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101322检验师讲稿
起重机械第一部分讲课内容(王福绵)
一、起重机主要参数及选型
(一)工作级别及其划分
1、工作级别划分的意义
各种不同类型起重机的使用工况和使用条件差异很大,划分起重机及其组成部分的工作级别是为了合理地选用、设计和制造起重机械:
a.使起重机械的制造商和使用者,对不同用途起重机械的工作状态达成共识,双方同意以认同的工作级别作为合同和技术方面的基础;
b.在此基础上设计出符合使用要求,有合适的生产率,有足够的安全寿命的起重机,并且从设计方面为起重机通用化、系列化和标准化的提高创造先决条件。
c.使起重机械的制造商能按所划分的各个工作级别科学合理地组织起重机及其组成部分的生产标准化、系列化和通用化工作,以达到提高产品质量,获得经济效益的目的。
起重机通过起升和移动所吊运的物品完成搬运作业,为适应起重机不同的使用情况和工作要求,在设计和选用起重机及其零部件时,应对起重机及其组成部分划分工作级别,包括:
——起重机整机的分级;
——机构的分级;
——结构件或机械零件的分级。
2、起重机整机的分级
(1)起重机的使用等级
起重机的设计预期寿命,是指设计预设的该起重机从开始使用起到最终报废时止能完成的总工作循环数。
起重机的一个工作循环是指从起吊一个物品起,到能开始起吊下一个物品时止,包括起重机运行及正常的停歇在内的一个完整的过程(当起升负荷时,金属结构件中由起升负荷产生的应力从零增加到最大值,当负荷卸除后,应力值从最大值下降到零,这个循环称为主循环)。
起重机的使用等级是将起重机可能完成的总工作循环数划分成的10个级别,用U0…U9表示,见表1。
表1起重机的使用等级
使用等级
总工作循环数CT
起重机使用频繁程度
U0
CT≤1.60×104
很少使用
U1
1.60×104 U2 3.20×104 U3 6.30×104 U4 1.25×105 不频繁使用 U5 2.50×105 中等频繁使用 U6 5.00×105 较频繁使用 U7 1.00×106 频繁使用 U8 2.00×106 特别频繁使用 U9 4.00×106 (2)起重机的起升载荷状态级别 起重机的起升载荷,指起重机实际的起吊作业中每一次吊运的物品质量(有效起重量)和吊具质量总和的重力;起重机的额定起升载荷,是指起重机起吊额定起重量时能吊运的物品质量(最大的有效起重量)和吊具质量总和的重力。 起重机的起升载荷状态级别是指在该起重机的设计预期寿命期限内,它的各个有代表性的起升载荷值的大小及各相对应的起吊次数,与起重机的额定起升载荷值的大小及总的起吊次数的比值情况。 在表2中,列出了起重机载荷谱系数KP的四个范围值,它们各代表了起重机一个相对应的载荷状态级别。 表2起重机的载荷状态级别及载荷谱系数 载荷状态级别 载荷谱系数KP 说明 Q1 KP≤0.125 很少吊运额定载荷,经常吊运较轻载荷 Q2 0.125KP≤0.250 较少吊运额定载荷,经常吊运中等载荷 Q3 0.250KP≤0.500 有时吊运额定载荷,较多吊运较重载荷 Q4 0.500KP≤1.000 经常吊运额定载荷 如果已知起重机各个起升载荷值的大小及相应的起吊次数的资料,则可用式 (1)算出该起重机的载荷谱系数: ………………………… (1) ——指数,为了便于级别的划分,约定取 =3。 展开后,式 (1)变为: … (2) 由式 (2)算得起重机载荷谱系数的值后,即可按表2确定该起重机相应的载荷状态级别。 如果不能获得起重机设计预期寿命期内起吊的各个有代 表性的起升载荷值的大小及相应的起吊次数的资料,因而无法通过上述计算得到它的载荷谱系数及确定它的载荷状态级别,则可以由制造商和用户协商选出适合于该起重机的载荷状态级别及确定相应的载荷谱系数。 (3)起重机整机的工作级别 根据起重机的10个使用等级和4个载荷状态级别,起重机整机的工作级别划分为A1~A8共8个级别,见表3。 表3起重机整机的工作级别 载荷状态 载荷谱系数KP 起重机的使用等级 U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9 Q1 KP≤0.125 A1 A1 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Q2 0.125KP≤0.250 A1 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 Q3 0.250KP≤0.500 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 A8 Q4 0.500KP≤1.000 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A8 A8 A8 3、机构的分级 (1)机构的使用等级 机构的设计预期寿命,是指设计预设的该机构从开始使用起到预期更换或最终报废为止的总运转时间,它只是该机构实际运转小时数累计之和,而不包括工作中此机构的停歇时间。 