工程起重機計算載荷與計算方法?一、引言工程起重機在各種工程建設中發揮著重要作用，其安全可靠的運行對于保障工程順利進行至關重要。計算載荷與計算方法是工程起重機設計、分析和評估的關鍵環節，直接影響到起重機的性能、強度和穩定性。準確地確定計算載荷，并運用科學合理的計算方法進行相關力學分析，能夠確保起重機在不同工況下安全有效地工作，避免因計算不準確而導致的安全事故。本章將詳細闡述工程起重機計算載荷的確定原則、各種計算載荷的具體內容以及常用的計算方法。

二、計算載荷的確定原則（一）考慮實際工作情況工程起重機的實際工作情況復雜多樣，包括起升、變幅、回轉、行走等不同動作，以及不同的作業環境和工況要求。在確定計算載荷時，必須充分考慮這些實際因素，確保計算結果能夠真實反映起重機在實際工作中的受力狀態。例如，在起升作業時，要考慮起升速度、加速度、動載系數等因素對鋼絲繩拉力和起升機構受力的影響；在變幅作業時，要考慮變幅角度、變幅速度以及風載荷等因素對起重臂和整機穩定性的影響。

（二）滿足安全性要求計算載荷的確定要以確保起重機的安全性為首要目標。起重機在工作過程中可能會受到各種不利載荷的作用，如慣性力、風載荷、沖擊載荷等。計算載荷應充分考慮這些載荷的組合情況，使其具有足夠的安全裕度，保證起重機在各種工況下都能安全可靠地運行。一般來說，計算載荷要大于起重機在正常工作條件下所承受的實際載荷，以應對可能出現的意外情況。

（三）符合相關標準規范工程起重機的設計、制造和使用必須遵循國家和行業的相關標準規范。計算載荷的確定也不例外，應嚴格按照標準規范中的規定和要求進行。這些標準規范對起重機的各種載荷取值、計算方法以及安全系數等都做出了明確規定，是確保起重機設計和使用安全的重要依據。例如，GB/T38112008《起重機設計規范》就對工程起重機的載荷分類、計算載荷的確定方法以及許用應力等方面給出了詳細的指導。

三、計算載荷的分類及內容（一）自重載荷1.定義自重載荷是指起重機自身結構、部件以及固定在起重機上的設備等的重量。它包括金屬結構的重量、機構及零部件的重量、電氣設備及線路的重量、液壓系統及管道的重量等。自重載荷是起重機設計和計算的基礎載荷之一，對起重機的結構強度、剛度和穩定性有著重要影響。2.計算方法自重載荷的計算通常根據起重機各部件的設計圖紙和材料規格，通過計算各部件的體積，并乘以相應材料的密度來確定。對于一些形狀復雜的部件，可能需要采用數值計算方法或通過實際測量來確定其重量。在計算過程中，要注意考慮部件的連接方式、焊縫重量以及一些附屬設備的重量。例如，對于起重機的起重臂，可以根據其截面形狀和長度，將其劃分為若干個簡單的幾何形狀，分別計算其體積，然后相加得到總體積，再乘以鋼材的密度得到起重臂的重量。

（二）起升載荷1.定義起升載荷是指被起升重物的重量以及與起升過程相關的附加載荷。它包括重物的自重、吊具（如吊鉤、鋼絲繩、吊索等）的重量、起升過程中因慣性力、振動等引起的動載荷等。起升載荷是起重機起升機構設計和計算的關鍵載荷，直接影響到起升機構的選型和安全性能。2.計算方法重物重量：根據被起升重物的實際重量確定。吊具重量：吊具的重量可以根據其設計規格直接獲取或通過計算確定。例如，吊鉤的重量可以根據其材料和尺寸進行計算；鋼絲繩的重量可以根據其直徑、長度和單位長度重量來計算。動載荷：在起升過程中，由于重物的加速、減速以及起升機構的振動等原因，會產生動載荷。動載荷通常用動載系數來考慮，動載系數的取值與起升速度、加速度等因素有關。一般來說，起升速度越快、加速度越大，動載系數取值越大。在GB/T38112008中，給出了不同起升速度下動載系數的推薦值。例如，對于起升速度小于或等于0.5m/s的情況，動載系數可取1.05；對于起升速度大于0.5m/s的情況，動載系數可取1.1。起升載荷的計算公式為：\[P=(G+Q)\times\varphi\]其中，\(P\)為起升載荷，\(G\)為吊具重量，\(Q\)為重物重量，\(\varphi\)為動載系數。

