图 1-4-2.1 吊具运行轨迹
对港口集装箱起重机而言，与港口抓斗起重机有着类似的运行规律，所不同的只是 抓斗有开、闭斗动作，而集装箱吊具有进、转销动作。但吊具运动轨迹的规律完全相同。 图 1-4-2.1 所示系散货抓斗作业和集装箱作业时的吊具运行轨迹。由图可知 y 坐标所示 的是起升运动； x 坐标所示的是变幅、回转、大车、小车运动。凡斜线段均系起升和平 移运动的联合动作。表面上看似乎各机构的运动速度越高，循环周期越短，生产率可以 越高。但是任何事物的发展均是有一定限度的。速度越高，为了很快从零速达到额定速 度，则需要的起动加速度很大；同样也要使制动时的减速度很大。这样所造成的结果是： 各机构功率加大，起制动猛烈冲击大，致使金属结构承应力循环特征值增大，导致结构 疲劳强度大幅度降低。为了延长寿命只得加大结构尺度，增加整机自重，进而对码头的 承载能力提出了更高的要求。
二、绘制工作循环图
港口起重机工作循环图的要素有各机构速度、加速度、运行距离等等。有关各机构 的速度推荐值见表 1-4-2.1；有关各机构的加（减）速度，根据 GB381l-83 和实测统计结
1-4-2
果推荐列于表 1-4-2.2。
表 1-4-2.1 几种港口起重机的工作速度范围
机型 港口门座起重机 带斗门座起重机 装卸用浮式起重机 桥式抓斗卸船机
—
—
75∼170 20∼30
120∼160 50∼70
25∼45 25
回转速度 r/min 1.0∼1.5 1.0∼1.5 1.3∼1.5 —
—
—
变幅速度 m/min 40∼60 40∼80 40∼60 —
—
—
表 1-4-2.2 港口起重机机构起制动加（减）速度
图 1-4-2.2 为一台港口抓斗门座起重机的工作循环图。由图可知该港口门座起重机 的工作循环时间是 58s。
按铰接车架支承假设计算得到的支承力比按刚性车架支承假设计算得到的支承力 略大，两种简化计算的结果都能满足起重机设计所要求的精度。
对于港口起重机，应用最为广泛的轮压计算公式是建立在刚性车架支承假设基础上 的。本节以刚性车架支承假设为阐述的重点。
2．刚性车架支承时铅垂支承力的计算原理
本计算原理从材料力学中的偏心压杆的原理出发，推导了刚性车架支承假设下的轮 压计算公式。
将起重机金属结构简化为一矩形截 面的偏心压杆，四支腿分别位于压杆底部 的四个角点（如图 1-4-3.3 所示），根据 材料力学的平面假设，压杆受载发生位移 后，起重机四支点所在平面依然保持平 面，这与刚性车架支承假设是一致的。
起重机所承受的所有外载荷向一点 简化总可以简化为一偏心的轴向力 N ，其
坐标为（ xN ， yN ）。将该偏心力 N 向矩
形截面形心平移后，得到三个内力分量 F Nz 、M x 、M y（力矢的方向如图 1-4-3.3 所示）： FNz = N （压） M x = −N ⋅ yN M y = N ⋅ xN
对截面上任意一点 D（ x ， y ），以上各内力的作用下产生的正应力分别为：
σ ′ = − N ，σ ′′ = − M x ⋅ y ，σ ′′′ = − M y ⋅ x
三、铅垂方向支承力的计算方法
根据港口起重机类型和作业方式，支承装置可以是车轮或者轮胎。 起重机设计时，各种工况下算得的最大铅垂方向支承力用于运行机构零部件及金属 结构强度计算，确定每个支承点车轮（轮胎）的数目和尺寸；最小铅垂方向支承力用于 车轮打滑验算，检验轮胎或支腿是否离地。 港口起重机通常为四支点支承（支承腿），每个支承点上有一个或数个车轮（取决 于支承总压力的大小及许用轮压值）。当一个支承点上的车轮数多于一个时，通常需设 置均衡梁，使每个车轮的垂直压力基本相等。四支点式支承力的计算属于超静定问题， 支承力的分配不仅与载荷有关，还取决于车 架的刚性、轨道或道路路面的弹性和平整度 等许多因素。
1．基本假设
要计及所有这些因素的影响是相当费 时的，而且对于轨道或路面的不平度的估计 往往很困难。因此，超静定四点支承力的计 算一般采用近似解法，按下述两种假设之一 将超静定问题简化为静定问题求解。 （1）刚性车架支承假设（图 1-4-3.1 ）
将支承结构看成是一个绝对刚体，在载 荷作用下车架的四个支承点始终保持在同 一平面上。 （2）铰接车架支承假设（图 1-4-3.2 ）
A
Ix
Iy
（1-4-3.1）
其中：
A
=
4 A0
，
Ix
=
4[ I x 0
+
A0
(
S 2
)2
]
，
Iy
=
4[I y0
+
A0
(
B 2
)2
]
式中： A0 ——每个车轮组的承压面积； Ix0 ——每个车轮组的承压面积关于过自身形心且平行于 x − x 轴的惯性矩； I y0 ——每个车轮组的承压面积关于过自身形心且平行于 y − y 轴的惯性矩； Ix ——每个车轮组的承压面积关于 x − x 轴的惯性矩； I y ——每个车轮组的承压面积关于 y − y 轴的惯性矩。
港口起重机的生产率通常是以每小时所能完成的货物装卸量来表示的。它取决于港 口起重机的起重能力，各种机构的速度、加速度，各机构的联动性能、取卸料位置、货 物品种等等。
二、作业循环时间与生产率的关系
