蔡海英

（龍巖技師學(xué)院 福建 龍巖 364000）

橋式起重機(jī)靜載荷試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)起重機(jī)及其部件的結(jié)構(gòu)承載能力，動(dòng)載荷試驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證各機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器的功能。在其設(shè)計(jì)階段就考慮到載荷試驗(yàn)驗(yàn)規(guī)范要求，結(jié)合靜載荷和動(dòng)載荷試驗(yàn)的具體要求，就其在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需考慮的問題進(jìn)行全面分析，并對載荷試驗(yàn)與機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的關(guān)系加以初步分析。

1 橋式起重機(jī)的載荷試驗(yàn)過程與分析

橋式起重機(jī)試驗(yàn)包括空載試驗(yàn)、額定載荷試驗(yàn)、靜載荷試驗(yàn)、動(dòng)載荷試驗(yàn)[1]。試驗(yàn)的順序?yàn)椋嚎蛰d試驗(yàn)，額定載荷試驗(yàn)，靜載荷試驗(yàn)，最后動(dòng)載荷試驗(yàn)。按照試驗(yàn)的工況，對起重機(jī)械的綜合質(zhì)量要求越來越高，前一項(xiàng)試驗(yàn)不合格，不能進(jìn)行下一項(xiàng)試驗(yàn)，需整改完畢，經(jīng)復(fù)查合格后才能繼續(xù)后面的試驗(yàn)[2]。

1.1 空載試驗(yàn)

試驗(yàn)前，檢測各個(gè)回路電阻，然后接通電源，開動(dòng)各機(jī)構(gòu)，使小車沿主梁全長，起重機(jī)沿軌道適當(dāng)長度往返運(yùn)行各不少于3次，應(yīng)無任何卡阻現(xiàn)象，檢查限位開關(guān)、緩沖器工作是否正常，吊具左右極限位置是否符合要求?？者\(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，分別開動(dòng)各機(jī)構(gòu)，做正、反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，累計(jì)時(shí)間不少于5min，并做好記錄。

1.2 額定載試驗(yàn)

額定載荷試驗(yàn)的目的是通過額定載荷試驗(yàn)進(jìn)一步測試起重機(jī)的相關(guān)功能指標(biāo)。試驗(yàn)過程為：主起升機(jī)構(gòu)按1.0倍額定載荷加載，使起重機(jī)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)做聯(lián)合動(dòng)作，只允許同時(shí)開動(dòng)兩個(gè)機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)過程中需分別檢測各機(jī)構(gòu)的速度、制動(dòng)距離和起重機(jī)的噪聲，保證設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。

1.3 靜載試驗(yàn)

起重機(jī)在做靜載荷試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)的靜載荷試驗(yàn)必須分別進(jìn)行，靜載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)載荷為1.25倍額定載荷，驗(yàn)證起重能力、電控系統(tǒng)正?？刂啤?/p>

1.4 動(dòng)載荷試驗(yàn)

動(dòng)載荷試驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證起重機(jī)各機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器的功能，起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的動(dòng)載荷試驗(yàn)應(yīng)先分別進(jìn)行，然后作聯(lián)合動(dòng)作的試驗(yàn)。

2 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

我國《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有如下描述：在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法和極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法兩種方法。

2.1 許用應(yīng)力法

對許用應(yīng)力法作如下定義：使外載荷作用在結(jié)構(gòu)及連接接頭中使之產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，不大于結(jié)構(gòu)及連接接頭的承載能力（強(qiáng)度和穩(wěn)定性的抗力以及變形控制值）的設(shè)計(jì)方法[3]。

2.2 極限狀態(tài)法

繼許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法之后，一些學(xué)者提出極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法是基于概率與統(tǒng)計(jì)理論的一種新的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)方法，這種方法把載荷、構(gòu)件實(shí)際尺寸以及材料性質(zhì)等因素均看作基于某種概率分布的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，并通過大量的實(shí)測、試驗(yàn)、調(diào)查得到各個(gè)基本變量的分布概率及參數(shù)，再應(yīng)用概率論相關(guān)理論知識，計(jì)算結(jié)構(gòu)失效的概率，從而估計(jì)出起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全度[4]。

2.3 兩種方法的比較

1）極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法比許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法的實(shí)際應(yīng)力值和許用應(yīng)力值都有所增大，至于增大數(shù)值的程度，需要根據(jù)不同的機(jī)型、具體的載荷及載荷組合確定。

2）極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法更適用于結(jié)構(gòu)外在載荷作用下產(chǎn)生較大變形的場合及內(nèi)力與載荷組合成非線性關(guān)系的場合。