（三）風載荷1.定義風載荷是指風吹在起重機結構上所產生的載荷。它對起重機的穩定性和結構強度有著重要影響，尤其是對于大型起重機和在露天作業的起重機。風載荷的大小與風速、風向、起重機的外形尺寸和結構形式等因素有關。2.計算方法風載荷的計算通常采用經驗公式或數值計算方法。在GB/T38112008中，給出了風載荷的計算公式：\[F_w=\alpha\timesq\timesA\]其中，\(F_w\)為風載荷，\(\alpha\)為風載體型系數，它與起重機的外形有關，不同形狀的起重機部件有不同的風載體型系數；\(q\)為基本風壓，其值與當地的氣象條件有關，可以通過氣象資料查詢得到；\(A\)為起重機在風向垂直平面上的投影面積。風載體型系數\(\alpha\)的取值需要根據起重機的具體結構進行確定。例如，對于起重臂，其風載體型系數可能在1.11.5之間；對于起重機的塔身，風載體型系數可能在0.81.2之間。

（四）慣性載荷1.定義慣性載荷是指起重機在啟動、制動、加速、減速以及回轉等過程中，由于運動部件的慣性作用而產生的載荷。慣性載荷會對起重機的結構和機構產生附加的作用力，影響其工作性能和安全性。2.計算方法慣性載荷的計算與起重機的運動狀態有關。例如，在起升機構啟動和制動時，慣性載荷主要由起升質量的慣性力產生，其計算公式為：\[F_i=ma\]其中，\(F_i\)為慣性力，\(m\)為起升質量（包括重物和吊具的質量），\(a\)為起升加速度。在回轉機構回轉時，慣性載荷則與回轉部件的質量、回轉半徑以及回轉角速度等因素有關。回轉慣性力的計算公式為：\[F_{ir}=m_{r}r\omega^2\]其中，\(F_{ir}\)為回轉慣性力，\(m_{r}\)為回轉部件的質量，\(r\)為回轉半徑，\(\omega\)為回轉角速度。在計算慣性載荷時，要準確確定起重機各運動部件的質量分布和運動參數，以保證計算結果的準確性。

（五）其他載荷1.定義除了上述幾種主要載荷外，工程起重機還可能受到其他一些載荷的作用，如冰雪載荷、溫度載荷、地震載荷等。這些載荷在特定的環境條件下會對起重機產生影響，在計算載荷時也需要考慮。2.計算方法冰雪載荷：冰雪載荷的大小與當地的冰雪厚度、積雪密度以及起重機的結構形式等因素有關。一般可以根據當地的氣象資料和相關規范，確定冰雪的等效厚度和等效密度，然后計算冰雪載荷。計算公式為：\[F_{ice}=\rho_{ice}ghA\]其中，\(F_{ice}\)為冰雪載荷，\(\rho_{ice}\)為冰雪的等效密度，\(g\)為重力加速度，\(h\)為冰雪的等效厚度，\(A\)為起重機受冰雪作用的面積。溫度載荷：溫度變化會引起起重機金屬結構的熱脹冷縮，從而產生溫度應力。溫度載荷的計算需要考慮起重機結構的材料熱膨脹系數、溫度變化范圍以及結構的約束條件等因素。一般可以通過有限元分析等方法來計算溫度應力。地震載荷：在地震多發地區，起重機需要考慮地震載荷的作用。地震載荷的計算較為復雜，通常需要根據當地的地震烈度、起重機的結構類型和高度等因素，按照相關的地震設計規范進行計算。地震載荷一般以地震作用系數的形式乘以起重機的自重載荷等基本載荷來確定。