前面已经提到对散货、集装箱港口起重机有生产率的要求。而构成生产率的因素除
起重量外，还有由各机构速度和联动作业决定的、每完成一次间歇作业所需的时间——
I
PG PQ —
PH —
II
IIILeabharlann IVPGPG
PG
PQ
PQ
—
—
PWII
—
—
PWIII —
PS
—
—
1-4-4
二、水平面内支承力的计算方法
水平面内支承力按理论力学的力平衡原理进行计算。 在工作工况下，支承力 Ry 由大车运行机构中的驱动/制动装置承受，其最大值受工 作工况下的打滑条件的限制。对于有轨运行机构，支承力 Rx 通过车轮的轮缘传递给轨道； 而轮胎式起重机通过轮胎的横向摩擦力将支承力 Rx 传递给基础。 在非工作（暴风）工况下，有轨运行起重机通常都配有防风锚定装置。有时对于暴 风频发地区，当用户提出额外要求，如起重机突发暴风时能够逆风行驶到锚定位置，起 重机会配备轮边制动器。在这种情况下，除了锚定装置外，轮边制动器也承受水平面内 平行大车行走方向的支承力 Ry ，支承力 Rx 仍由轨道承受。对于如轮胎式起重机这类无 法配置防风锚定装置的起重机，其水平面内的支承力主要由防风拉索承受。防风拉索的 作用除了保证起重机的整机稳定性外，还可承受一部分起重机水平面内的支承力。此时， 其与地面的夹角是锐角。
各机构速度的选择原则以吊具的运动为目标，通常以起升机构的动作为基础。当吊 具下到船舱落到料堆上后，主要动作均集中在起升机构上。对散货港口起重机而言，抓 斗是它的吊具，这时以闭斗和闭斗后的起升为主（图 1-4-2.1，1-2 段）；等抓斗已进入 司机视线、舱口条件允许抓斗作平移运动时，开始由变幅、回转或小车与起升机构做联 合动作。这时抓斗的轨迹已不再是一条铅垂线，而是一条由起升和平移运动组成的向上 倾斜的斜线（图 1-4-2.1，2-3 段）；当抓斗提升到卸料口以上而且无障碍时，起升机构 停止运行，这时抓斗的运行轨迹是一条水平线或是一条由港口起重机旋转运动所形成的 圆弧线（图 1-4-2.1，3-4 段）；当抓斗到达卸料口后，所有平移动作停止，只有起升机 构在进行开斗工作，抓斗不再运动；待卸料完毕，吊具则开始进行返回原起始点的运动， 抓斗的轨迹与上述情况一样，只不过顺序相反而己。
图 1-4-3.1 刚性车架支承假设 图 1-4-3.2 铰接车架支承假设
1-4-5
将支承结构看成由许多互相铰接的纵、横简支梁组成，在载荷作用下，支承结构的 四个支承点不再保持在同一平面上，随基础的变形而变形。
实际支承结构的弹性状况总是介于这两者之间的。计算时可根据支承的刚度选择一 种假设进行简化。
图还会出现一些机构间、机电间的矛盾。这就需要对循环图进行修正，最后在保证循环
周期满足生产率要求的条件下解决好设计中各方面的矛盾，达到统一协调的目的。
第三节 起重机支承力计算
一、起重机支承力的定义
起重机支承力是指移动式起重机在整个使用寿命中与基础支承结构接触时，基础对
起重机的反作用支承力，是轮压（或腿压）概念的扩充，包括三个分量：
1-4-6
由于起重机车轮组的承压面积相对轮压支承所在平面是一个小量，因此 Ix0 、 I y0 项
可以忽略不计，则 Ix = A0B2 ， I y = A0S 2
则刚性车架支腿平面上任意一点 D 的总正应力
σ = − FNz − M x ⋅ y − M y ⋅ x
A Ix
Iy
（1-4-3.2）
根据材料力学的知识：受压弯载荷作用的杆，在一般情况下，中性轴将截面分成拉
图 1-4-2.2 抓斗门座起重机工作循环图
用同样的方法亦可绘出桥式抓斗卸船机的工作循环图，见图 1-4-2.3。
1-4-3
图 l-5-2.3 桥式抓斗卸船机工作循环图 C－闭合；H－起升；L－满斗运行；O－开斗；P－空斗运行；LO－下降
这种循环图是针对额定生产率而言的，是设计生产率。在产品设计中参照这个循环
第四章 港口起重机总体计算
第一节 港口起重机生产率（设计）计算
一、间歇作业特点与生产率的关系
一般起重机的作业特点是依靠起升机构提升货物到一定的高度，然后利用变幅、回 转、大车、小车运行来运移货物。这是一种间歇运动，即被作业的对象不是连续不断地 在运移，而是每间隔一定的时间有一部分货物被运移到指定的地方，这种搬运货物的特 性被命名为间歇式作业。因此，一般起重机的能力是用它的起重量、幅度（或跨度）来 衡量的。通常认为起重量越大则其能力越强，这是因为常见的起重机是以吊起并能运移 货物为目的，而并不要求其在每小时必须起吊和运移多少次货物，也就是说对这些起重 机并不存在生产率的要求。然而港口起重机则不同，它是以完成装卸任务为目的的，它 所要实现的是港口货物的吞吐作业。对它的衡量重要的不是一次起吊运移货物的能力， 而是完成货物装卸的时间或每小时可装卸货物的能力，即生产率。在港口装卸作业中， 一般对散货、集装箱起重机生产率的要求较严格。对这些起重机而言生产率是一项主要 考核指标，但对件货起重机来说决定生产率的因素不仅仅是起重机的作业快慢，更重要 的是装卸工人的作业速度，所以在港口起重机中对件杂货起重机并不把生产率当成一个 主要技术要求。