起重作业安全讲座（8）--起重机的载荷

    一、起重机在作业过程中，承受载荷种类复杂、载荷作用方向不同，这不仅表现在运行过程中起重机要受到包括静载荷、动载荷、交变载荷等各种载荷的作用，而且随着起重机作业的工况改变，即使是同类载荷也表现出多变的特征。受到载荷作用的起重机械各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，当应力和变形超过一定的限度，就会使零、构件丧失功能，甚至破坏，造成危险。
    起重机的载荷计算是起重机及其组成零、部、构件受力分析的原始依据，也是报废或事故原因判断分析的重要依据。载荷状态判断得准确与否，将直接影响计算结果和事故结论的正确与否。因此，我们需要了解起重机上的载荷种类、各种载荷的作用方向以及在不同工况下的载荷作用方式。
　　1.重力载荷
   起重机的重力载荷包括自重载荷和起升载荷两大部分。
   自重载荷包括起重机的金属结构、机械设备、电气设备等（不包括起升载荷）的重力载荷。载荷的作用方式及简化的力学模型可以分别考虑，一般情况下，起重机的机械设备和电气设备可视为集中载荷作用在设备安装的位置中心，桁(héng)

架的自重视为作用在结构节点上的集中载荷，箱型结构的自重作为均布载荷处理。自重载荷通常都比它的工作对象的重量大得多。
   起升载荷指所有起升质量的重力，包括允许起升的最大有效物品、取物装置（包括下滑轮组吊钩、吊梁、抓斗、容器、起重电磁铁等）、悬挂挠(náo)性件以及其他在升降中的设备的重力。当起升高度小于50米时，起升钢丝绳的重量可以不计。
   当起重机处于非运动的静止状态，即起重机不工作，或吊载停止升降运动悬吊在空中的状态，或起重机处于稳定匀速运动状态时，起重机的自重载荷和起升载荷可作为静载荷处理。对于桥架类型的起重机，物料通过载重小车沿主梁水平运动时，小车自重及起升载荷则组成了移动载荷。
　　2.动力载荷
   动力载荷使起重机在运动状态改变时产生动载效应，动载效应使原有静力载荷值增加。
   动力载荷包括在变速运动中，结构自重和起升载荷产生的惯性载荷；由于车轮经过不平整轨道接头，或起重机的运动部分撞击缓冲器产生的冲击载荷；在惯性载荷和冲击载荷作用下，金属结构和工作机构的弹性系统产生振动的振动载荷等。
   动力载荷与工作速度（加速度）有关，与运动方向有关，与结构的形式和性质（诸如系统的质量分布、系统的刚度和阻尼等）有关，与起重机的使用条件和司机操作方法、操作技能的熟练程度等多种因素有关。
　　3.自然载荷
　自然载荷专指风、冰、雪、地震和温度变化等自然因素所造成的载荷。在室外工作的起重机，风载荷对起重作业的影响应该给予足够的重视。其他自然载荷在需要考虑时，可按有关规范确定或由用户提供有关资料进行计算。
　　4.其他载荷
   桥架式类型起重机在大车运行过程中出现偏斜时，产生垂直作用于车轮轮缘或水平导向轮上的水平侧向力；轨道式起重机由于轨道安装误差或流动式起重机由于行驶道路的坡度引起的坡度载荷；考虑起重机在运输、安装过程中由于生产工艺的需要而产生的载荷，其形式和大小将由实际情况具体决定；起重机在投人使用前，或对使用期间的起重机做安全监测时，进行的超载动态试验及静态试验产生的试验载荷等。
    二、动载荷
   动载荷产生在起重机的运动状态改变时，动载效应使起重机受地球引力作用的重力载荷（包括自重载荷和起升载荷）的静载荷值增加。在进行起重机零、部、构件的设计、安全检验、安全防护装置的选择和起重事故的分析计算时，必须考虑动载荷的作用方向。
