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2.2.2 金属结构选型
起重机的金属结构是整台起重机的支持构架，决定了起重机械结构型式，它用来装置起重机的机械、电器设备、支持被起吊的重物，承受和传递作用在起重机上的各种载荷。起重机金属结构的基本受力构件分三类：轴心受力构件、受弯构件和压弯构件，这些基本构件根据其受力和外形尺寸又可分别设计成格构式、实腹式或混合式的结构型式。格构式构件是由许多型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构，用于受力相对较小、外形尺寸相对较大的场合；实腹式构件主要由钢板组成，适用于载荷大、外形尺寸小的场合；混合式构件部分为实腹结构，部分为杆系结构，其使用条件介于格构式构件和实腹式构件之间[3]。
金属结构的连接方法主要有：焊接连接、铆接连接和螺栓连接。焊接连接于其他连接方法比较，不仅省工、省料、易于机械化和自动化施工，而且能简化结构的构造，减轻结构自重，因而是金属结构中最主要，最普遍的连接方法；铆钉连接用料多，自重大，而且钉孔削弱了构件的截面，使构件在受拉时降低了承载能力，因此以逐步被焊接所代替；螺栓连接装配方便、迅速、质量可靠，因此主要用于结构安装连接，或用于需要经常拆卸的结构中。
1) 臂架系统
臂架是承受和传递吊重载荷的主要构件，要求其具有足够的强度、刚度和稳定性、并且兼顾起重机整机自重、稳定性及整机性能。根据不同的使用条件，臂架系统可以设计成单臂架和组合臂架两种形式。
单臂架系统按照变幅机构驱动形式的不同可以分为刚性传动变幅的单臂架和柔性拉索变幅的单臂架。前者采用高强度管子制成三角形或矩形截面的大杆桁架结构，或者由变截面箱形梁组成臂架；后者没有臂架平衡装置，变幅钢丝绳固定于臂架头部，依靠柔性拉索的收缩与放出实现臂架的俯仰。
本文所设计机型为单臂架结构起重机，采用由圆管焊接组合成的桁架式臂架，变幅为刚性传动变幅，即采用齿条变幅。
2) 人字架与回转平台
本文中人字架采用桁架式结构，上横梁位于两侧竖直立柱和斜立柱的交汇处，其上布有对重平衡梁支座，用于承受平衡梁和对重的压力，侧面有补偿滑轮组定滑轮，并受钢丝绳拉力作用。人字架中部由横梁构成的平台上安装有变幅机构，主要承受变幅机构重力和齿条力。人字架根部通过法兰与立柱连接，由立柱将上部载荷传递给转台。
转台通常由两根主梁和若干根横梁组成焊接系统，使其具有足够的强度，以便为人字架、臂架以及上部自重提供稳定的支承。
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3 )机器房
机器房内壁是由多种型钢组成的骨架。外壁由钢板拼接，机房内安装有活动吊耳若干个。机器房采用全封闭结构，顶盖设计有实现自通风的出风口。机房顶部另装有轴流抽风机，以备高温时增加空气排量。在机房内设有检修电源箱和灭火装置。
4) 司机室
门机的司机室布置在转台右侧（顺臂架方向）的司机室平台上，外壁为钢板焊接。水密性好，空间较大，外形美观、牢固，室内采光充分，视野良好，环境舒适宜人。司机室内安装司机座椅、联动操作台与仪表、空调机、对讲机等。
5) 圆筒门架
圆筒门架结构由圆筒体、门架主梁和端梁（牛腿）等组成，结构简图如图2.8所示。结构全部采用钢板焊接，主要材料为Q235-B。圆筒门架上部安装回转大轴承，下部与运行机构大均衡梁连接，在门架结构上面 设有防风拉索连接铰点、爬梯、维修平台、扶手、栏杆、电缆卷筒、警铃等装置。
6) 梯子栏杆平台
在门机需要维护保养、检查、打油的地方均设置有梯子平台、栏杆。臂架的梯子栏杆安装在臂架中间，可以直达臂架头部。到象鼻梁两端检修滑轮可以从大拉杆和臂架梯子前往。更换象鼻梁头部滑轮可以将臂架收到最小幅度，利用臂架中部的平台进行。立柱梯子栏杆可以直达导向滑轮和平衡梁铰点处。机器房梯子栏杆可以使工作人员直达机房、驾驶室和机房顶上各处。门架圆筒上为螺旋梯，可以引导工作人员直达圆筒顶部的圆形平台。
图2.8 圆筒门架结构简图
1-防风拉索连接铰点；2-连接支座；3-主梁；4-圆筒；5-接油盘；6-门；7-端梁
2.3 载荷的计算
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要保证起重机械安全可靠的工作，必须对起重机及其零部件进行必要的计算，这就要求首先确定作用在起重机上的外载荷。起重机的外载荷有：起升载荷、自重载荷、动载荷、风载荷、碰撞载荷、工艺载荷、安装和运输载荷等。在起重机设计计算中，对于变化复杂的实际载荷，只能用简化的理论计算并与试验和经验相结合的方法来确定，由此得到的载荷只是真实载荷的近似，称之为计算载荷。
起重机械具有短暂、重复、周期性循环及载荷变化等特点。为了使起重机安全可靠、技术经济指标更为合理，在起重机零部件的强度和疲劳、寿命计算，总体计算时，通常将计算载荷分为三类：工作情况下的正常载荷（Ⅰ类载荷）、工作情况下的最大载荷（Ⅱ类载荷） 、非工作情况下最大载荷（Ⅲ类载荷），通过不同的载荷组合来进行结构的计算或校核。
本节所作分析与计算均以依据GB/T3811-2008起重机设计规范依据。
2.3.1 自重载荷
