起重机金属结构

• 工字钢下翼缘外表面产生的整体弯曲应力为
σ
0
=
M W
x x
Wx 工字钢下翼缘外表面各点对x轴的截面抗弯模量。 跨中剪力
Fc ≈ 1 ∑P 2
(2)、水平载荷产生的弯曲应力： 大车起、制动时，按 车轮打滑条件，计算均布惯性载荷和集中惯性力。 (3)、扭转载荷产生的应力 小车位于跨中，由于轮压 不均以及大车制动产生的惯性力使工字梁发生约束扭 转对主梁轴线产生扭矩。 ，
起重机金属结构提纲
• 第一部分：金属结构设计基础知识 1.1金属结构的材料、力学性能（强度、刚度、稳定性）；外力及其分类；应力、应变 的概念；杆件、平板、壳体变形的基本形式。 1.2金属结构的连接：焊接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接 1.3轴向受力构件和柱：轴心受压、偏心受压构件的强度、刚度、稳定性； 1.4横向受弯构件和梁：支座的基本形式,静定梁的基本形式（简支梁、外伸梁、悬臂 梁），连续梁 1.5桁架：弦杆、腹杆、节点 • 第二部分： 起重机金属结构概述 2.1 桥架：梁式桥架、通用桥机桥架（中轨、偏轨、半偏轨）、单梁桥架；载荷及载荷 组合 2.2 门架：通用门机的门架：单梁、双梁、刚性支腿与柔性支腿；载荷及载荷组合 2.3 臂架：臂架的分类（定幅与变幅；单臂架与组合臂架；受压臂架、压弯臂架、受弯 臂架）；载荷及载荷组合； 2.4塔架：塔身结构、塔身标准节节头形式；载荷及载荷组合 参考文献： • 《GB/T 3811—2008起重机设计规范》 • 《起重机械监督检验规程》 • 《机械装备金属结构设计》 徐格宁 • 《材料力学》刘鸿文
起重机金属结构
机电二部 文茂堂
看图说话：起重机金属结构的破坏
• 岸桥前大梁折断（韩国港口，设备为大连起重重工 设计制造）
• 造船用门式起重机
沪东中华两台600t门机抬吊 900t重物时，重物撞击柔性腿。 两台门机同时倒塌。
履带吊
• 马尼托瓦克履带吊草原倾覆，大家观 察左图，到底是什么原因导致的呢？
• 危险截面为移动载荷分别位于跨中、跨端极限 位置时的跨中、跨端截面，验算点如图所示。 各点所计算的应力是不同的。1点存在最大的 自由弯曲正应力，2点存在最大的约束弯曲正 应力，3点存在最大剪应力，4点存在最大的局 部弯曲压应力等。 2．疲劳强度 主梁的疲劳强度取决于工作应力谱、应力循环 次数、反映应力集中情况的接头型式、应力循 环特性和疲劳点的最大应力等。GB3811—— 2008规定，对结构件工作级别大于E4（含） 的主梁需验算疲劳强度。 根据主梁疲劳破坏实例和试验结果，主梁发生 疲劳破坏的敏感部位为：一是大、小隔板与上 翼缘板、腹板的上部连接焊缝；二是梁的翼缘 焊缝，以及跨中大隔板最下端与腹板受拉区的 连接焊缝与腹板。因此，常选这些敏感部位作 为疲劳强度的验算点。
为与梁的整体失稳相区别，将腹板或翼缘板个别板段丧失 稳定的现象，称为板的局部失稳。 2、措施： 为提高薄板的临界应力，需增加板厚或用加劲 肋来加强。 加劲肋分横向加劲肋（垂直于板长方向或压应力方向） 和纵向加劲肋（平行于板长方向或压应力方向）两种， 横向加劲肋都采用刚性加劲肋，而纵向加劲肋可采用刚 性加劲肋也可用柔性加劲肋（尤其适用于大宽度板）。
• （4）翼缘局部弯曲应力 工字钢主梁下翼缘在小车轮压P 作用下，将产生局部弯曲变形和局部弯曲应力，通常在翼 缘根部、力作用点和自由边产生较大应力，而后两处更为 严重。
（三）箱形主梁 （一）型式：中轨箱形梁桥架是桥式起重机最常用的结构型 式，桥架及截面型式如图所示 。 （二）载荷：桥架主梁受有垂直、水平方向的载荷和扭转载 荷。 （三）强度 • 1．静强度：主梁静强度设计计算应按最不利载荷组合对危险 截面进行强度验算，校核所选取的主梁截面是否能满足要求。 主梁通常按垂直载荷、水平载荷和扭转载荷作用下，验算同 一危险截面的同一验算点的强度。
杆起重机等。
• 二 金属结构的分类 • 1．按照金属结构的构造分类 分为格构（桁架）结构和实腹（板梁）结构。 格构（桁架）结构由二力杆件连接而成，其特点是杆件长度 尺寸较大，而截面尺寸较小。格构式结构用型钢制成，多 作成桁架和格构柱。如塔式起重机的桁架臂和塔身都是桁 架结构 。
