1、第一章 起重机械基本知识第一章 起重机械基本知识第一节 起重机的基本类型第一单元 起重机的基本类型起重机是用来进行物料搬运作业的机械设备。起重机械通过工作机构的组合运动，把物料提升，在空间一定范围内移动，然后按要求将物料安放到指定位置，空载回到原处，准备再次作业，从而完成一次物料搬运的工作循环。起重机械的搬运作业是周期性的间歇作业。广泛用于输送、装卸和仓储等作业场所。人类的生产活动和生活离不开对物质的需求，必然要进行大量的物料搬运，起重机械就是用来进行物料搬运作业的机械设备。在现代生产中，起重机械不仅在物料运输领域起着重要作用，广泛用于输送、装卸、建筑工程和仓储等作业，而且直接参与生产工艺过程
2、，例如，大型构件的锻造和热处理等工艺。起重机械的使用大大提高了劳动效率，同时减轻了劳动者的劳动强度。近些年来，起重机械的功能又延伸、发展到各类游艺机中，那些与起重机工作原理相似的可升降、旋转的大型载人游艺机，以其运动多变、惊险刺激的特点成为吸引游客的亮点，丰富了人们的娱乐生活，提高了人们的生活质量。使用任何机械都伴随着安全风险，以快速、高效和大吨位为发展目标的起重机械必然也面临越来越大的安全风险。根据不完全统计，在事故多发的作业中，起重事故的起数多、后果严重、经济损失大，一直是安全监控的重点特种设备。起重机械的高风险是由它的特殊运动形式和作业特点来决定。起重机械的作业特点是周期性的间歇作业，其
3、工作原理是这样的：承载物料的取物装置借助庞大金属结构的支撑，通过多个工作机构的单独运动或组合运动把物料提升，并在空间一定范围内运移，然后按需要将物料安放到指定位置，空载回到原处，准备再次作业，从而完成一个物料搬运的工作循环。整个工作循环需要地面指挥人员、司索工和起重机司机等三方面人员的紧密配合协调完成。从职业安全和健康角度来看，起重作业概括起来有如下特点：1物料的高势能起重搬运的载荷质量大，一般都上吨重，有的高达几百吨。起重搬运过程是将重物悬吊在空中的运动过程。由于载荷质量大、位置高，因而具有很高的势能。一旦发生意外，高势能就会迅速转化为高动能。2运动的多维性与其他固定式机械不同的是，起重机在
4、作业过程中需要整体移动，并且起重搬运过程是借助多个机构的组合运动来实现。每个机构都存在大量结构复杂、形状不一、运动各异、速度多变的可动零部件，再加上吊载的三维空间的运移，这样形成了起重机械的危险源点多且分散的特点。3作业的范围大起重机庞大的金属结构横跨车间或作业场地，高居其他设备、设施和施工人群之上，起重机起吊物料，可实现带载情况下，起重机部分或整体在较大范围内移动运行，在作业区域增大的同时，也使危险的影响范围加大。4作业的群体性起重作业的过程是通过地面司索工捆绑吊物、挂钩、卸货，起重司机操纵起重机将物料吊起，按地面指挥要求，通过空间运行，将吊物放到指定位置的一系列环节组成。每一次吊运循环，都
5、必须是多人合作完成，无论哪个环节出问题，都可能发生意外。5作业条件的复杂性在室内的起重机，地面设备多，人员集中；在室外的起重机，会受气象条件和场地限制；在夜间作业，会受作业范围内的采光条件影响。另外，物料的种类繁多，包括成件、散料、液体、固液混合等物料，形态各异。此外，流动式起重机还涉及地形和周围环境等众多因素的影响。总之，起重搬运这种特殊的作业形式和起重机械特殊的结构和运动形式本身就存在着诸多危险因素，安全问题尤其突出。随着人们安全意识的增强，对工作条件的安全期望越来越高，起重机械的安全将更加受到重视。 起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，动作间歇性和作业循环性是起重机工
