橋式起重機載荷試驗與設計理論的分析與綜述

蔡海英

（龍巖技師學院 福建 龍巖 364000）

橋式起重機靜載荷試驗的目的是檢驗起重機及其部件的結構承載能力，動載荷試驗主要目的是驗證各機構和制動器的功能。在其設計階段就考慮到載荷試驗驗規范要求，結合靜載荷和動載荷試驗的具體要求，就其在金屬結構設計時所需考慮的問題進行全面分析，并對載荷試驗與機構部分設計的關系加以初步分析。

1 橋式起重機的載荷試驗過程與分析

橋式起重機試驗包括空載試驗、額定載荷試驗、靜載荷試驗、動載荷試驗[1]。試驗的順序為：空載試驗，額定載荷試驗，靜載荷試驗，最后動載荷試驗。按照試驗的工況，對起重機械的綜合質量要求越來越高，前一項試驗不合格，不能進行下一項試驗，需整改完畢，經復查合格后才能繼續后面的試驗[2]。

1.1 空載試驗

試驗前，檢測各個回路電阻，然后接通電源，開動各機構，使小車沿主梁全長，起重機沿軌道適當長度往返運行各不少于3次，應無任何卡阻現象，檢查限位開關、緩沖器工作是否正常，吊具左右極限位置是否符合要求。空運轉試驗時，分別開動各機構，做正、反方向運轉，累計時間不少于5min，并做好記錄。

1.2 額定載試驗

額定載荷試驗的目的是通過額定載荷試驗進一步測試起重機的相關功能指標。試驗過程為：主起升機構按1.0倍額定載荷加載，使起重機和小車運行機構、起升機構做聯合動作，只允許同時開動兩個機構。試驗過程中需分別檢測各機構的速度、制動距離和起重機的噪聲，保證設計功能的實現。

1.3 靜載試驗

起重機在做靜載荷試驗時，每個起升機構的靜載荷試驗必須分別進行，靜載荷試驗的試驗載荷為1.25倍額定載荷，驗證起重能力、電控系統正常控制。

1.4 動載荷試驗

動載荷試驗的目的主要是驗證起重機各機構和制動器的功能，起重機各機構的動載荷試驗應先分別進行，然后作聯合動作的試驗。

2 橋式起重機結構設計方法

我國《起重機設計規范》對金屬結構設計方法有如下描述：在起重機金屬結構設計中，通常采用許用應力設計法和極限狀態設計法兩種方法。

2.1 許用應力法

對許用應力法作如下定義：使外載荷作用在結構及連接接頭中使之產生的應力和變形，不大于結構及連接接頭的承載能力（強度和穩定性的抗力以及變形控制值）的設計方法[3]。

2.2 極限狀態法

繼許用應力設計法之后，一些學者提出極限狀態設計法。極限狀態設計法是基于概率與統計理論的一種新的結構可靠性設計方法，這種方法把載荷、構件實際尺寸以及材料性質等因素均看作基于某種概率分布的統計計算，并通過大量的實測、試驗、調查得到各個基本變量的分布概率及參數，再應用概率論相關理論知識，計算結構失效的概率，從而估計出起重機金屬結構的安全度[4]。

2.3 兩種方法的比較

1）極限狀態設計法比許用應力設計法的實際應力值和許用應力值都有所增大，至于增大數值的程度，需要根據不同的機型、具體的載荷及載荷組合確定。

2）極限狀態設計法更適用于結構外在載荷作用下產生較大變形的場合及內力與載荷組合成非線性關系的場合。

3 橋式起重機結構部分載荷分析

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、欄桿和集中驅動的傳動軸等重力，它們均按均布載荷Fq作用在跨度S的橋架上：

橋架上的固定設備載荷PGi根據起重機類型而不同，它包括運行機構電動機重力PGb、減速器重力PGj和司機室重力PGs等，并按其實際位置，以集中應力方式作用在橋架上。

圖3-1 小車輪壓計算圖

3.1.2 移動載荷

移動載荷包括額定起升載荷PG和小車重力PGx。移動載荷以小車輪壓的方式作用在主梁上。在本文驗算橋架結構強度和剛度時，小車重和吊重是已知條件，可直接計算。本文以四輪小車輪壓計算為例，計算簡圖如圖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作用點為E，小車的綜合質心F偏離通過O的縱軸的距離為 e，E點距AD邊的距離為l1，F點距AD邊的距離為l2，分別計算受力較大的一側梁（AB）的輪壓值。

小車重力PGx產生的靜壓Px1和Px2為：

額定起升載荷PQ產生的靜壓PO1和PO2為：

由PGX和PQ產生的靜輪壓值為：

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

3.1.3 沖擊載荷

橋式起重機運行至軌道接頭處，會產生沖擊力，引起結構振動，這個可以由運行沖擊系數Ф4來考慮。起重小車升降物品起、制動時，會使結構的自重載荷、起升載荷增大，自重載荷由起升沖擊系數Ф1、起升載荷由計算結構的動載系數Ф2或者突然卸載沖擊系數Ф3考慮。