3 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)部分載荷分析

橋架上作用的載荷可以分為：垂直載荷、水平載荷以及扭轉(zhuǎn)載荷。

3.1 垂直載荷

橋架沿垂直方向作用的載荷有：固定載荷、移動(dòng)載荷和沖擊載荷。

3.1.1 固定載荷半橋架重力PGb包括主梁，小車軌道、走臺、欄桿和集中驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)軸等重力，它們均按均布載荷Fq作用在跨度S的橋架上：

橋架上的固定設(shè)備載荷PGi根據(jù)起重機(jī)類型而不同，它包括運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)重力PGb、減速器重力PGj和司機(jī)室重力PGs等，并按其實(shí)際位置，以集中應(yīng)力方式作用在橋架上。

圖3-1 小車輪壓計(jì)算圖

3.1.2 移動(dòng)載荷

移動(dòng)載荷包括額定起升載荷PG和小車重力PGx。移動(dòng)載荷以小車輪壓的方式作用在主梁上。在本文驗(yàn)算橋架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度時(shí)，小車重和吊重是已知條件，可直接計(jì)算。本文以四輪小車輪壓計(jì)算為例，計(jì)算簡圖如圖3-1所示。O是小車架中心，K和b是小車架的軌距和輪距，額定起升載荷PQ作用點(diǎn)為E，小車的綜合質(zhì)心F偏離通過O的縱軸的距離為 e，E點(diǎn)距AD邊的距離為l1，F(xiàn)點(diǎn)距AD邊的距離為l2，分別計(jì)算受力較大的一側(cè)梁（AB）的輪壓值。

小車重力PGx產(chǎn)生的靜壓Px1和Px2為：

額定起升載荷PQ產(chǎn)生的靜壓PO1和PO2為：

由PGX和PQ產(chǎn)生的靜輪壓值為：

采用均衡梁式八輪小車，靜輪壓計(jì)算與四輪小車相同，先求出均衡梁支承鉸點(diǎn)的支反力，再均分于均衡梁的兩個(gè)車輪上。

3.1.3 沖擊載荷

橋式起重機(jī)運(yùn)行至軌道接頭處，會(huì)產(chǎn)生沖擊力，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，這個(gè)可以由運(yùn)行沖擊系數(shù)Ф4來考慮。起重小車升降物品起、制動(dòng)時(shí)，會(huì)使結(jié)構(gòu)的自重載荷、起升載荷增大，自重載荷由起升沖擊系數(shù)Ф1、起升載荷由計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)載系數(shù)Ф2或者突然卸載沖擊系數(shù)Ф3考慮。

根據(jù)工況不同，各系數(shù)應(yīng)乘以不同的載荷，計(jì)算時(shí)對吊鉤起重小車輪壓為：

式中Ф1、Ф2也可能是Ф4。當(dāng)小車輪距不大時(shí)，可取合力∑P=P1+P2來計(jì)算橋架。對剛性吊具小車，通常選取載荷系數(shù)Ф2、Ф3、Ф4計(jì)算。按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范載荷組合規(guī)定，也可將動(dòng)力系數(shù)Фi先乘以相應(yīng)載荷上，再分別計(jì)算出輪壓值。

3.2 水平載荷

水平載荷又包括大、小車起、制動(dòng)慣性載荷，偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷、風(fēng)載荷本文計(jì)算的橋式起重機(jī)均假設(shè)為室內(nèi)使用，不計(jì)風(fēng)載荷作用。

3.2.1 起、制動(dòng)慣性載荷

大車或者小車運(yùn)行.起、制動(dòng)時(shí)，將使橋架、小車和起升質(zhì)量產(chǎn)生水平慣性力，其各慣性力用以下總表達(dá)式計(jì)算，但不大于大車主動(dòng)輪與鋼軌之間的滑動(dòng)摩擦力，即水平慣性力PHi為：式中m——所計(jì)算慣性力物體的質(zhì)量；a——運(yùn)行加速度；

Ф5——考慮結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)而使慣性力的增大的動(dòng)載系數(shù)，一般Ф5=1.5；

no——大車主動(dòng)輪數(shù)；n——大車車輪總數(shù)；

μ——滑動(dòng)摩擦系數(shù)，正常軌道面，μ=0.14；軌道上撒砂時(shí)，μ=0.25。根據(jù)上式計(jì)算的慣性力為兩類：

2）大車起、制動(dòng)慣性力。半橋架質(zhì)量mG產(chǎn)生的水平慣性力，以水平均布載荷FH作用于梁上。由半橋架固定載荷的集中質(zhì)量mGi產(chǎn)生的慣性力PHi，以水平集中力作用于梁的相應(yīng)位置上。