机构的使用等级是将该机构的总运转时间分成的10个等级,以T0…T9表示,见表4。 (2)机构的载荷状态级别 表明机构所受载荷的轻重情况。 表5列出了机构载荷谱系数Km四个范围值,代表机构一个相对应的载荷状态级别。 表4机构的使用等级 使用等级 总使用时间tT( ) 机构运转频繁情况 T0 tT≤200 很少使用 T1 200<tT≤400 T2 400<tT≤800 T3 800<tT≤1600 T4 1600<tT≤3200 不频繁使用 T5 3200<tT≤6300 中等频繁使用 T6 6300<tT≤12500 较频繁使用 T7 12500<tT≤25000 频繁使用 T8 25000<tT≤50000 T9 50000<tT 表5机构的载荷状态级别及载荷谱系数 载荷状态级别 载荷谱系数Km 说明 L1 Km≤0.125 机构很少承受最大载荷,一般承受轻小载荷 L2 0.125Km≤0.250 机构较少承受最大载荷,一般承受中等载荷 L3 0.250Km≤0.500 机构有时承受最大载荷,一般承受较大载荷 L4 0.500Km≤1.000 机构经常承受最大载荷 机构的载荷谱系数Km可用计算得到。 (3)机构的工作级别 机构工作级别的划分,是将各单个机构分别作为一个整体进行的关于其载荷轻重程度及运转频繁情况总的评价,它并不表示该机构中所有的零部件都有与此相同的受载及运转情况。 根据机构的10个使用等级和4个载荷状态级别,机构单独作为一个整体进行分级为M1~M8,见表6。 表6机构的工作级别 载荷状态 载荷谱系数Km 机构的使用等级 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 L1 Km0.125 M1 M1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 L2 0.125Km0.25 M1 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M8 L3 0.250Km0.50 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M8 M8 L4 0.500Km1.00 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M8 M8 M8 4、结构件或机械零件的工作级别 根据结构件或机械零件的使用等级及应力状态级别,结构件或机械零件工作级别划分为E1~E8共8个级别,见表7。 表7结构件或机械零件的工作级别 应力 状态 级别 使用等级 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 P1 E1 E1 E1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 P2 E1 E1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E8 P3 E1 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E8 E8 P4 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E8 E8 E8 5、起重机、机构、结构件和机械零件工作级别的关系 1)在结构件、机械零件与整机的工作级别的对应上有所变化,例如,整机: A2对应于U2、Q2,结构件: E2对应于B3、P2,机械零件: E2对应于B3、P2。 这就意味着结构件和机械零件在相同应力状态下的使用等级高于整机使用等级一个级别。 2)按照应力循环基数划分结构件的使用等级高于按照整机工作循环基数划分的整机使用等级一个级别是有道理的: 因为a)起重机的许多结构件,在工作中受到的应力循环总数往往要比起重机整机的应力循环次数高,如桁架起重机的竖腹杆、塔式起重机塔身结构的主肢在起重机的一个工作循环中产生的应力循环通常是整机的几倍;b)在起重机的使用过程中,金属结构件,特别是主要受力构件通常是不可更换的,一般要求做到与起重机整机同步报废或停止工作。 