本书分十二章，分别闸迷机械装备金属结构设计的目的、要求、特
点、方法，金属结构计算原理和基本规定：以’起重机金属结构
设计为主线，详细介绍了金属结构的材料特性与选挥原则，起重机整机、
结构件工作级别的划分方法，载荷计算及载街组合，焊缝、螺栓连
接计算方法．轴向受力、横向受弯、受扭等构件的计算方法，柱、
梁等典型机械装备的构造和设计方法与步骤，简单易懂

本书的起重量，均指起重机的起升质量。

机械装备 金属结构设计

（6）塔榄结构如矿井钻架、无线电发射塔、航天器发射塔、输电塔等。 （7）桥梁结构如各种公路、铁路桥梁和车间的承轨梁。 （8）水工建筑物如水坝闸门、钢管道等。 （9）仓储结构如自动化立体仓库、车库的骨架、货架等。 综上所述可知，金属结构应用非常广泛，结构型式多种多样阻燃标准，在国家经济建设中起着重 要的作用。 本书涉及的范围有限，不可能逐一介绍，主要对起重机械、工程机械、矿山机械、输送 机械等机械装备金属结构的设计理论、典型部件的构造及其计算方法等方面进行重点阐述， 便于从事该专业工作的人员学习和掌握其基本内容及设计原理

第三节机械装备金属结构的基

（8）安全性能安全可靠一一从设计层面保证机械设备的本质安全，提供安全运行的 硬件保证，如安全装置的设计与配置，关键零部件的可靠性以及剩余寿命的评估。 上述基本要求既互相联系又互相制约，首先要保证金属结构坚固耐用和使用性能，其次 应注意减轻自重，节约钢材，降低成本及运输维修等问题，在可能条件下考虑外形美观。 在设计时应该辩证地处理上述要求。如果结构设计制造较为坚固，性能优良，但会导致 耗材较多，整机装备过于笨重，经济成本较高。若单纯追求节省钢材，而忽视使用要求，使 机械装备的性能较差或过早损坏，则会导致更大的浪费。同时，还要考虑不同用途的机械装 备金属结构的特殊性。如采油井架，除考患性能好、坚固耐用外，安装运输是否方便也是很 重要的。因此，设计机械装备金属结构时，在首先满足坚固耐用、方便使用的前提下，要最 大限度地充分利用材料，减轻自重，并结合机械装备的特殊性，注意解决运输、安装、维 护、维修、美观等问题。

机械装备 金属结构设计

刚度、动性能、风振、高腹板局部稳定性、复杂结构焊接、组装质量以及科学的运输方案 和快速安装的方法等问题，都需要进行深人探讨和研究，在科学研究和生产实践中进一步解 快。 上述问题既是设计与生产部门应该注意解决的问题，也是高等学校和科研院所应该研究 的课题和方向。因此需要面向实际，面向生产，发现问题，提炼问题，创新理论，加以研 究，解决问题，勇于实践，指导工程。不断提高设计水平，严控制造质量，确保产品性能 更好地为国家建设服务，为摊动本行业的科学技术进步贡献力量。

本课程是高等工科院校机械类专业的主干专业基础课，是理论性和实践性较强的设计性 课程。本课程的主要特点是： （1）涉及先修课程多本课程是建立在多门先修课的基础上的，如机械制图、材料力 学、结构力学、弹性力学、机械设计、工程材料等，而且要应用先修课的理论解决实际问 题。 （2）涉及相关专业课程多由于金属结构是机械装备的骨架，结构设计通常决定机械 装备的总体布局和设计，因此必须对相关专业课程，如起重机械、工程机械等机械装备的工 作原理，传动方案有所了解和掌握。 （3）涉及设计规范和标准多由于设计一台机械装备的结构件除要满足强度、刚度、 稳定性、工艺性、体积、自重等一系列的要求外，，还需要根据使用场合和不同行业甚至国家 地区的标准规范进行属地化、区域化、行业化、国家化的协调。 （4）涉及计算公式多本课程是设计性的课程，设计包含多方面的内容，如载荷计算、 强度理论、疲劳计算、变形计算、板的稳定性、振动计算等，从而形成公式多的特点。 （5）涉及表达课程相关内容的图形多反映材料力学特性、计算力学模型、结构构造 特征图形等，形成图形多的特点，但有利于看图学识。 （6）涉及设计计算的表格多如工作级别表、动载系数表、载荷组合表、各种许用应 力表、疲劳计算的应力集中等级表等。 （7）涉及计算的曲线多如偏斜运行水平侧向力系数曲线，工字钢、H型钢翼缘轮压 高部弯曲应力计算系数曲线等。