6、作特点。起重机是具有多种类型多样品种的机械。目前在中国对起重机的分类，大多习惯按主要用途和构造特征进行分类，如按主要用途分，有通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、港口起重机、铁路起重机和造船起重机等等。按构造特征分，有桥式起重机和臂架式起重机；旋转式起重机和非旋转式起重机；固定式起重机和运行式起重机。运行式起重机又分为轨行式(在固定的轨道上运行)和无轨式(无规定轨道，由轮胎或履带支承运行)。起重机按主要用途和构造特征可分为如表11所示的类型。 表11 起重机基本分类 第二单元 起重机常见类型起重机是指除了起升机构以外还有其他运动机构的起重设备。根据水平运动形式的不同，分为桥架类型起重机和臂架类
7、型起重机两大类别。此外，还有桥架与臂架类型综合的起重机，例如，在装卸桥上装有可旋转臂架的起重机，在冶金桥式起重机上装有可旋转小车等。（1） 桥架类型起重机其特点是以桥形结构作为主要承载构件，取物装置悬挂在可以沿主梁运行的起重小车上。桥架类型起重机通过起升机构的升降运动、小车运行机构和大车运行机构的水平运动，这三个工作机构的组合运动，在矩形三维空间内完成物料搬运作业。这类起重机应用于车间、仓库、露天堆场等处。桥架类型起重机根据结构型式不同还可以分为桥式起重机、门式起重机和缆索起重机。 桥式起重机。其使用广泛的有单主梁或双主梁桥式起重机，它的主梁和两个端梁组成桥架，整个起重机直接运行在建筑物高架结
8、构的轨道上（见图11）。最简单的是梁式起重机，采用电动葫芦在工字钢梁或其他简单梁上运行。 图11 桥式起重机门式起重机，又被称为带腿的桥式起重机。其主梁通过支撑在地面轨道上的两个刚性支腿或刚性柔性支腿，形成一个可横跨铁路轨道或货场的门架，外伸到支腿外侧的主梁悬臂部分可扩大作业面积（见图12）。图12 门式起重机门式起重机有时制造成单支腿的半门式起重机。装卸桥是专门用于装卸作业的门式起重机（见图13），供货站、港口等部门进行散粒物料的堆取，其特点是小车运行速度大、跨度大（一般为6090m以上），生产率高（可达5001000t/h或更高）。图13 装卸桥 集装箱门式起重机是80年代发展起来的机种，
9、是专门用来进行集装箱的堆垛和装卸作业的门式起重机，如卸船上集装箱的门式起重机（见图1-4)。图14 卸船机 绳索起重机。它适用于跨度大、地形复杂的货场、水库或工地作业（见图15）。由于跨度大，固定在两个塔架顶部的缆索取代了桥形主梁。悬挂在起重小车上的取物装置被牵引索高速牵引，沿承载索往返运行，两塔架分别在相距较远的两岸轨道上，可以低速运行。图15 缆索起重机（2）臂架类型起重机。其结构都有一个悬伸、可旋转的臂架作为主要受力构件，除了起升机构外，通常还有旋转机构和变辐机构，通过起升机构、变辐机构、旋转机构和运行机构等四大机构的组合运动，可以实现在圆形或长圆形空间的装卸作业。臂架式起重机可装设在车
10、辆或其他运输工具上，构成了常见的各种运行臂架式起重机，例如，门座起重机、塔式起重机、铁路起重机、流动式起重机。 流动式起重机。它包括汽车起重机（见图16）、轮胎起重机（见图17）、履带起重机（见图18），采用充气轮胎或履带作运行装置，可以在无轨路面长距离移动。最常见的汽车起重机安装在汽车底盘上，其优点是机动性好，可与汽车一起编队运行。图16 汽车起重机图17 轮胎起重机 图18 履带起重机塔式起重机。其结构特点是悬架长（服务范围大）、塔身高（增加升降高度）、设计精巧，可以快速安装、拆卸。轨道临时铺设在工地上，以适应经常搬迁的需要（见图19）。图19 塔式起重机 门座式起重机。它是回转臂架安装在