自重载荷是门座起重机计算的主要载荷。它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、连续运输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，但规定的属于起重机起升载荷的质量重力除外。设计时，参考同类产品取自重为332t，则自重载荷：
PG?332?10000?3320000N (2-1)
2.3.2 起升载荷
起升载荷就是起升质量的重力，起升质量包括起重机允许起升的最大有效物品质量、取物装置（吊钩滑轮组、起重横梁、抓斗、容器或吸盘）质量、悬挂着的挠性件以及其他在升降中的设备的质量。起升高度小于50m的起升钢丝绳的质量可忽略不计。
本设计中，起重量为40t，吊钩总成重量1350kg，则起升载荷：
PQ??40?1.35??104?413500N (2-2)
2.3.3 动力载荷
动力载荷是指起重机各质量由于运动状态变化而产生的动态力。它是强度计算的重要依据，对疲劳计算也有影响。起重机不工作或吊重静止在空中时，其自重载荷和起升载荷处于静止状态。在起重机工作时，当运动状态改变，动载效应使原有静力载荷值增加，其
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增大的部分就是动载荷。动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运动部分对缓冲器的撞击产生的冲击载荷；惯性载荷和冲击载荷使金属结构和机构的弹性系统产生振动的振动载荷。动载荷与运动方向和工作速度（加速度）有关，与结构因素（如系统质量的分布，系统的刚度和阻尼等）有关，而且与使用条件（如外载荷的大小及其变化规律、有无冲击等）有关。为了计算方便，通常用动力系数（动载荷与静载荷的比值）表示。使用时，一般根据实际情况，查阅起重机设计规范及有关手册选用。
2.3.3.1起升机构产生的动载荷计算
1）货物骤然离地提升（或下降制动）时，起重机自重产生的振动载荷
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φ
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乘以起重机的自重载荷来考虑。为反映此
振动载荷的上下限，该系数取为两个值，?1?1??，取?=0.1.，即?1 =1.1或0.9。在本次计算中，取?1 =1.1。.
2）货物骤然离地或下降制动时产生的附加动载荷
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?2乘以额定起升载荷PQ来考虑。?2的计算式如下：
?2??2min??2Vq (2-3)
式中：?2——起升动载系数；
?2min——与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值； ?2——按起升状态级别设定的系数； Vq ——稳定起升速度。
由于起升机构控制型式的不同，物品离地起升时的操 作方法会有较大差异，因此将起重机起升状态级别按起升平稳程度划分为HC1—HC4四个级别，本文取HC3级别，即起升离地有中度冲击。在此工况下，?2 =0.51，?2min=1.15，则?2=1.3625。
3）突然卸载时的动力效应
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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，这将对起重机结构产生减载振动作用，减小后的起升动载荷用突然卸载冲击系数φ3乘以额定起升载荷来计算。?3的计算式如下：
???1??m?1??3? (2-4) m式中：?m——起升质量中突然卸去的那部分质量； m——起升质量；
?3——对于抓斗起重机或类似起重机?3=0.5
计算得?3=-0.5。
2.3.3.2运行机构产生的动载荷计算
1）运行机构工作时通过不平轨道时的冲击载荷
起重机带载或空载运行于具有一定弹性、接头处有间隙或高低错位的钢制轨道上时，发生的垂直冲击动力效应取决于起重机的构造型式（质量分布、起重机的弹性及起重机的悬挂或支撑方式）、运行速度和车轮直径及轨道接头的状况等，应根据经验、试验或选用适当的起重机和轨道模型进行估算，对于轨道接头状况一般，起重机通过接头时会发生垂直冲击效应，这时?4可以按下式计算：
?4?1.10?0.058vh (2-5) 式中：v——起重机或小车运行速度(m/s)； h——轨道不平的高低差(mm)。 取h?1.5mm
计算得?4=1.130。 2）运行惯性力
当运行机构起动或制动时，起重机自身质量和起升质量将产生水平方向的振动，产生水平方向动载荷。计算时，可先按刚体动力学的方法计算起重机系统在机构起、制动时的水平惯性力，水平惯性力的大小等于该质量m与加速度a的乘积。然后再将这些惯性力乘以考虑弹性振动影响的增大系数?5。起重机起动或制动时，起重机自身质量以及起升质量产生的水平惯性力为：
PH??5ma (2-6)
式中：m——运行部分的质量； a——起动（制动）加速度；
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