因此提高结构件的使用等级是必要的,也是合理的。 3)而起重机的机械传动系统中的机械零件如起升机构减速机的传动轴或齿轮,虽然在工作中受到的应力循环总数往往要比起重机整机的应力循环次数高得多,但是由于其可更换性和可维修性,适当降低其使用等级的级别是经济的,也是科学的。 思考题1: 起重机整机和结构件的工作级别各分为哪几级,都是根据哪些因素划分的? 为什么同一级别(如A4,E4)的结构件使用等级要比整机高一级? 都分为8个级别,分别是A1~A8和E1~E8。 是根据使用等级和载荷(应力)状态级别二个方面的因素划分的。 因为: (1)起重机的许多结构件,工作中受到的应力循环总数往往要比起重机整机的应力循环次数高,如桁架起重机的竖腹杆、塔式起重机塔身结构的主肢在起重机的一个工作循环中产生的应力循环通常是整机的几倍; (2)在起重机的使用过程中,金属结构件,特别是主要受力构件通常是不可更换的,一般要求做到与起重机整机同步报废或停止工作。 因此提高结构件的使用等级是必要的,也是合理的。 (二)载荷与载荷组合 1、常规载荷 常规载荷是指在起重机正常工作时经常发生的载荷。 在防屈服、防弹性失稳及在防疲劳失效等验算中,应考虑这类载荷。 1.1自重载荷PG及自重振动载荷φ1PG ①自重载荷PG: 是指起重机本身的结构、机械设备、电气设备以及在起重机工作时始终积结在它的某个部件上的物料(如附设在起重机上的漏斗料仓、连续输送机及在它上面的物料)等质量的重力。 对某些起重机的使用情况,自重载荷还要包括结壳物料质量的重力,例如粘结在起重机及其零部件上的煤或类似的其他粉末质量的重力。 ②自重振动载荷φ1PG: 当物品起升离地时,或将悬吊在空中的部分物品突然卸除时,或悬吊在空中的物品下降制动时,起重机本身(主要是其金属结构)的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力响应。 此自重振动载荷用起升冲击系数 乘以起重机的自重载荷来考虑,为反映此振动载荷范围的上下限,该系数取为两个值: =1± ,0≤ ≤0.1。 1.2起升载荷PQ及起升动载荷φ2PQ ①起升载荷是指起重机实际的起吊作业中每一次吊运的物品质量(有效起重量)和吊具质量总和的重力。 ②当物品无约束地起升离开地面时,物品的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用。 此起升动力效应用一个大于1的起升动载系数 乘以起升载荷PQ来考虑。 a.起升状态级别 根据起重机不同的操作平稳程度和动力特性,引入起升状态级别概念。 的值与起升状态级别及起升驱动系统的控制情况有关。 将起升状态划分为HC1~HC4四个级别: 起升离地平稳的为HC1,起升离地有轻微冲击的为HC2,起升离地有中度冲击的为HC3,起升离地有较大冲击的为HC4。 表8 和 值 起升状态级别 HC1 HC2 HC3 HC4 0.17 0.34 0.51 0.68 1.05 1.10 1.15 1.20 b.起升动载系数 都不是只有一个固定的数值,与起升状态级别HC有关,由HC确定一个系数 和一个最小值 ;还与稳定起升速度 有关。 可以按式(3)计算: ……(3) 表9确定 用的稳定起升速度 值 载荷组合 起升驱动型式及操作方法 H1 H2 H3 H4 H5 无风工作A1 有风工作B1 vqmax vqmin vqmin 0.5vqmax vq=0 特殊工作C1 — vqmax — vqmax 0.5vqmax H1——起升驱动装置只能作常速运转,不能低速运转; H2——起重机司机可选用起升驱动装置作稳定低速运转; H3——起升驱动装置的控制系统能保证物品起升离地前作稳定低速运转; H4——起重机司机可以操作实现无级变速控制; H5——在起升绳预紧后,不依赖于起重机司机的操作,起升驱动装置就能按预置设定的要求进行加速控制; vqmax——稳定的最高起升速度; vqmin——稳定低速起升速度。 1.3突然卸载时的动力效应φ3(PG+PQ) 有的起重机正常工作时会在空中从总起升质量m中突然卸除部分起升质量Δm(例如使用抓斗或电磁盘进行空中卸载),这将对起重机结构产生减载振动作用。 减小后的起升载荷用突然卸载冲击系数 乘以总起升载荷来计算。 空中突然卸载冲击系数 值由式(4)给出: ……………(4) 抓斗或类似的慢速卸载装置的起重机, =0.5; 电磁盘或类似的快速卸载装置的起重机, =1.0。 