11、门形座架上的起重机，沿地面轨道运行的门座架下可通过铁路车辆或其他车辆，多用于港口装卸作业，或造船厂进行船体与设备装配（见图110）。图110 门座式起重机第二节 起重机的基本参数起重机的技术参数是表征起重机的作业能力，是设计起重机的基本依据，也是所有从事起重作业人员必须掌握的基本知识。起重机的基本技术参数主要有：起重量、起升高度、跨度(属于桥式类型起重机)、幅度(属于臂架式起重机)、机构工作速度、生产率和工作级别等。其中臂架式起重机的主要技术参数中还包括起重力矩等，对于轮胎、汽车、履带、铁路起重机其爬坡度和最小转弯(曲率)半径也是主要技术参数。随着起重机技术的发展，工作级别已成为起重机一项重要
12、的技术参数。一、关于起重机械参数国家标准GB 6974286起重机械名词术语起重机械参数中介绍了中国目前已生产制造与使用的各种类型起重机械的主要技术参数(标准的术语名称)、定义及示意图，现摘录一部分如表12所示。表11 起重机械的技术参数与定义编号名词术语定义(或说明)示意图1 质量和载荷参数11起重量G被起升重物的质量111有效起重量Gp起重机能吊起的重物或物料的净质量。对于幅度可变的起重机，根据幅度规定有效起重量112额定起重量Gn起重机允许吊起的重物或物料，连同可分吊具(或属具)质量的总和(对于流动式起重机，包括固定在起重机上的吊具)。起重机标牌上标定的起重量，通常都是指起重机的额定起重
13、量，应醒目表示在起重机结构的明显位置上。对于幅度可变的起重机，根据幅度规定起重机的额定起重量。113总起重量Gt起重机能吊起的重物或物料，连同可分吊具上的吊具或属具(包括吊钩、滑轮组、起重钢丝绳，以及在臂架或起重小车以下的其它吊物)的质量总和。对于幅度可变的起重机，根据幅度规定总起重量114最大起重量Gmax起重机正常工作条件下，允许吊起的最大额定起重量12起重力矩M幅度L和相应起吊物品重力Q的乘积13起重倾覆力矩MA起吊物品重力Q和从载荷中心线至倾覆线距离A的乘积14起重机总质量Go包括压重、平衡重、燃料、油液、润滑剂和水等在内的起重机各部分质量的总和15轮压P一个车轮传递到轨道或地面上的最
14、大垂直载荷(按工况不同，分为工作轮压和非工作轮压)2 起重机尺寸参数21幅度L起重机置于水平场地时，空载吊具垂直中心线至回转中心线之间的水平距离(非回转浮式起重机为空载吊具垂直中心线至船艏护木的水平距离)211最大幅度Lmax起重机工作时，臂架倾角最小或小车在臂架最外极限位置时的幅度212最小幅度Lmin臂架倾角最大或小车在臂架最内极限位置时的幅度22悬臂有效伸缩距l离悬臂最近的起重机轨道中心线到位于悬臂端部吊具中心线之间的距离23起升高度H 起重机水平停车面至吊具允许最高位置的垂直距离。 对吊钩和货叉，算至它们的支承表面，即吊钩钩环中心； 对其它吊具，算至它们的最低点(闭合状态)。 对桥式起
15、重机，应是空载置于水平场地上方，从地面开始测定其起升高度。24下降深度h 吊具最低工作位置与起重机水平支承面之间的垂直距离。 对吊钩和货叉，从其支承面算起， 对其它吊具，从其最低点算起(闭合状态)。 桥式起重机从地平面起算下降深度。应是空载置于水平场地上方，测定其下降深度。25起升范围D吊具最高和最低工作位置之间的垂直距离(D=H+h)26起重臂长度Lb起重臂根部销轴至顶端定滑轮轴线(小车变幅塔式起重机为至臂端形位线)在起重臂纵向中心线方向的投影距离27起重机倾角在起升平面内，起重臂纵向中心线与水平线的夹角3 运动速度31起升(下降)速度Vn稳定运动状态下，额定载荷的垂直位移速度32微速下降速