四、計算方法（一）靜力學計算方法1.受力分析靜力學計算主要是對起重機在靜態載荷作用下的受力情況進行分析。通過對起重機各部件進行受力分析，確定其受到的各種外力，如自重載荷、起升載荷、風載荷等，并繪制受力圖。例如，對于起重機的起重臂，可以將其簡化為一端固定、一端自由的梁，分析其在自重、起升載荷和其他附加載荷作用下的彎矩、剪力和軸力分布情況。2.平衡方程求解根據受力分析得到的受力圖，利用靜力學平衡方程來求解未知力。對于平面力系，平衡方程包括\(\sumF_x=0\)、\(\sumF_y=0\)和\(\sumM=0\)，分別表示在\(x\)方向、\(y\)方向的合力為零以及對某一點的合力矩為零。通過聯立這些平衡方程，可以求解出起重機各部件在靜態載荷作用下的內力和反力，從而進行強度和穩定性計算。例如，在計算起重機支腿的受力時，可以根據整機的受力情況，利用平衡方程求出支腿所承受的垂直力和水平力，進而確定支腿的尺寸和強度。

（二）動力學計算方法1.運動方程建立動力學計算考慮起重機在動態過程中的運動情況。首先需要建立起重機的運動方程，描述其在各種載荷作用下的運動狀態。例如，對于起升機構的動力學分析，要考慮起升質量、起升速度、加速度等因素，建立起升過程的動力學方程，如牛頓第二定律方程\(Fmg=ma\)（其中\(F\)為起升力，\(m\)為起升質量，\(g\)為重力加速度，\(a\)為起升加速度）。對于回轉機構，要考慮回轉部件的慣性、回轉阻力矩等因素，建立回轉運動的動力學方程。2.動態響應分析通過求解運動方程，分析起重機在動態過程中的響應，如位移、速度、加速度等隨時間的變化情況。這對于評估起重機在啟動、制動、加速、減速等過程中的工作性能和安全性非常重要。例如，在分析起重機起升過程中的動態響應時，可以得到起升鋼絲繩的拉力隨時間的變化曲線，判斷其是否在安全范圍內；在分析回轉機構的動態響應時，可以了解回轉過程中的角速度和角加速度變化情況，評估回轉的平穩性和可靠性。動力學計算通常可以采用數值計算方法，如有限差分法、龍格庫塔法等，借助計算機軟件進行求解。

（三）有限元計算方法1.模型建立有限元計算方法是一種廣泛應用于工程領域的數值計算方法。在工程起重機計算中，利用有限元軟件建立起重機的三維模型，將其離散為有限個單元，如梁單元、板單元、實體單元等。在建模過程中，要準確地模擬起重機的實際結構，包括各部件的形狀、尺寸、連接方式等。例如，對于起重機的金屬結構，可以采用梁單元模擬起重臂、塔身等桿件，采用板單元模擬平臺、腹板等薄板結構，采用實體單元模擬一些復雜的節點和連接件。2.載荷施加與求解在建立好有限元模型后，施加各種計算載荷，如自重載荷、起升載荷、風載荷、慣性載荷等。然后利用有限元軟件求解模型，得到起重機各部位的應力、應變、位移等結果。通過對這些結果的分析，可以評估起重機的強度、剛度和穩定性。例如，根據有限元計算得到的應力分布云圖，可以直觀地了解起重機哪些部位應力較大，是否存在應力集中現象；根據位移結果，可以判斷起重機在載荷作用下的變形情況是否滿足要求。有限元計算方法能夠考慮起重機結構的復雜幾何形狀和邊界條件，提供較為準確的計算結果，在工程起重機設計和分析中得到了越來越廣泛的應用。

五、結論計算載荷與計算方法是工程起重機設計、分析和評估的核心內容。準確確定計算載荷，并運用科學合理的計算方法進行力學分析，對于保證起重機