1.4运行冲击载荷φ4(PG+PQ) 起重机在不平的道路或轨道上运行时所发生的垂直冲击动力效应,即运行冲击载荷,用运行冲击系数 乘以起重机的自重载荷与起升载荷之和来考虑。 ①在道路上或道路外运行的起重机 取决于起重机的构造型式(质量分布)、起重机的弹性和/或悬挂方式、运行速度、以及运行路面的种类和状况。 此冲击效应一般可采用以下数据计算: 轮胎和汽车起重机: ——当运行速度vy≤0.4m/s时, =1.1;(履带1.0) ——当运行速度vy>0.4m/s时, =1.3。 (履带1.1) ②在轨道上运行的起重机 a.对于轨道接头状态良好,如轨道用焊接连接、并对接头打磨光滑的高速运行起重机,取 =1。 b.对于轨道接头状况一般的起重机, ………………(5) ——轨道接头处两轨面的高度差(mm)。 1.5驱动机构(包括起升驱动机构)加速引起的载荷 起重机变速运动引起的惯性载荷,如由驱动机构加速或减速、起重机意外停机或传动机构突然失效等原因在起重机中引起的载荷,一般是将起升质量视为固定在臂架端部,或直接悬置在小车的下方。 其弹性效应用动载荷系数 考虑。 表10 的取值范围 序 工况 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 传动系统有明显间隙,加速力呈突然非连贯性变化 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 3.0 1.6水平惯性力 ①起重机或小车在水平面内进行纵向或横向运动起(制)动时的水平惯性力 起重机或小车在水平面内进行纵向或横向运动起(制)动时,起重机或小车自身质量和起升质量的水平惯性力,按该质量与运行加速度乘积的 倍计算,用来考虑起重机驱动力突变时结构的动力效应。 ②起重机的回转离心力和回转与变幅运动起(制)动时的水平惯性力 起重机回转运动时各部(构)件的离心力,用这些部(构)件的质量大小、其质量中心处的回转半径和回转速度来计算,计算离心力时 取为1。 通常,这些离心力对结构起减载作用,可忽略不计。 1.7位移和变形引起的载荷 在所有工况,都应考虑由位移和变形引起的载荷(如果有)。 如由预应力产生的结构件变形和位移引起的载荷、由结构本身或安全限制器准许的极限范围内的偏斜,以及起重机补偿控制系统初始响应产生的位移引起的载荷等。 还要考虑由其他因素导致的起重机发生在规定极限范围内的位移或变形引起的载荷,例如由于轨道的间距变化引起的载荷,或由于轨道及起重机支承结构发生不均匀沉陷引起的载荷等。 2、偶然载荷 偶然载荷是指在起重机正常工作时不经常发生而只是偶然出现的载荷,包括由工作状态的风、雪、冰、温度变化及偏斜运行引起的载荷。 在防疲劳失效的计算中通常不考虑这些载荷。 2.1偏斜运行时的水平侧向载荷PS 起重机偏斜运行时的水平侧向载荷是指装有车轮的起重机或小车在作稳定状态的纵向运行或横向移动时,发生在它的导向装置(例如导向滚轮或车轮的轮缘)上由于导向的反作用引起的一种偶然出现的载荷。 2.2坡道载荷 起重机的坡道载荷是指位于斜坡(道、轨)上的起重机自 重载荷及其总起升载荷沿斜坡(道、轨)面的分力。 2.3风载荷 对露天工作的起重机,风载荷是一种自然载荷。 根据各地的气候和地理条件不同,把全国划分成内陆地区、沿海地区和台湾省及南海诸岛三类地区,规定了不同的计算风压。 2.4雪和冰载荷 对于某些地区,应当考虑雪和冰载荷。 也应考虑由于冰、雪积结引起受风面积的增大。 2.5温度变化引起的载荷 一般情况不考虑温度载荷;但在某些地区,如果起重机在安装时与使用时温度差异很大,或者跨度较大的超静定结构(如跨度达30m以上的双刚性支腿的起重机),应当考虑因温度变化引起结构件膨胀或收缩受到约束所产生的载荷。 3、特殊载荷 特殊载荷是指起重机非正常工作或不工作时的特殊情况下发生的载荷,包括起重机试验、受非工作状态风、缓冲器碰撞及起重机倾翻、意外停机、传动机构失效或地震等引起的载荷。 3.1非工作状态风载荷 是起重机在不工作时能承受的最大风力作用。 将此风载荷与起重机相应的自重载荷进行组合,用于验算非工作状态下起重机零部件及金属结构的强度、起重机整机抗倾覆稳定性,并进行起重机的抗风防滑装置、锚定装置等的设计计算。 对臂架长度不大于30m且臂架不工作时能方便放倒在地上的流动式起重机、带伸缩臂架的低位回转起重机和依靠自身机构在非工作时能够将塔身方便缩回的塔式起重机,只需按其低位置进行非工作状态风载荷验算。 在这些起重机的使用说明书中都要写明,在不工作时要求将臂架和塔身固定好,以使其能抗御暴风的袭击。 