机械装备均由机碱系统、电气系统和金属结构组成。金属结构是机械装备的骨架，承受 各种载荷和自重载荷。因此，金属结构必须满足一定的强度、刚度、稳定性要求，才能保证 机械装备的正常使用。而机械装备金属结构课程的任务就是运用机械设计、材料力学、结构 力学、弹性力学、工程材料等理论知识，研究金属结构的强度、刚度、稳定性（3S

ngth、Stiffness、Stability）以及各种连接的设计理论和计算方法，进而设计出科学合 成装备金属结构。

本章主要介绍了机械装备金属结构的定义、作用、历史、特点，根据机械装备金属结构 的分类、应用，提出了机械装备金属结构的基本要求，阐述其发展趋势。最后针对机械装备 金属结构的课程特点、性质任务，推荐了本课程的学习方法。 本章应了解机械装备金属结构的发展、特点、地位、发展趋势 双 本章应理解机械装备金属结构的课程特点、任务、学习方法。 本意应堂握机械装备金属结构的定义、基本要求、作用

机械装备 金属结构设计

随着科学技术的发展，人们发现用冲击试验方法不能表征高强度钢材的抗脆断性能，而 采用断裂力学方法中的应力强度因子K1e表示钢材的韧性更确切。由断裂力学理论可知：金 属材料内部由先天冶炼过程含有杂质所致，或由后天加工、焊接、热处理等过程产生初始裂 纹。含有初始裂纹的构件在外力作用下，其应力达到某临界值时，初始裂纹将迅速扩展，直 至引起脆性破坏。根据断裂力学分析钢材裂纹扩展的基础，通过实验数据，建立了断裂应力 。、裂纹深度α和钢材韧性之间的关系为：

常数K的大小，标志着材料抵抗脆性破坏能力的高低，常用应力强度因子K1来度量。 强度因子K1是根据线弹性理论计算的，不同材料不同裂纹的K，计算式也不同。 对于某一种材料，当K，增大到临界值K1c时，裂纹就迅速扩展，使构件产生断裂破坏， 此时K1c值被称为材料的断裂韧度，是材料的一种力学性能，其单位为N/mm3/2。低温下 K1值急剧降低，钢材容易脆断。 断裂韧度K1。随材料的化学成分、热处理状态、加载速度、应力状态、工作温度、钢材 轧制方向的不同而异，其大小根据国家标准的试验方法，采用带裂纹的试样在材料试验机上 测定。K1。值越大，表示钢材抵抗脆断的能力越强，反之钢材容易发生脆性破坏。 机械装备结构的主要材料是碳素结构钢和低合金高强度结构钢，常温下这些材料的断裂 皱坏往往由疲劳引起，在低温下材料更容易发生裂纹断裂（脆断），因此需要掌握材料在低 温下的断裂韧度才能更合理地使用材料（见第四章第六节）。

钢材的加工性能在本书是指焊接性能和冷弯性能。 1.焊接性 钢材在焊缝冷却后，连接具有完整性（无裂缝）和坚固性，即在各种静、动载荷长期 作用和低温下，连接具有足够的强度和完整性的能力。常以连接的抗裂性和力学性能来检验 钢材焊接性的好坏。 影响焊接性的因素： （1）焊接工艺钢材的焊接过程使连接处受热不均匀，导致钢材的结晶组织发生变化， 当温度在200~300℃之间时，钢材会发生蓝脆现象而提高了脆性。这将导致裂缝的产生， 使焊接性变差。而焊接性好则工艺简单；反之，则需要复杂的焊接技术和条件。 （2）碳的质量分数钢材中碳含量过多，虽能提高钢材的强度，但却降低了钢材的塑 生和焊接性，高碳钢的焊接性明显恶化。因此，对焊接结构，为使其具有良好的焊接性，应 根制碳的质量分数（wc<0.2%）。 2.冷弯性能 钢材的冷弯性能表示其在常温下作180°冷弯变形试验而不出现裂缝的性能。按照钢材 卑号和厚度（直径）规定出弯心直径与试件厚度的不同比值，此比值越小，表明钢材的冷 弯性能越好，塑性越大。

钢材的耐久性主要以钢材的时效、防锈性来表征

二、 材料的类别和特征

机械装备金属结构设计LIE（%）8LIE181≤61≤81≤81≤001 ~61≤61≤81≤61≤0≤61≤81≤0Z≤1Z≤6180011111SLZE1001