根據工況不同，各系數應乘以不同的載荷，計算時對吊鉤起重小車輪壓為：

式中Ф1、Ф2也可能是Ф4。當小車輪距不大時，可取合力∑P=P1+P2來計算橋架。對剛性吊具小車，通常選取載荷系數Ф2、Ф3、Ф4計算。按照起重機設計規范載荷組合規定，也可將動力系數Фi先乘以相應載荷上，再分別計算出輪壓值。

3.2 水平載荷

水平載荷又包括大、小車起、制動慣性載荷，偏斜運行時的水平側向載荷、風載荷本文計算的橋式起重機均假設為室內使用，不計風載荷作用。

3.2.1 起、制動慣性載荷

大車或者小車運行.起、制動時，將使橋架、小車和起升質量產生水平慣性力，其各慣性力用以下總表達式計算，但不大于大車主動輪與鋼軌之間的滑動摩擦力，即水平慣性力PHi為：式中m——所計算慣性力物體的質量；a——運行加速度；

Ф5——考慮結構水平振動而使慣性力的增大的動載系數，一般Ф5=1.5；

no——大車主動輪數；n——大車車輪總數；

μ——滑動摩擦系數，正常軌道面，μ=0.14；軌道上撒砂時，μ=0.25。根據上式計算的慣性力為兩類：

2）大車起、制動慣性力。半橋架質量mG產生的水平慣性力，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量mGi產生的慣性力PHi，以水平集中力作用于梁的相應位置上。

小車和起升載荷的質量（mx+mq）產生的水平慣性力以水平移動集中力PH1，PH2作用于梁上，并與輪壓的作用位置相對應。當輪壓不大時，為簡化計算，常以合力PH=PH1+PH2作用于主梁上。

3.2.2 偏斜運行時的水平側向載荷

橋架偏斜運行時，會產生的水平側向載荷，偏斜運行時的水平側向載荷Ps，作用在一根端梁的相應的兩個車輪輪緣上。

3.3 扭轉載荷

由于垂直、水平載荷對主梁截面的偏心作用而產生扭轉載荷。

上述各種載荷對不同的橋架產生的作用也不同，應視具體情況區別對待。

4 載荷試驗與機構部分設計的關系

4.1 靜載荷試驗與機構部分設計的關系

起重機靜載荷試驗的目的是檢驗起重機及其部件的結構承載能力，其試驗要在使其結構處于最不利的狀態下進行，即主小車停靠在跨中位置，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主梁基準點處應無永久變形、且主梁實有上拱度符合檢測規范要求，即可終止試驗。如有永久變形，需從頭再做試驗，但總共不超過三次，不應再有永久變形。

靜載試驗同時考核起升機構中的吊鉤、鋼絲繩、卷筒、減速器等的承載能力，以及制動器的支持能力；金屬結構焊接質量與機械連接質量，以及電動機、制動器、卷筒軸承座及減速器等，靜載試驗后，要求零部件安裝不得松動。

4.2 動載荷試驗與機構部分設計的關系

動載試驗目的是驗證各機構和制動器功能。動載試驗過程為：首先起升機構按1.1倍額定載荷加載，對每種動作應在其行程范圍內作反復起動和制動。對懸掛著試驗載荷作空中起動時，試驗載荷不應出現反向動作。試驗時應按電動機接電持續率留有操作的間歇時間，按操作規程進行控制，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，按接電持續率及其工作循環，試驗時間至少應延續1小時[5]。

試驗過程中，動載荷試驗把試驗載荷擴大到額定載荷1.1倍，且運行工況和額定載荷下運行工況是完全相同，主要考核了起重機各機構在超載條件下的工作能力，這就要求我們在機構設計過程中必須得全面考慮動載試驗所帶來的所有影響因素，保證起重機具有超出10%額定載荷的工作能力，尤其要考慮電動機的發熱驗算問題。

5 結論

本文主要介紹了橋式起重機的載荷試驗過程及設計方法和理論，并根據試驗的具體要求，對橋架結構在載荷試驗條件下的強度和剛度進行理論分析；另一方面，還介紹了在機構設計過程中應考慮載荷試驗所帶來的影響因素。

［1］GBT14405-2011通用橋式起重機[S].北京：中國標準出版社，2011.

［2］張應力.起重司機安全操作技術[M].北京：冶金工業出版社，2002.

［3］徐格寧.機械裝備金屬結構設計.第2版[M].北京：機械工業出版社,2009.

［4］郭云志，王鑫.極限狀態設計法及應用[J].建筑機械，2005，（05）：2-4.

［5］王善樵，文豪.起重機安全保護技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009.