3.2试验载荷 起重机试验载荷,主要是保证起重机的可靠性。 起重机投入使用前,应进行静载试验和动载试验。 试验场地应坚实、平整,试验时风速不应大于8.3m/s。 ①静载试验载荷 试验时起重机静止不动,静载试验载荷作用于起重机最不利位置,且应平稳无冲击地加载。 静载试验载荷取为1.25 ,其中 定义为: 对于流动式起重机, 是有效起重量和吊具质量的重力之和; 对于其他起重机, 为额定起重量的重力。 此额定起重量不包括起重机工作状态下属于其固有部分的任何吊具的质量。 提高试验载荷值,可以提高起重机的可靠性,与此同时起重机重量增加,造价提高。 降低试验载荷值,则将使起重机使用时故障增多,使运行附加费用增多。 Pst=1.25是最佳值,为最经济、最合理的试验载荷系数。 对大起重量的或有特殊要求(订货合同)的起重机,试验载荷可以另行确定。 ②动载试验载荷 试验时起重机需完成各种运动和组合运动,动载试验载荷应作用于起重机最不利位置,以额定速度试验。 除订货合同有更高的要求以外,动载试验载荷取为1.1 。 验算时取值应用1.1 再乘以起升动载系数 。 =0.5(1+ )……………(6) 比额定载荷增加10%,主要是考虑载荷估计误差,风载,路面坡度,惯性力等因素。 由于在起重机试验时操作认真小心,因而6值比计算起重机正常工作载荷所取的起升载荷动载系数2值小些。 如静载和动载试验载荷的数值高于上述规定,应按实际试验载荷值验算起重机的承载能力。 3.3碰撞载荷 起重机的碰撞载荷是指同一运行轨道上两相邻起重机之间碰撞或起重机与轨道端部缓冲止挡件碰撞时产生的载荷,起重机应设置减速缓冲装置以减小碰撞载荷。 ①作用在缓冲器的连接部件上或止挡件上的缓冲碰撞力 对于桥式、门式、臂架起重机,以额定运行速度计算缓冲器的连接与固定部件上和止挡件上的缓冲碰撞力。 ②作用在起重机结构上的缓冲碰撞力 当水平运行速度vy≤0.7m/s,不必考虑此缓冲碰撞力; 当水平运行速度vy>0.7m/s时,应考虑以下情况的缓冲碰撞力: a.对装有终点行程限位开关及控制系统能可靠起到减速作用的起重机,按减速后的实际碰撞速度(但不小于50%v额)计算各运动部分的动能和金属结构上的缓冲碰撞力; b.对未装可靠的自动减速限位开关的起重机,碰撞时的计算速度: 大车(起重机)取85%v额,小车取v额; c.计算缓冲碰撞力时,对于物品被刚性吊挂或装有刚性导架以限制悬挂的物品水平移动的起重机,要将物品质量的动能考虑在内;对于悬挂的物品能自由摆动的起重机,则不考虑物品质量动能的影响;要考虑小车处在最不利位置,但不考虑起升冲击系数 、起升动载系数 和运行冲击系数 。 ③缓冲器碰撞弹性效应系数 用 与缓冲碰撞力相乘来考虑碰撞弹性效应。 的取值与缓冲器特性有关: 对于具有线性特性的缓冲器(如弹簧缓冲器), 为1.25;对于具有矩形特性的缓冲器(如液压缓冲器), 为1.6;对其他特性的缓冲器(如橡胶、聚氨酯缓冲器等), 要通过试验或计算确定。 3.4意外停机引起的载荷 应考虑意外停机瞬间的最不利驱动状态(即意外停机时的突然制动力或加速力与最不利的载荷组合),动载系数 。 3.5机构(或部件)失效引起的载荷 机构或部件突然失效时的载荷都按出现了最不利的状况而采取紧急制动时的载荷来考虑。 当为了安全原因采用两套(双联)机构时,若任一机构的任何部位出现失效,就应认为该机构发生了失效。 3.6起重机基础受到外部激励引起的载荷 起重机基础受到外部激励引起的载荷是指由于地震或其他震波迫使起重机基础发生振动而对起重机引起的载荷。 只有在构成重大危险时(如对核电站起重机等)才考虑。 3.7安装、拆卸和运输引起的载荷 应该考虑在安装、拆卸过程中的每一个阶段发生的作用在起重机上的各项载荷,其中包括由8.3m/s的风速或规定的更大风速引起的风载荷。 对于一个构件或部件,在各种情况下都应进行在这项重要载荷作用下的承载能力验算。 某些情况下,还需考虑运输过程中对结构产生的载荷。 4.其他载荷 其他载荷是指在某些特定情况下发生的载荷,包括工艺性载荷,作用在起重机的平台或通道上的载荷等。 不能用载荷所属的类别来判断它是否是重要的或关键的载荷,因为有相当多的事故仍发生在这些情况下,所以对它亦应予以特别注意。 4.1工艺性载荷 是指起重机在工作过程中为完成某些生产工艺要求或从事某些杂项工作时产生的载荷,由起重机用户或买方提出。 一般将它作为偶然载荷或特殊载荷来考虑。 如锻造起重机受
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