16、度Vm稳定运动状态下，安装或堆垛最大额定载荷时的最小下降速度33回转速度稳定状态下，起重机转动部分的回转角速度。规定为在水平场地上，离地10m高度处，风速小于3ms时，起重机幅度最大，且带额定载荷时的转速34起重机(大车)运行速度Vk稳定运动状态下，起重机运行的速度。规定为在水平路面(或水平轨面)上，离地10m高度处，风速小于3ms时的起重机带额定载荷时的运行速度35小车运行速度Vt稳定运动状态下，小车运行的速度。规定为离地面10m高度处，风速小于3ms时，带领定载荷的小车在水平轨道上运行的速度36变幅速度Vr 稳定运动状态下，额定载荷在变幅平面内水平位移的平均速度。 规定为离地10m高度处，
17、风速小于3ms时，起重机在水平路面上，幅度从最大值至最小值的平均速度4 与起重机运行线路有关的参数41跨度S桥架型起重机支承中心线之间的水平距离。桥式类型起重机的小车运行轨道中心线之间的距离称为小车的轨距。地面有轨运行的臂架式起重机的运行轨道中心线之间的距离称为该起重机的轨距。第三节起重机的基本结构组成第一单元 起重机的基本结构组成起重机械由驱动装置、工作机构、取物装置、操纵控制系统和金属结构组成（见图111）。通过对控制系统的操纵，驱动装置将动力能量输入，转变为机械能（即适宜的力或运动速度），再传递给取物装置。取物装置将被搬运物料与起重机联系起来，通过工作机构单独或组合运动，完成物料搬运任务
18、。可移动的金属结构将各组成部分连接成一个整体，并承载起重机的自重和吊重。图111 起重机的组成第二单元 驱动装置 驱动装置是用来驱动工作机构的动力设备的。常见的驱动装置有电力驱动、内燃机驱动和人力驱动等。电能是清洁、经济的能源，电力驱动是现代起重机的主要驱动型式，几乎所有的在有限范围内运行的有轨起重机、升降机、电梯等都采用电力驱动。对于可以远距离移动的流动式起重机（如汽车起重机、轮胎起重机和履带起重机）多采用内燃机驱动。人力驱动适用于一些轻小起重设备，也用作某些设备的辅助、备用驱动和意外（或事故状态）的临时动力。 驱动装置分为人力、机械和液压驱动装置。手动起重机是依靠人力直接驱动；机械驱动装置
19、是电动机或内燃机；液压驱动装置是液压泵和液压油缸或液压马达。制动装置是制动器，各种不同类型的起重机根据各自的特点与需要，将采用各种块式、盘式、带式、内张蹄式和锥式等制动器。传动装置是减速器，各种不同类型的起重机根据各自的特点与需要，将采用各种不同形式的齿轮、蜗轮和行星等形式的减速器。 第三单元 工作机构 工作机构包括：起升机构、运行机构、变幅机构和旋转机构，被称为起重机的四大机构。 （1）起升机构，是用来实现物料的垂直升降的机构，是任何起重机不可缺少的部分，因而是起重机最主要、最基本的机构。 （2）运行机构，是通过起重机或起重小车运行来实现水平搬运物料的机构，有无轨运行和有轨运行之分，按其驱动
20、方式不同分为自行式和牵引式两种。 （3）变幅机构，是臂架起重机特有的工作机构。变幅机构通过改变臂架的长度和仰角来改变作业幅度。 （4）旋转机构，是使臂架绕着起重机的垂直轴线作回转运动，在环形空间运移动物料。 起重机通过某一机构的单独运动或多机构的组合运动，来达到搬运物料的目的。第四单元 取物装置 取物装置是通过吊、抓、吸、夹、托或其他方式，将物料与起重机联系起来进行物料吊运的装置。根据被吊物料不同的种类、形态、体积大小，采用不同种类的取物装置。例如，成件的物品常用吊钩、吊环；散料（如粮食、矿石等）常用抓斗、料斗；液体物料使用盛筒、料罐等。也有针对特殊物料的特种吊具，如吊运长形物料的起重横梁，吊