桁架
• • 桁架是由杆件构成的能承受横向弯曲的格构式构件。桁架的杆件主要承受 轴向力。通常桁架由三角形单元组合成整体结构，是几何不变体系。 桁架的杆件分为弦杆和腹杆两类，杆件相交的连接点叫节点，节点的区间 叫节间。按桁架的支承情况，分为简支的、悬臂的和多跨连续的，多数是 简支桁架。起重机中常采用简支桁架和刚架式桁架，如图示。 轻型桁架都做成焊接的，对大跨度桁架，只在运输单元的拼接接头上采用 铆接或栓接（架桥机）。桁架腹杆主要承受节间的剪力，腹杆的布置应使 杆件受力合理、结构简单、制造方便、腹杆和节点数目最少以及形状尺寸 尽量相同，以节省材料和制造工时。 斜腹杆的倾角对内力影响很大，一般应在35°~55°之间，而45°最为合理。 此外，应使长杆受拉，短杆受压。
（五）组合梁的稳定性
一、组合梁的整体失稳 在横向载荷作用下梁产生弯曲变形，当载荷增大至临界值时，梁 就发生侧向屈曲而丧失整体稳定。 为控制梁的弯曲变形，起重机的主梁做成上拱。《起重机监督检 验规程》对桥架型起重机的拱度与静刚度有如下要求： （1）在额定载荷下，主梁跨中下挠值达到水平线下S/700时，如不 能修复，应报废； （2） 新安装的桥、门式起重机的主梁上拱度 为(0.9～1.4)S/1000，门式起重机的上翘度为(0.9～1.4)L1/350； 电动单梁、电动单梁悬挂起重机主梁上拱度为(1～1.4)S/1000。 载荷试验后桥、门式起重机拱度应不小于0.7S/1000，上翘度应 不小于0.7Ll/350；电动单梁、电动单梁悬挂起重机主梁上拱度应 不小于0.8S/1000。 二、梁中薄板局部失稳： 1、概念：由薄钢板制成的工字梁和箱形梁，在载荷作用下梁的 腹板和翼缘板受有正应力和剪应力作用，有的还受有局部压应力 作用；这些应力除产生强度问题外，还会使板发生波浪式翘曲， 引起薄板丧失稳定。
简支梁与外伸梁载荷分布模型
梁的截面 梁的合理截面应具有两个对称轴，当截面积相同而材料 远离对称轴时可增大抗弯刚度（EI），并相对节省材料。 按照梁的受力特点，其截面主要有工字形和箱形两种。 在垂直载荷下工字形截面梁是最理想的型式，同时受有 垂直和水平载荷的梁，应采用空间刚度大的箱形梁较合 理。
（二）单梁桥架（以工字钢截面为例） • 单梁桥架是以一根工字钢做主梁，两根槽钢拼接后做端 梁，主、端梁固接的结构型式。为保证工字钢梁的稳定， 增大水平刚性，主、端梁连接要牢固。 载荷与强度计算 • 工字钢主梁按载荷组合B（见GB3811-2008载荷组合）进 行强度计算。桥架主要承受如下载荷： （1）垂直载荷产生的弯曲应力 在垂直载荷作用下，桥架由 于主、端梁固接，主梁受载发生弯曲变形时，装在端梁上 的大车车轮就绕着轨顶转动，呈简支状态，因此在垂直载 荷作用下，桥架可取简支梁计算简图。
•
•
• 实腹（板梁）结构由薄板焊接而成，其特点是长度和宽度尺 寸较大，而厚度较小。因此实腹式结构亦称薄壁结构，如工 字形梁、箱形梁和箱形柱等。门式起重机的箱形主梁和变截 面箱形支腿，门座起重机的箱形臂架和支腿门架都是实腹式 结构。
• 实腹式结构自重较大，制造方便，格构式结构自重 小，但工艺复杂。一般是承载较大、尺寸较小的结 构采用实腹式结构，而承载较小、尺寸较大的结构 采用格构式结构。实腹式结构和格构式结构是起重 运输机金属结构中最常用的结构型式。 2．按照金属结构外形分类：分为桥架结构、门架结 构、臂架结构、塔架结构。 • 桥架结构如桥式起重机和核电站环行桥式起重机的 桥架。门架结构:L形门式起重机的门架。
3、矩形板失稳时的临界应力与所受应力状态有关。矩 形板受有均匀压应力、弯曲正应力、均匀剪应力、局 部压应力和多种应力的联合作用 。 《起重机监督检验规程》中对桥架型起重机的稳定性 作了如下要求：主要受力构件不应整体失稳；主梁腹 板不应有严重不平，其局部平面度，在离受压区翼缘 板H/3以内不大于0.7δ，其余区域不大于1.2δ。 为保证腹板的局部稳定性，通常采用对翼缘板设置纵 向加劲肋。
