起重作業(yè)安全講座（8）--起重機的載荷

    一、起重機在作業(yè)過程中，承受載荷種類復(fù)雜、載荷作用方向不同，這不僅表現(xiàn)在運行過程中起重機要受到包括靜載荷、動載荷、交變載荷等各種載荷的作用，而且隨著起重機作業(yè)的工況改變，即使是同類載荷也表現(xiàn)出多變的特征。受到載荷作用的起重機械各承載零件和結(jié)構(gòu)件會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和變形，當應(yīng)力和變形超過一定的限度，就會使零、構(gòu)件喪失功能，甚至破壞，造成危險。
    起重機的載荷計算是起重機及其組成零、部、構(gòu)件受力分析的原始依據(jù)，也是報廢或事故原因判斷分析的重要依據(jù)。載荷狀態(tài)判斷得準確與否，將直接影響計算結(jié)果和事故結(jié)論的正確與否。因此，我們需要了解起重機上的載荷種類、各種載荷的作用方向以及在不同工況下的載荷作用方式。
　　1.重力載荷
   起重機的重力載荷包括自重載荷和起升載荷兩大部分。
   自重載荷包括起重機的金屬結(jié)構(gòu)、機械設(shè)備、電氣設(shè)備等（不包括起升載荷）的重力載荷。載荷的作用方式及簡化的力學(xué)模型可以分別考慮，一般情況下，起重機的機械設(shè)備和電氣設(shè)備可視為集中載荷作用在設(shè)備安裝的位置中心，桁(héng)

架的自重視為作用在結(jié)構(gòu)節(jié)點上的集中載荷，箱型結(jié)構(gòu)的自重作為均布載荷處理。自重載荷通常都比它的工作對象的重量大得多。
   起升載荷指所有起升質(zhì)量的重力，包括允許起升的最大有效物品、取物裝置（包括下滑輪組吊鉤、吊梁、抓斗、容器、起重電磁鐵等）、懸掛撓(náo)性件以及其他在升降中的設(shè)備的重力。當起升高度小于50米時，起升鋼絲繩的重量可以不計。
   當起重機處于非運動的靜止狀態(tài)，即起重機不工作，或吊載停止升降運動懸吊在空中的狀態(tài)，或起重機處于穩(wěn)定勻速運動狀態(tài)時，起重機的自重載荷和起升載荷可作為靜載荷處理。對于橋架類型的起重機，物料通過載重小車沿主梁水平運動時，小車自重及起升載荷則組成了移動載荷。
　　2.動力載荷
   動力載荷使起重機在運動狀態(tài)改變時產(chǎn)生動載效應(yīng)，動載效應(yīng)使原有靜力載荷值增加。
   動力載荷包括在變速運動中，結(jié)構(gòu)自重和起升載荷產(chǎn)生的慣性載荷；由于車輪經(jīng)過不平整軌道接頭，或起重機的運動部分撞擊緩沖器產(chǎn)生的沖擊載荷；在慣性載荷和沖擊載荷作用下，金屬結(jié)構(gòu)和工作機構(gòu)的彈性系統(tǒng)產(chǎn)生振動的振動載荷等。
   動力載荷與工作速度（加速度）有關(guān)，與運動方向有關(guān)，與結(jié)構(gòu)的形式和性質(zhì)（諸如系統(tǒng)的質(zhì)量分布、系統(tǒng)的剛度和阻尼等）有關(guān)，與起重機的使用條件和司機操作方法、操作技能的熟練程度等多種因素有關(guān)。
　　3.自然載荷
　自然載荷專指風、冰、雪、地震和溫度變化等自然因素所造成的載荷。在室外工作的起重機，風載荷對起重作業(yè)的影響應(yīng)該給予足夠的重視。其他自然載荷在需要考慮時，可按有關(guān)規(guī)范確定或由用戶提供有關(guān)資料進行計算。
　　4.其他載荷
   橋架式類型起重機在大車運行過程中出現(xiàn)偏斜時，產(chǎn)生垂直作用于車輪輪緣或水平導(dǎo)向輪上的水平側(cè)向力；軌道式起重機由于軌道安裝誤差或流動式起重機由于行駛道路的坡度引起的坡度載荷；考慮起重機在運輸、安裝過程中由于生產(chǎn)工藝的需要而產(chǎn)生的載荷，其形式和大小將由實際情況具體決定；起重機在投人使用前，或?qū)κ褂闷陂g的起重機做安全監(jiān)測時，進行的超載動態(tài)試驗及靜態(tài)試驗產(chǎn)生的試驗載荷等。
    二、動載荷
   動載荷產(chǎn)生在起重機的運動狀態(tài)改變時，動載效應(yīng)使起重機受地球引力作用的重力載荷（包括自重載荷和起升載荷）的靜載荷值增加。在進行起重機零、部、構(gòu)件的設(shè)計、安全檢驗、安全防護裝置的選擇和起重事故的分析計算時，必須考慮動載荷的作用方向。
   1. 垂直載荷
   為了計算方便，垂直方向的動載效應(yīng)通常用不同的動力系數(shù)φi表示，對于不同工況產(chǎn)生的動載荷是通過動力系數(shù)與相應(yīng)的靜載荷的乘積計算獲得。動力系數(shù)一般查閱起重機設(shè)計規(guī)范或有關(guān)手冊給定的范圍，根據(jù)實際工況來選用確定，常用的動力系數(shù)和適用工況介紹如下：