   1. 垂直载荷
   为了计算方便，垂直方向的动载效应通常用不同的动力系数φi表示，对于不同工况产生的动载荷是通过动力系数与相应的静载荷的乘积计算获得。动力系数一般查阅起重机设计规范或有关手册给定的范围，根据实际工况来选用确定，常用的动力系数和适用工况介绍如下：
  （1）起升冲击系数φ1
　　在起升质量突然离地起升或下降制动时，起重机的自重载荷将产生沿其加速度相反方向的冲击作用。φ1是考虑了这种工况下的自重冲击系数，在进行载荷计算时，它仅与起重机自重载荷相乘。
  （2）起升载荷动载系数φ2
  在起升机构工作时，起升质量突然离地起升或下降制动的情况下，被吊物品重力载荷将产生动态增大效应。φ2是考虑了这种工况下起升载荷的增大系数，在进行载荷计算时，它应与起升载荷相乘。φ2值的大小与起升速度、系统刚度及操作情况有关，一般起升速度越大，系统刚度越大，操作越猛烈，φ2值也越大。
 （3）突然卸荷冲击系数φ3
  当抓斗起重机和电磁吸盘起重机在卸货时，或当吊钩、钢丝绳意外断裂吊载坠落的起重事故发生时，会导致起升质量部分或全部突然卸载，这将对结构产生动态减载作用。φ3是考虑了这种工况下的卸荷冲击系数。在进行金属结构和起重机抗倾覆的稳定性计算时，应考虑这种动态减载作用的影响。
 （4）运行冲击系数φ4
   当起重机或起重小车通过不平道路或轨道接缝时，沿着垂直方向会产生运行冲击载荷，φ4是考虑这种效应的运行冲击系数。运行冲击系数与起重机或小车的运行速度、轨道或道路状况有关。
   2.水平载荷
   水平载荷包括运行、回转和变幅机构在驱动力或制动力的变速作用下，起重机自身质量和起升质量产生惯性载荷，这个载荷仅涉及由刚体动力学求得的惯性力，没有考虑弹性振动因素。水平载荷还包括轨道起重机沿轨道运行偏斜时产生水平侧向载荷和运行超行程的碰撞载荷等。由于各种水平载荷发生的机理不同，计算方法也各不相同。
　（1）运行水平惯性力
   运行机构变速时的惯性力，按产生水平运行惯性力的相应的质量与加速度乘积的1.5倍计算，1.5是考虑驱动力对起重机金属结构产生的动力效应的系数。运行惯性力的计算结果应按不大于主动车轮与钢轨间的粘着力取值。
 （2）回转和变幅运动的水平力
   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，由于受到变幅和回转起制动时产生的惯性力、回转运动时的离心力，以及受司机操作方法等多种因素的综合影响，会产生附加水平力。一般按悬吊物的钢丝绳对垂直线的偏摆角所引起的水平分力计算。
 （3）起重机偏斜运行时的水平侧向力
   桥式类型的起重机在大车运行过程中出现偏斜运行时，会产生垂直作用于车轮轮缘或水平导向轮上的水平侧向力。造成起重机偏斜运行的因素是很复杂的，难以从理论上作定量分析，通常是用试验和统计办法归纳的经验公式近似计算。
 （4）碰撞载荷
   在起重机或起重小车超过行程限制与轨道终端止挡器发生撞击，或当同一跨度轨道上有多台起重机时，两台起重机之间的相互碰撞会产生碰撞载荷。碰撞载荷根据能量原理，按假定碰撞动能和完全为缓冲器所吸收的动能计算。
     三、起重机安全可靠作业的计算
   保证起重机安全可靠作业的计算有两种类型：一类是寿命计算（包括疲劳、磨损和发热），这类计算要按等效原则确定计算载荷；另一类是强度计算（包括材料的塑性破坏、脆性断裂、弹性失稳以及起重机的稳定性），这类计算应按在使用期内可能出现的最大载荷作为计算载荷。这就需要针对不同的零部件和结构件，根据起重机工作的特点，考虑各种载荷实际出现的概率，把可能同时出现的载荷按最不利的情况进行组合，并依据一定的原则进行计算。