21、运导磁性物料的起重电磁吸盘，专门为冶金等部门使用的旋转吊钩，还有螺旋卸料和斗轮卸料等取物装置，以及集装箱专用吊具等。合适的取物装置可以减轻作业人员的劳动强度，大大提高工作效率。防止吊物坠落，保证作业人员的安全和吊物不受损伤是对取物装置安全的基本要求。 第五单元 金属结构 金属结构是以金属材料轧制的型钢（如角钢、槽钢、工字钢、钢管等）和钢板作为基本构件，通过焊接、铆接、螺栓连接等方法，按一定的组成规则连接，承受起重机的自重和载荷的钢结构。金属结构的重量约占整机重量的40 70左右，重型起重机可达90；其成本约占整机成本的30以上。金属结构按其构造可分为实腹式（由钢板制成，也称箱型结构）和格构式（
22、一般用型钢制成，常见的有根架和格构柱）两类，组成起重机金属结构的基本受力构件。这些基本受力构件有柱（轴心受力构件）、梁（受弯构件）和臂架（压弯构件），各种构件的不同组合形成功能各异的起重机。受力复杂、自重大、耗材多和整体可移动性是起重机金属结构的工作特点。 起重机的金属结构是起重机的重要组成部分，它是整台起重机的骨架，将起重机的机械、电气设备连接组合成一个有机的整体，承受和传递作用在起重机上的各种载荷井形成一定的作业空间，以便使起吊的重物顺利搬运到指定地点。金属结构的垮塌破坏会给起重机带来极其严重甚至灾难性的后果。 由金属材料轧制的型钢和钢板作为基本构件，采用铆接、焊接等方法，按照一定的结构组
23、成规则连接起来，能够承受载荷的结构物称为金属结构。这些金属结构可以根据需要制作梁、柱、桁架等基本受力组件，再把这些金属受力组件通过焊接或螺栓连接起来，构成起重机用的桥架、门架、塔架等承载结构，这种结构又称为起重机钢结构。起重机钢结构作为起重机的主要组成部分之一，其作用主要是支承各种载荷，因此本身必须具有足够的强度、刚度和稳定性。作为起重作业人员不必苛求掌握起重机钢结构的强度、刚度和稳定性如何设计，如何进行试验检测验证，重要的是起重机司机能善于观察、善于发现起重机钢结构与强度、刚度和稳定性有关的隐患与故障，以利及时采取补救措施。例如起重机钢结构局部或整体的受力构件出现了塑性变形(永久变形)，有了
24、塑性变形即为出现了强度问题，有可能是因超载或疲劳等原因造成的；起重机钢结构的主要受力构件，如主梁等发生了过大的弹性变形，引起了剧烈的振动，这将涉及刚性问题，有可能是超载或冲击振动等原因造成的；带有悬臂的起重机钢结构，由于吊载移到悬臂端发生超载或是吊载幅度过大，将会发生起重机倾翻，这属于起重机的整体稳定性问题。这些都是与起重机钢结构结构形式、强度、刚度及稳定性密切相关的基本知识。塔式起重机的钢结构塔式起重机的钢结构是指塔式起重机的塔架而言，图112示出了塔式起重机的典型产品自升塔式起重机的钢结构。自升塔式起重机的钢结构塔架是由塔身1、臂架2，平衡臂3、爬升套架4、附着装置5及底架6等构件组成，其
25、中塔身、臂架和底座是主要受力构件，臂架和平衡臂与塔身之间是通过销轴相连接，塔身与底架之间是通过螺杆相连接固定。图112自升塔式起重机属于上回转式中的自升附着型结构型式。图112 自升塔式起重机的钢结构塔身是截面为正方形的桁架式结构，由角钢组焊而成。臂架为受弯臂架，断面多为矩形桁架式结构，由角钢或圆管组焊而成。门座起重机的钢结构图113示出的是刚性拉杆式组合臂架式门座起重机的钢结构，是由交叉式门架1、转柱2、桁架式人字架3与刚性拉杆组合臂架4等构件组成。其中门架、人字架和臂架是主要受力构件。各构件之间是采用销轴连接或螺栓连接固定。图113 刚性拉杆式组合臂架式门座起重机的钢结构第六单元 起重机的