  （1）起升沖擊系數(shù)φ1
　　在起升質(zhì)量突然離地起升或下降制動時，起重機的自重載荷將產(chǎn)生沿其加速度相反方向的沖擊作用。φ1是考慮了這種工況下的自重沖擊系數(shù)，在進行載荷計算時，它僅與起重機自重載荷相乘。
  （2）起升載荷動載系數(shù)φ2
  在起升機構(gòu)工作時，起升質(zhì)量突然離地起升或下降制動的情況下，被吊物品重力載荷將產(chǎn)生動態(tài)增大效應(yīng)。φ2是考慮了這種工況下起升載荷的增大系數(shù)，在進行載荷計算時，它應(yīng)與起升載荷相乘。φ2值的大小與起升速度、系統(tǒng)剛度及操作情況有關(guān)，一般起升速度越大，系統(tǒng)剛度越大，操作越猛烈，φ2值也越大。
 （3）突然卸荷沖擊系數(shù)φ3
  當抓斗起重機和電磁吸盤起重機在卸貨時，或當?shù)蹉^、鋼絲繩意外斷裂吊載墜落的起重事故發(fā)生時，會導(dǎo)致起升質(zhì)量部分或全部突然卸載，這將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)減載作用。φ3是考慮了這種工況下的卸荷沖擊系數(shù)。在進行金屬結(jié)構(gòu)和起重機抗傾覆的穩(wěn)定性計算時，應(yīng)考慮這種動態(tài)減載作用的影響。
 （4）運行沖擊系數(shù)φ4
   當起重機或起重小車通過不平道路或軌道接縫時，沿著垂直方向會產(chǎn)生運行沖擊載荷，φ4是考慮這種效應(yīng)的運行沖擊系數(shù)。運行沖擊系數(shù)與起重機或小車的運行速度、軌道或道路狀況有關(guān)。
   2.水平載荷
   水平載荷包括運行、回轉(zhuǎn)和變幅機構(gòu)在驅(qū)動力或制動力的變速作用下，起重機自身質(zhì)量和起升質(zhì)量產(chǎn)生慣性載荷，這個載荷僅涉及由剛體動力學(xué)求得的慣性力，沒有考慮彈性振動因素。水平載荷還包括軌道起重機沿軌道運行偏斜時產(chǎn)生水平側(cè)向載荷和運行超行程的碰撞載荷等。由于各種水平載荷發(fā)生的機理不同，計算方法也各不相同。
　（1）運行水平慣性力
   運行機構(gòu)變速時的慣性力，按產(chǎn)生水平運行慣性力的相應(yīng)的質(zhì)量與加速度乘積的1.5倍計算，1.5是考慮驅(qū)動力對起重機金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力效應(yīng)的系數(shù)。運行慣性力的計算結(jié)果應(yīng)按不大于主動車輪與鋼軌間的粘著力取值。
 （2）回轉(zhuǎn)和變幅運動的水平力
   臂架式起重機回轉(zhuǎn)和變幅機構(gòu)運動時，起升質(zhì)量產(chǎn)生的水平力，由于受到變幅和回轉(zhuǎn)起制動時產(chǎn)生的慣性力、回轉(zhuǎn)運動時的離心力，以及受司機操作方法等多種因素的綜合影響，會產(chǎn)生附加水平力。一般按懸吊物的鋼絲繩對垂直線的偏擺角所引起的水平分力計算。
 （3）起重機偏斜運行時的水平側(cè)向力
   橋式類型的起重機在大車運行過程中出現(xiàn)偏斜運行時，會產(chǎn)生垂直作用于車輪輪緣或水平導(dǎo)向輪上的水平側(cè)向力。造成起重機偏斜運行的因素是很復(fù)雜的，難以從理論上作定量分析，通常是用試驗和統(tǒng)計辦法歸納的經(jīng)驗公式近似計算。
 （4）碰撞載荷
   在起重機或起重小車超過行程限制與軌道終端止擋器發(fā)生撞擊，或當同一跨度軌道上有多臺起重機時，兩臺起重機之間的相互碰撞會產(chǎn)生碰撞載荷。碰撞載荷根據(jù)能量原理，按假定碰撞動能和完全為緩沖器所吸收的動能計算。
     三、起重機安全可靠作業(yè)的計算
   保證起重機安全可靠作業(yè)的計算有兩種類型：一類是壽命計算（包括疲勞、磨損和發(fā)熱），這類計算要按等效原則確定計算載荷；另一類是強度計算（包括材料的塑性破壞、脆性斷裂、彈性失穩(wěn)以及起重機的穩(wěn)定性），這類計算應(yīng)按在使用期內(nèi)可能出現(xiàn)的最大載荷作為計算載荷。這就需要針對不同的零部件和結(jié)構(gòu)件，根據(jù)起重機工作的特點，考慮各種載荷實際出現(xiàn)的概率，把可能同時出現(xiàn)的載荷按最不利的情況進行組合，并依據(jù)一定的原則進行計算。
   1.載荷分類與載荷組合
   作用在起重機上的載荷分為三類，即基本載荷、附加載荷與特殊載荷。各類載荷組合是強度和穩(wěn)定性計算的原始依據(jù)。
　�。�1）基本載荷：始終或經(jīng)常作用在起重機結(jié)構(gòu)上的載荷，包括自重載荷、起升載荷、慣性水平載荷，以及考慮動載系數(shù)與相應(yīng)載荷相乘的動載效應(yīng)。對于抓斗、電磁吸盤起重機，還應(yīng)考慮由于突然卸載的動態(tài)減載作用。只考慮基本載荷的組合為組合Ⅰ。
