有设备能够制造出满足精度等要求的零件，且制造成本低，效率高。

●可装配性。指零件能够装配成满足装配精度要求的部件和整机，且装配成本低、效率高。

●可测试性。指产品能够且容易通过适当的方法进行有关测试，以评估设计、制造和装配的质量。

⑤经济合理性原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。对于起重机而言，关键是正确找出安全与经济的平衡点。做到既符合安全要求有能节能降耗。实际上，这只有采用现代设计方法才能真正实现。

⑥社会使用原则产品设计本质上讲就是不断满足社会需求，产品的社会性必须予以考虑。主要包括：

（1）环境友好性。符合环保法规，对生态环境破坏最小。保证产品产生尽可能是少的废水、废气、噪音、射线等，这是可持续发展战略在设计中的重要体现。

（2）环境适应性是指所设计的产品能适应使用环境的温度、湿度、载荷、振动等特殊条件。如起重机设计时应从分考虑温度应力、振动载荷等的影响。

（3）人机友好性满足使用者生理、心理的温能够方面的要求，使产品美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。如起重机司机室的设计应从分考虑这一点。

（4）可维修性。使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能的最小。对起重机传动易损件及电气元器件特别应注意此方面要求。

（5）可安装性。保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。对象起重机等大型结构上广泛采用螺栓连接和销轴连接就是从分考虑了其可安装性。

（6）可拆卸性。考虑材料回收和零部件的重新使用。对于塔吊式起重机尤为突出。

（7）可回收性。考虑产品报废及回收方式

4）现代设计理论及设计方法

现代设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结，现代设计方法是基于设计理论形成的，现代设计方法把设计对象看成一个系统，同时考虑系统与外部的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，力求系统整体最优。现代设计开发强调综合考虑与分析市场需求，设计、生产、管理、使用和销售等各方面因素；强调综合运用优化设计、系统工程、可靠性理论、价值工程、计算机技术等科学技术知识，探索多种解决设计问题的科学途径。它把经验的、类比的设计观点变成逻辑的、推理的、系统的设计观点，采用动态的、多变量的、多方案的、扩散性的设计思维方式，具有系统性、创造性、综合性和程式性的特点。设计方法分为适合于不同类型产品设计的一般方法和面向特殊产品的具体方法。常见的一般方法包括：

①创新设计方法；

②可靠性设计方法；

③最优化设计方法；

④有限元设计方法；

⑤绿色设计法；

⑥虚拟设计方法；

⑦并行设计方法；

⑧反求设计方法；

⑨抗疲劳设计方法；

⑩防腐蚀设计法；动态设计法；

○11价值工程法计算机仿真和动态模拟方法；

○12网络分析设计方法等。

其中有限元分析方法、可靠性设计方法、最优化设计方法、绿色设计方法、虚拟设计方法、并行设计方法已陆续开始在我国使用但只是刚起步。

5）现代设计方法在起重机设计中的运用

起重机是由机械、结构、电气、液压等四大部分组成，目前我国起重机设计主要采用许用应力法，所设计的起重机虽能保证安全但结构笨重很不经济。现在国外已开始采用极限状态法进行起重机设计，大大降低了起重机自重。当然现代设计方法较多，可以在进行起重机整机、结构、机构、电气和液压设计时采用适宜的现代设计方法。如：对起重机金属结构的设计可考虑有限元设计方法及最优化设计方法，以最低限度减轻起重机自重和降低能耗；对起重机电器部件及电气系统设计时可考虑采用可靠性设计方法，提高系统的可靠度；对起重机零部件（包括液压元件）和机构设计可考虑采用可靠性设计法和创新设计方法，不断提高可靠度及零部件和机构的创新能力，使零部件和机构越来越精巧；为了考虑快速推出新产品，在对起重机进行设计时，可考虑广泛运用并行设计方法；对超大型设备还可考虑计算机仿真与动态模拟方法。考虑现代社会的环保要求，绿色设计方法也需推广。