表1　主梁截面几何性质、静强度、静刚度计算值

主梁截面图

LD单梁起重机
图1(a)

门式起重机
图1(b)

实用新型《铰接单梁
桥式起重机》图1(c)

钢板厚度/mm

“∏”型钢板δ=6
斜腹板厚δ₁=5

δ=6
δ₁=6

δ=6

主梁截面积(mm²)
(包括I30异型工字
钢截面积8240mm²)

21880

21880

20536

截面尺寸/mm

H

1100

1086.28

1173.17

1100

h₀

509.563

554.908

562.014

523.298

h₁

590.437

531.372

611.156

576.702

h₂

—

—

511.110

483.643

截面惯性矩
(10⁸mm⁴)

I_x

30.63

33.01

32.62

28.203

I_y

4.745

5.142

4.475

4.039

截面抗弯模量
(10⁶mm³)

W_Ax

5.188

6.212

5.338

4.86

W_Dx

6.012

5.948

5.804

5.356

W_By

2.099

1.647

1.453

1.41

静强度计算
应力值/MPa
［σ_Ⅱ］=180MPa

σ_A⊥

-95.7

-79.95

-93.0

-102.2

σ_D⊥

82.6

83.49

85.1

92.73

σ_B⊥

-95.7

-79.95

-77.78

-85.70

σ_B－

±8.72

±11.12

±12.63

±12.99

σ_Bmax

-104.42

-91.07

-90.41

-98.69

静刚度(A6)

y_L

21.154

19.629

19.864

23.118

表2　疲劳强度和板的局部稳定性计算值

主梁截面图

LD单梁起重机
图1(a)

门式起重机
图1(b)

实用新型《铰接单梁
桥式起重机》图1(c)

疲劳强度(A6)
跨中截面K₁级
〔σ_-1〕=190MPa

σ_max

49.370(E′点)

38.353(C″点)

39.674(C点)

39.107(C点)

σ_min

11.227(E′点)

8.764(C″点)

9.116(C点)

8.986(C点)

r

0.2248

0.2285

0.2298

0.2298

〔σ_rt〕

309.45

309.44

309.40

309.40

翼
缘
板

a

mm

1000

1000

1000

1000

b

440

607

323.5

301.1

α

2.73

1.647

3.088

3.321

ψ

0.833

0.756

0.968

0.966

K_σ

4.345

4.526

4.026

4.067

σ_1cr

MPa

105.88

334.0

386.5

〔σ_cr〕

145.45

79.61^*

251.13

290.5

腹
板

a

mm

1000

1000

1000

1000

b

575

820

813

743

α

1.739

1.219

1.230

1.346

ψ

0.02614

-0.4211

-0.4388

-0.401

K_σ

7.459

12.05

12.31

11.76

σ_1cr

MPa

154.26

160.55

183.36

〔σ_cr〕

146.19

115.98

120.7

137.86

　　此处要说明两点。首先是假定3种截面积相等，它们的动态刚度——主梁的满载自振频率不进行比较。因为主梁在跨中换算集中质量与电动葫芦质量之和相等，而主梁跨中的刚度系数K_s相差很小，分别为K_sa=27.106kN/cm；K_sb=29.212kN/cm；K_sc=28.866kN/cm。其次，3种截面实腹梁的总体稳定性，当时，也可以不必验算整体稳定性，b_a=440mm，b_b=606mm，b_c=602mm，3种截面的整体稳定性也不作比较。
　　如果将图1(c)截面主梁高度取为图1(a)截面的高度H=1100mm，计算结果也表示在表1中，最大正应力仍比图1(a)截面小，此时主梁自重图1(c)截面将比图1(a)截面减轻6.14%。
　　以上专利推荐的图1(c)截面主梁，不仅省工，省料，工艺简单，成本低，而且结构更为合理。