　�。�2）附加載荷：起重機在正常工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)所受到的非經(jīng)常性作用的載荷。它包括起重機工作狀態(tài)下的最大風載荷、起重機偏斜運行側(cè)向力、根據(jù)實際情況而考慮的自然載荷，以及某些工藝載荷等�？紤]基本載荷和附加載荷的組合為組合Ⅱ。
　　（3）特殊載荷：起重機處于非工作狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)可能受到的最大載荷，或者在工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)偶然受到的不利載荷。考慮基本載荷和特殊載荷的組合，或三類載荷都考慮的組合為組合Ⅲ。
   2.計算原則
   為保證起重機安全、正常地工作，起重機的金屬結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的零部件應(yīng)滿足強度、穩(wěn)定性和剛度的要求。強度和穩(wěn)定性要求是指結(jié)構(gòu)件在載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)力不應(yīng)超過許用的承載能力，剛度要求是指結(jié)構(gòu)在載荷作用下產(chǎn)生的變形量不應(yīng)超過許用的變形值，以及結(jié)構(gòu)的自振周期不應(yīng)超過許用的振動周期。計算的內(nèi)容不同，對應(yīng)的載荷組合類別也不同。
�。�1）壽命（耐久性）計算載荷——第Ⅰ類載荷用來計算零部件或金屬結(jié)構(gòu)的耐久性、磨損或發(fā)熱。按正常工作時的等效載荷進行計算。
　工作級別是A6、A7、A8級起重機，對于受變載荷作用的機構(gòu)零件和金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)做疲勞強度驗算。
　�。�2）強度計算載荷--第Ⅱ類載荷用來計算零部件或金屬結(jié)構(gòu)的強度、受壓和平面彎曲構(gòu)件的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)件的剛度、起重機的整體穩(wěn)定性與輪壓。按工作狀態(tài)最大載荷進行強度計算。確定強度計算載荷時，應(yīng)選取可能出現(xiàn)的最不利的載荷組合。
　�。�3）驗算載荷--第Ⅲ類載荷用來驗算起重機的某些裝置（如夾軌器）、變幅機構(gòu)、支承旋轉(zhuǎn)裝置的某些零件和金屬結(jié)構(gòu)的強度和構(gòu)件的穩(wěn)定性，以及起重機的整體穩(wěn)定性。按非工作狀態(tài)最大載荷及特殊載荷（安裝載荷、運輸載荷及沖擊載荷等）進行強度驗算。
　在起重機事故處理時，由金屬結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的零部件破壞導(dǎo)致的事故，應(yīng)進行必要的驗算。驗算時，按實際工況的發(fā)生載荷處理。
   3.安全系數(shù)
    起重機承載能力的計算方法有許用應(yīng)力法和極限狀態(tài)法兩種。目前，許用應(yīng)力法仍是主要采用的方法，許用應(yīng)力是按材料的強度極限考慮一定的安全儲備來獲得。強度計算的基本條件是零構(gòu)件危險截面的計算應(yīng)力不得大于材料的許用應(yīng)力，而材料的強度極限與許用應(yīng)力之比的倍數(shù)就是安全系數(shù)。
　  安全系數(shù)的選擇首先要確保安全、可靠，又要做到技術(shù)先進，經(jīng)濟合理。安全系數(shù)的取值既考慮材料的強度儲備、重要度、計算方法精確程度，又要考慮材料的不均勻性和可能存在的缺陷以及實際尺寸的誤差等因素。
　　特別應(yīng)該強調(diào)指出，起重機零構(gòu)件的重要度是安全系數(shù)取值的重要依據(jù)。當起重機某些部分損壞會引起嚴重的事故后果（例如引起物品墜落、臂架下落、起重機傾覆等情況發(fā)生）時，所涉及的此類零部件應(yīng)有較高的安全系數(shù)；當起重機某些零部件在破壞以后僅使起重機停止工作，而不會導(dǎo)致嚴重后果的，則安全系數(shù)可以取低些。不同材料零構(gòu)件的安全系數(shù)也有區(qū)別，一般鍛件和軋制件可取較低值，鑄件則應(yīng)取較高值。對于運輸融化金屬或危險物品等的起重機的重要零部件，其安全系數(shù)比常規(guī)取值應(yīng)加大。另外，工作級別不同，安全系數(shù)也不同。