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起重机械监督检验规程——检验内容要求与方法
主要受力构件不应整体失稳、严重塑性变形和产生裂纹。 整体失稳时不得修复，应报废；产生严重塑性变形使工 作机构不能正常运行时，如不能修复，应报废；在额定 载荷下，主梁跨中下挠值达到水平线下S/700时，如不 能修复，应报废；发生锈蚀或腐蚀超过原厚度的10％ 时应报废；产生裂纹应修复或采取措施防止裂纹扩展， 否则应报废。 金属结构的连接焊缝无明显可见的焊接缺陷。螺栓或铆 钉联接不得松动，不应有缺件、损坏等缺陷。高强度螺 栓连接应有足够的预紧力矩。
（2）压弯臂架 这类臂架往往是靠连接在臂架中下部或后部 的变幅连杆（如齿条、螺杆、液压缸等构件）的牵引运动 实现臂架变幅，因此臂架的前段形成悬臂状态，在载荷作 用下臂架承受很大的弯曲和轴向力。这种臂架侧面高度一 般都比较大且做成变截面的结构型式。臂架的整体稳定性、 强度和刚性都对其承载能力有重要的影响。 （3）受弯臂架 借助沿臂架运行的小车来实现变幅的起重机 水平臂架，它主要承受横向弯曲作用。显然，臂架的强度 和刚性是设计中的主要问题 。
起重机金属结构概述
一、金属结构的定义与作用 • 1、金属结构的定义 以金属材料轧制成的型钢及钢板作为基本构件，采用铆、焊、 栓接等连接方法，按照一定的结构（而非机构）组成规则连 接组成能够承受载荷的结构物。 • 2、金属结构的作用 金属结构作为机械装备的骨架，承受和传递机械装备负担的 各种工作载荷、自然载荷及以自重载荷。如桥式起重机的起 升载荷是通过起重小车的车轮传递给主梁，主梁再传递给端 梁，端梁再通过大车车轮传递给轨道，最终由轨道传递到轨 道梁的基础来完成载荷的传承。 金属结构是机械装备的主要组成部分，起到“骨架”的作用， 约占整机总重的60~80%。许多起重机是以金属结构的外形 而命名，如桥式起重机、门式起重机、门座起重机、塔式起重机、桅
单臂架门座起重机与海上石油钻井平台分别为臂架结构和 塔架结构
桥架结构
（一）横向受弯实腹式构件——梁的构造和截面 梁的构造 承受横向弯曲的实腹式构件称作梁。梁作为骨架广泛应用于 工程结构和机械装备中，如工作平台的承载梁、承轨梁、起 重机的桥架以及运输栈桥主梁等。梁可作为独立的承载构 件，也可以是整体结构中的一个构件。 根据制造条件，梁分为型钢梁和组合梁两种型式。型钢梁是 用轧制工字钢作梁，制造简单，但刚性不足，组合梁可做成 任意高度，材料分配合理，但制造费工。 根据支承情况，梁可分为简支梁、外伸梁、悬臂梁和连续梁。 简支梁制造安装简单，应用最为广泛。组合梁是由一块或两 块腹板与上、下翼缘板（盖板）用焊缝或用铆钉连接成整体 梁，但铆接还需用翼缘角钢相连接，因而导致构造复杂，现 在多采用焊接梁。
汽车吊臂架：同时承受弯矩与轴向力作用，液压缸 变幅，伸缩式箱型臂架。
日本多田野
日本加藤
• 钢丝绳柔性变幅单臂架门 座起重机
• 齿轮齿条刚性变幅四连 杆组合臂架门座起重机
门座起重机的水平变幅系统 门座起重机大多采用水平变幅系统。 • ①重物和臂架系统各自的重心在变幅过程中几乎无垂直位 移。其方法之一是靠增设活动平衡重来平衡臂架系统俯仰 时的合成重心的升降变化。这种方法布置较方便,工作也 较可靠，应用广泛。方法之二是靠臂架系统的机构特性来 保证变幅时合成重心的移动轨迹接近水平线，无活动平衡 重。 • ②所吊重物在变幅过程中沿着近于水平线的轨迹移动，可 采用补偿法和组合臂架法。补偿法是通过特种储绳系统在 变幅过程中自动收放相应起升绳，以补偿臂架升降造成的 吊具垂直位移。组合臂架法是依靠组合臂架的机构特性保 证臂端在变幅过程中接近水平移动。
臂架结构
一、臂架的分类（受力特点） （1）受压臂架 它利用固定在臂架顶端（或很接近顶端）的变 幅绳来实现臂架的俯仰变幅，臂架在顶端悬吊的载荷和起升 绳、变幅绳拉力作用下，主要承受轴向力（臂架自身重力和 风力产生的弯矩相对不大），因此其侧面尺寸远比臂长和宽 度为小，通常取为中间等高而两端缩小的形状。影响这种臂 架承载能力的主要因素是整体稳定性。