2　主横梁铰接结构

　　LD单梁桥式起重机的主、横梁刚性连接见图2，其中一块钢板与横梁焊接在一起，带平面止口的钢板与主梁焊接在一起。主、横梁连接以平面止口定位，用6个或8个螺栓和螺母连接，它是典型的模块化设计。其优点是减小了生产占地，主、横梁可以单独生产，按合同组装。但是，主梁两端的平面止口相对扭转角为1°时，对车轮轴距为2m，2.5m和3m的3种横梁安装的车轮，当3个车轮踏面在一个平面上时，另一个车轮踏面将分别高出该平面34.9mm，43.63mm和52.36mm。出现3条腿现象不仅加快车轮轮缘磨损，而且会发生轮缘爬轨和车轮脱轨事故。当分别驱动的大车运行机构一旦发生主动车轮抬起、单边驱动时，驱动力与运行阻力总会构成力偶，产生侧压力及附加阻力，造成驱动电机负载过大，使运行速度减慢或运行不了。当然，造成平面止口相对误差不见得是因为扭转角为1°。造成3条腿的原因有：主梁轴线的扭转变形使两端面水平止口不在同一平面上；横梁车轮轴孔加工位置误差和横梁的焊接变形；车轮直径加工误差；轨道安装误差等。

图2　主、横梁连接图

　　实用新型专利《铰接单梁桥式起重机》的主、横梁连接，其一端仍保留图2的刚性连接，而另一端用图3的铰接结构。它是将带平面止口的钢板，先焊上一根圆轴，加工轴径和平面后再与主梁焊接。为了限制铰接横梁水平面的摆动，可控制轴孔配合和保持原连接板的宽度560mm和600mm。为了限制铰接横梁垂直平面的摆动，也可以保留水平止口，但是要使主梁水平止口平面高出横梁水平止口一个δ值，δ值就限制了横梁垂直面的摆动角度。铰接结构彻底地解决了3条腿现象。

图3　主、横梁铰接结构

　　作者设计的铰接轴是一根空心轴。孔的一端用钢板焊接封闭，轴端开槽用轴端定位板固定。轴的设计是按最大剪力校核剪切应力τ，承压面的挤压应力σ_cd应小于各自的许用应力。

3　水平轮设计

　　车轮轮缘与轨道的摩擦是一种无法避免的现象，一旦轮缘与轨道剧烈摩擦发生啃道现象时，便加快了轮缘的磨损和车轮的报废，也使轨道磨损严重。由于轮缘磨损报废的车轮比车轮踏面磨损报废的车轮多，为改变这一现象，用无轮缘车轮代替轮缘车轮，用水平轮导向运行，将轮缘与轨道的滑动摩擦改为水平轮的滚动摩擦，附加阻力系数由β=1.5降低到β=1.1，从而减小了运行阻力，提高了车轮寿命。
　　带轮缘的槽形车轮，为满足不同轨面宽度b的轨道，车轮施工图上给出了适合不同轨面宽度b的槽宽B的加工尺寸，一般间隙δ=B-b=30mm，用户订货时，必须在合同上注明轨道型号或轨面宽度b，使出厂的产品即安装的车轮符合用户轨道要求。
　　图4是大车轮与水平轮的简图。用水平轮导向运行，为适合不同轨面宽度b的要求，水平轮中心距L一定要求可调。作者是用水平轮安装在偏心轴上的方法获得水平轮中心距L的变化。偏心距e用下式计算：

式中：Bmax=bmax δ，为水平轮间最大宽度(mm)；Bmin=bmin δ，为水平轮间最小宽度(mm)。

图4　大车车轮和水平轮

　　作者设计的水平轮轴偏心距e=5mm，B=70～90mm。应用可调中心距水平轮，用户不必提供轨面宽度b，只要根据b按说明书上标明的水平轮偏心轴的偏心中心孔的位置安装，就可满足使用要求。这种方法也可以用在桥式起重机上，一旦b_max和b_min相差太大，可以分两段设计。
　　水平轮设计的计算载荷P_s和滚动轴承校核的计算载荷按《起重机设计规范》GB3811—83附录E计算。
　　水平轮安装在稍加改进的横梁盖板装置上，盖板装置原有的螺栓连接尺寸不变。
　　本专利3个独立的设计内容，可以供生产厂家任意选用其中一个或全部设计用在单梁桥式起重机上，这必将使整机的性能有所提高。