小車和起升載荷的質(zhì)量（mx+mq）產(chǎn)生的水平慣性力以水平移動(dòng)集中力PH1，PH2作用于梁上，并與輪壓的作用位置相對應(yīng)。當(dāng)輪壓不大時(shí)，為簡化計(jì)算，常以合力PH=PH1+PH2作用于主梁上。

3.2.2 偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷

橋架偏斜運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生的水平側(cè)向載荷，偏斜運(yùn)行時(shí)的水平側(cè)向載荷Ps，作用在一根端梁的相應(yīng)的兩個(gè)車輪輪緣上。

3.3 扭轉(zhuǎn)載荷

由于垂直、水平載荷對主梁截面的偏心作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。

上述各種載荷對不同的橋架產(chǎn)生的作用也不同，應(yīng)視具體情況區(qū)別對待。

4 載荷試驗(yàn)與機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的關(guān)系

4.1 靜載荷試驗(yàn)與機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的關(guān)系

起重機(jī)靜載荷試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)起重機(jī)及其部件的結(jié)構(gòu)承載能力，其試驗(yàn)要在使其結(jié)構(gòu)處于最不利的狀態(tài)下進(jìn)行，即主小車?？吭诳缰形恢?，先按1.0倍額定載荷加載，起升離地面100～200mm處懸空，再無沖擊地加載至1.25倍額定載荷，懸空時(shí)間不少于10min。卸去載荷，將空載小車停放在極限位置，用拉鋼絲的方法檢查起重機(jī)主梁基準(zhǔn)點(diǎn)處應(yīng)無永久變形、且主梁實(shí)有上拱度符合檢測規(guī)范要求，即可終止試驗(yàn)。如有永久變形，需從頭再做試驗(yàn)，但總共不超過三次，不應(yīng)再有永久變形。

靜載試驗(yàn)同時(shí)考核起升機(jī)構(gòu)中的吊鉤、鋼絲繩、卷筒、減速器等的承載能力，以及制動(dòng)器的支持能力；金屬結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與機(jī)械連接質(zhì)量，以及電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、卷筒軸承座及減速器等，靜載試驗(yàn)后，要求零部件安裝不得松動(dòng)。

4.2 動(dòng)載荷試驗(yàn)與機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)的關(guān)系

動(dòng)載試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證各機(jī)構(gòu)和制動(dòng)器功能。動(dòng)載試驗(yàn)過程為：首先起升機(jī)構(gòu)按1.1倍額定載荷加載，對每種動(dòng)作應(yīng)在其行程范圍內(nèi)作反復(fù)起動(dòng)和制動(dòng)。對懸掛著試驗(yàn)載荷作空中起動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)載荷不應(yīng)出現(xiàn)反向動(dòng)作。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)按電動(dòng)機(jī)接電持續(xù)率留有操作的間歇時(shí)間，按操作規(guī)程進(jìn)行控制，且必須注意把加速度、減速度和速度限制在正常工作的范圍內(nèi)，按接電持續(xù)率及其工作循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)間至少應(yīng)延續(xù)1小時(shí)[5]。

試驗(yàn)過程中，動(dòng)載荷試驗(yàn)把試驗(yàn)載荷擴(kuò)大到額定載荷1.1倍，且運(yùn)行工況和額定載荷下運(yùn)行工況是完全相同，主要考核了起重機(jī)各機(jī)構(gòu)在超載條件下的工作能力，這就要求我們在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中必須得全面考慮動(dòng)載試驗(yàn)所帶來的所有影響因素，保證起重機(jī)具有超出10%額定載荷的工作能力，尤其要考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱驗(yàn)算問題。

5 結(jié)論

本文主要介紹了橋式起重機(jī)的載荷試驗(yàn)過程及設(shè)計(jì)方法和理論，并根據(jù)試驗(yàn)的具體要求，對橋架結(jié)構(gòu)在載荷試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行理論分析；另一方面，還介紹了在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮載荷試驗(yàn)所帶來的影響因素。

［1］GBT14405-2011通用橋式起重機(jī)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］張應(yīng)力.起重司機(jī)安全操作技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［3］徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

［4］郭云志，王鑫.極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法及應(yīng)用[J].建筑機(jī)械，2005，（05）：2-4.

［5］王善樵，文豪.起重機(jī)安全保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2009.