机械装备 金属结构设计

①冲击试验取纵向试样。

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其钢材应适合弯折或冷压折边的要求， 用

本章主要介绍了钢材的力学特性及影响因素，阐述材料的类别和特征，并根据材料的选 用原则进行材料的选择，最后给出了考虑影响脆性破坏因素评价的钢材质量组别的选择方 法。 本章应了解机械装备金属结构使用钢材的力学特性及影响因素，材料的类别和特征以及 相关国家和行业标准。 本章应理解结构钢和低合金高强度结构钢的特点及适用场合，钢材厚度、化学成分、环 境温度、工作级别对材料的影响程度。 本章应掌握材料的选用原则、依据和规定材料的标准表示方法及考虑影响脆性破坏因素 评价的钢材质量组别确定方法。

第三章载荷与载荷组合1.601.251.00FFdu

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金属结构是承载结构，根据用途和机型不同，所承受的外载荷也不相同。准确地确定载 荷值、科学地进行载荷组合和正确地进行结构分析与设计，是保证机械装备具有可靠的承载 能力和良好的使用性能的重要前提条件。

二、按其作用性质、工作特点和发生

（1）常规载荷在起重机正常工作时始终和经常发生的载荷，包括由重力产生的载荷， 由驱动机构或制动器的作用使起重机加（减）速运动而产生的载荷，及因起重机结构的位 移或变形引起的载荷。在防强度失效、防弹性失稳及有必要时进行的防疲劳失效等验算中， 应考虑这类载荷。 （2）偶然载荷在起重机正常工作时不经常发生而是偶然出现的载荷，包括由工作状 态的风、雪、冰、温度变化、坡道及偏斜运行引起的载荷。在防疲劳失效的计算中通常不考 惠这些载荷。 （3）特殊载荷在起重机非正常工作时或不工作时的特殊情况下才发生的载荷，包括 由起重机试验、受非工作状态风、缓冲器碰撞及起重机（或其一部分）发生倾翻、起重机 意外停机、传动机构失效及起重机基础受到外部激励等引起的载荷。在防疲劳失效的计算中 也不考虑这些载荷，

二、按其作用效果与时间变化相关性

（1）静载荷对结构产生静力作用而与时间变化无关的载荷，如自重载荷与起升载荷 的静力作用。 （2）动载荷对结构产生动力作用而与时间变化相关的载荷，如由于机械装备不稳定 运动，各种质量产生的惯性力和由于机械装备工作时产生的碰幢、冲击作用等。

结构的载荷值需在设计之初进行确定和计 而准确确定载荷值将直接影响结 度、机械装备的安全可靠和使用性能。 以下介绍确定各类载荷的计算原则和方法

1）起重机的载荷计算与载荷组合，主要用于验证起重机结构件的防强度失效、防弹性 失稳和防疲劳失效的能力，以及起重机的抗倾覆稳定性和抗风防滑移安全性。 2）起重机能力验算时应注意计算模型与实际情况的差异。当载荷引起的效应随时间变 化时，应采用等效静载荷进行估算。本书以刚体动力分析方法为计算基础，对于弹性系统的

第三章载荷与载荷组合

（3）起升动载系数中2当从地面加速起升载荷时，载荷惯性力增大了起升载荷的静力 值，并使金属结构产生弹性振动，计算结构时考虑铅垂惯性力和振动作用的起升载荷称为起 升动载荷Pd。 结构系统承受的起升动载荷Pd（或动位移Sa）与起升静载荷P。或（静位移o）之比 值称为起升动载系数Φ2，它表示相对起升静载荷增大的程度：

因而计算金属结构所用的起升动载荷为：

Φ2 = Po 00

第三章载荷与载荷组合

Ke= K +K) K,K2

m ()= m() +m2()

m。 = m2 + m(≤) = m2[1 +m(≤)] = m2(1 +β)

退据等效单自由度系统的简谐运动可知，其自振圆频率为：

meg g N.me Nmede N(1 +β)

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工程标准规范范本起重机结构在物品悬挂点的动载系数！

8d = 80 + yemax = 80 + %

1 + β 60 80 goo

Pdd m2(g+vow) vow = 1 + β2g 2 = PQ =1+ m2g g g8o(1 +β)

Od = 1 + β2g 1 + β S0 80 gYo

Φ2 = 1 +*0"g gyo

1/~g%o——与臂架型式有关的因数，对四连杆臂架为0.6，对摆动单臂架为1.6，对于水 平臂架为1.1，单位为s/m。 由于司机操作情况不同，中2值也不同项目管理和论文，通常物品离地起升时的动载系数比下降制动时 要大，但物品突然离地起升和下降紧急制动时，结构的动载系数比正常操作时要大得多，而 物品快速点动升降时出现多次激励振动的叠加，可导致结构动裁系数出现最大值其至接近

第三章载荷与载荷组合

中2 = 中2min + β2ua