26、电气控制系统 通过电气、液压系统控制操纵起重机各机构及整机的运动，进行各种起重作业。控制操纵系统包括各种操纵器、显示器及相关元件和线路，是人机对话的接口。安全人机学的要求在这里得到集中体现。该系统的状态直接关系到起重作业的质量、效率和安全。 起重机与其他一般机器的显著区别是庞大、可移动的金属结构和多机构的组合工作。间歇式的循环作业、起重载荷的不均匀性、各机构运动循环的不一致性、机构负载的不等时性、多人参与的配合作业等特点，又增加了起重机的作业复杂性、安全隐患多、危险范围大。事故易发点多、事故后果严重，因而起重机的安全格外重要。起重机钢结构负责载荷支承；起重机机构负责动作运转；起重机机构动作的起
27、动、运转、换向和停止等均由电气或液压控制系统来完成，为了起重机运转动作能平稳、准确、安全可靠是离不开电气有效的传动、控制与保护。1起重机电气传动起重机对电气传动的要求有：调速、平稳或快速起制动、纠偏、保持同步、机构间的动作协调、吊重止摆等。其中调速常作为重要要求。一般起重机的调速性能是较差的，当需要准确停车时，司机只能采取“点车”的操纵方法，如果“点车”次数很多，不但增加了司机的劳动强度，而且由于电器接电次数和电动机起动次数增加，而使电器、电动机工作年限大为缩短，事故增多，维修量增大。有的起重机对准确停车要求较高，必须实行调速才能满足停准要求。有的起重机要采用程序控制、数控、遥控等，这些技术的
28、应用，往往必须在实现了调速要求后，才有可能。由于起重机调速绝大多数需在运行过程中进行，而且变化次数较多，故机械变速一般不太合适，大多数需采用电气调速。电气调速分为二大类：直流调速和交流调速。直流调速有以下三种方案：固定电压供电的直流串激电动机，改变外串电阻和接法的直流调速；可控电压供电的直流发电机电动机的直流调速；可控电压供电的晶闸管供电直流电动机系统的直流调速。直流调速具有过载能力大、调速比大、起制动性能好、适合频繁的起制动、事故率低等优点。缺点是系统结构复杂、价格昂贵、需要直流电源等。交流调速分为三大类：变频、变极、变转差率。调频调速技术目前已大量地应用到起重机的无级调速作业当中，电子变压
29、变频调速系统的主体变频器已有系列产品供货。变极调速目前主要应用在葫芦式起重机的鼠笼型双绕组变极电动机上，采用改变电机极对数来实现调速。变转差率调速方式较多，如改变绕线异步电动机外串电阻法、转子晶闸管脉冲调速法等。除了上述调速以外还有双电机调速、液力推动器调速、动力制动调速、转子脉冲调速、蜗流制动器调速、定子调压调速等等。2起重机的自动控制可编程序控制器程序控制装置一般由电子数字控制系统组成，其程序自动控制功能主要由可编程序控制器来实现。自动定位装置起重机的自动定位一般是根据被控对象的使用环境、精度要求来确定装置的结构形式。自动定位装置通常使用各种检测元件与继电接触器或可编程序控制器，相互配合达
30、到自动定位的目的。大车运行机构的纠偏和电气同步纠偏分为人为纠偏和自动纠偏。人为纠偏是当偏斜超过一定值后，偏斜信号发生器发出信号，司机断开超前支腿侧的电机，接通滞后支腿侧的电机进行调整。自动纠偏是当偏斜超过一定值时，纠偏指令发生器发出指令，系统进行自动纠偏。电气同步是在交流传动中，常采用带有均衡电机的电轴系统，实现电气同步。地面操纵、有线与无线遥控地面操纵多为葫芦式起重机采用，其关键部件是手动按钮开关，即通常所称的手电门。有线遥控是通过专用的电缆或动力线作为载波体，对信号用调制解调传输方式，达到只用少通道即可实现控制的方法。无线遥控是利用当代电子技术，将信息以电波或光波为通道形式传输达到控制的目的。起重电磁铁及其控制起重电磁铁的电路，主要是提供电磁铁的直流电源及完成控制(吸料、放料)要求。其工作方式分为：定电压控制方式和可调电压控制方式。3起重机的电源引入装置起重机的电源引入装置分为三类：硬滑线供电、软电缆供电和滑环集电器。硬滑线电源引入装置有裸角钢平面集电器、圆钢(或铜)滑轮集电器和内藏式滑触线集电器进行电源引入。软电缆供电的电源引入装置是采用带有绝缘护套的多芯软电