   1.载荷分类与载荷组合
   作用在起重机上的载荷分为三类，即基本载荷、附加载荷与特殊载荷。各类载荷组合是强度和稳定性计算的原始依据。
　　（1）基本载荷：始终或经常作用在起重机结构上的载荷，包括自重载荷、起升载荷、惯性水平载荷，以及考虑动载系数与相应载荷相乘的动载效应。对于抓斗、电磁吸盘起重机，还应考虑由于突然卸载的动态减载作用。只考虑基本载荷的组合为组合Ⅰ。
　　（2）附加载荷：起重机在正常工作状态下，结构所受到的非经常性作用的载荷。它包括起重机工作状态下的最大风载荷、起重机偏斜运行侧向力、根据实际情况而考虑的自然载荷，以及某些工艺载荷等。考虑基本载荷和附加载荷的组合为组合Ⅱ。
　　（3）特殊载荷：起重机处于非工作状态时，结构可能受到的最大载荷，或者在工作状态下结构偶然受到的不利载荷。考虑基本载荷和特殊载荷的组合，或三类载荷都考虑的组合为组合Ⅲ。
   2.计算原则
   为保证起重机安全、正常地工作，起重机的金属结构和机构的零部件应满足强度、稳定性和刚度的要求。强度和稳定性要求是指结构件在载荷作用下产生的内力不应超过许用的承载能力，刚度要求是指结构在载荷作用下产生的变形量不应超过许用的变形值，以及结构的自振周期不应超过许用的振动周期。计算的内容不同，对应的载荷组合类别也不同。
　（1）寿命（耐久性）计算载荷——第Ⅰ类载荷用来计算零部件或金属结构的耐久性、磨损或发热。按正常工作时的等效载荷进行计算。
　工作级别是A6、A7、A8级起重机，对于受变载荷作用的机构零件和金属结构应做疲劳强度验算。
　　（2）强度计算载荷--第Ⅱ类载荷用来计算零部件或金属结构的强度、受压和平面弯曲构件的稳定性、结构件的刚度、起重机的整体稳定性与轮压。按工作状态最大载荷进行强度计算。确定强度计算载荷时，应选取可能出现的最不利的载荷组合。
　　（3）验算载荷--第Ⅲ类载荷用来验算起重机的某些装置（如夹轨器）、变幅机构、支承旋转装置的某些零件和金属结构的强度和构件的稳定性，以及起重机的整体稳定性。按非工作状态最大载荷及特殊载荷（安装载荷、运输载荷及冲击载荷等）进行强度验算。
　在起重机事故处理时，由金属结构和机构的零部件破坏导致的事故，应进行必要的验算。验算时，按实际工况的发生载荷处理。
   3.安全系数
    起重机承载能力的计算方法有许用应力法和极限状态法两种。目前，许用应力法仍是主要采用的方法，许用应力是按材料的强度极限考虑一定的安全储备来获得。强度计算的基本条件是零构件危险截面的计算应力不得大于材料的许用应力，而材料的强度极限与许用应力之比的倍数就是安全系数。
　  安全系数的选择首先要确保安全、可靠，又要做到技术先进，经济合理。安全系数的取值既考虑材料的强度储备、重要度、计算方法精确程度，又要考虑材料的不均匀性和可能存在的缺陷以及实际尺寸的误差等因素。
　　特别应该强调指出，起重机零构件的重要度是安全系数取值的重要依据。当起重机某些部分损坏会引起严重的事故后果（例如引起物品坠落、臂架下落、起重机倾覆等情况发生）时，所涉及的此类零部件应有较高的安全系数；当起重机某些零部件在破坏以后仅使起重机停止工作，而不会导致严重后果的，则安全系数可以取低些。不同材料零构件的安全系数也有区别，一般锻件和轧制件可取较低值，铸件则应取较高值。对于运输融化金属或危险物品等的起重机的重要零部件，其安全系数比常规取值应加大。另外，工作级别不同，安全系数也不同。