起重机械基础知识

起重机械基础知识 第一节、有关力学的基本知识

起重作业无论是设备的水平运输还是上下位移，从现象上看是人员、机械、设备三者之间的相互作用关系，动力设备将电能或化学能转变为机械能，机械能通过专用的起重设备转变为物体的势能。从本质上讲是人与力打交道，机械设备与力打交道，换句话说也就是如何从根本上解决谁对谁施力和谁对谁受力。解决物体与物体之间的相互作用，这就抓住了起重作业的关键，抓住了起重作业的本质问题。这需要我们起重作业者应该具有一定的力学基本知识。 一、质量、重量和中心 ㈠质量 质量就是物体中含有物质的多少。质量是物体的固有属性，它不随其形状、位置和状态的变化而变化。 质量的法定计量单位是kg(千克)，此外，还有t(吨)、g(克)等。它们之间的关系是 1000kg=1.0t=1000000g ㈡重量 人们在日常生活和工作中都有一个最直观的感觉，就是不论是铁球还是乒乓球拿在手中都有质感，这种质感其实就是重量。地球上的物体在地球引力场作用下，受到地球的吸引力，这种物体受到地球的吸引力我们称之为重力，其方向垂直向下(指向地心)。通常将重力的大小称为该物体的质量。重量不是物体的固有属性，它随其在地球上的位置和高度变化而变化。 重量的法定计算单位是N(牛)，此外，还有kN(千牛)。以前还有用kgf(千克力)、tf(吨力)表示，千克力又称公斤力。它们之间的关系是 lkN=103 N，lkgf=9.8N，ltf=103kgf=9.8×103N ㈢质量和重量的计算 1、质量的计算质量等于物体的体积乘以密度，即 m=ρv 式中 m——物体的质量(kg)； y——物体的体积(m3)； ρ——物质的密度(kg／m3)。 一般材料的密度，见表2—1。 表2-1一般材料的密度 物体的材质 密度/(103kg/m3) 钢、铸钢 7.85 铸铁 7.2～7.5 铸铜 8.6～8.9 木料 0.5～0.7 铅 11.3 粘土 2.7 混凝土 1.9 碎石 2.4 松土 1.6 砖 1.4～2.0 煤油 0.8 2、重量的计算重量等于物体的质量乘以重力加速度，即式中 G——物体的重量(N)； m——物体的质量(kg)； g——重力加速度(m/s2)，一般，g=9.8m/s2。 如质量为lkg的物体，它的重量为 G=mg=lkg×9.8m/s2=9.8N=1 kgf (千克力) 即质量为lkg的物体的重量为lkgf，起重作业有时习惯上简称该物体的重量为lkg。所以，现在起重作业上有时习惯上称一个物体的重量为5t或5000kg，实际是指这个物体的重量为5tf或5000kgf。 ㈣重心和重心计算 物体的重心就是物体上各个部分重力的合力作用点。不论物体怎样放置，物体重心的位置是固定不变的。 在起重作业中，了解和掌握设备的重心是很重要的。重心的位置不仅关系到设备的平衡，而且关系到物体的稳定性。要使起重机械和物体处于平衡位置，必须使其重心处在适当位置。在起重作业中只有保持物体的稳定性，使物体在起吊、运输过程中不倾斜、不运动、不翻转，才能保证安全作业。如吊点未通过物体重心，起吊中或起吊后将发生翻转，发生翻转是很危险的，会酿成事故。 质量均匀，形状有规则的吊件的重心与它的几何中心重合。例如： 1、薄圆板和圆环的重心在圆心处。 2、正多边形薄板的重心在它的内切圆或外接圆的圆心处。 3、正方形、长方形、平行四边形薄板的重心在它们的对角线交点处。 4、三角形薄板的重心在其中线的交点上。 5、粗细均匀的棒重心在棒长的二分之一处。 6、球的重心在它的球心处。 7、正圆锥体的重心在距锥顶O．75锥高的轴线上。 对形状复杂、材质均匀分布的物体，可以把它分解为若干个简单几何体，确定各个部分重量及其重心坐标值，然后用下式计算整个物体的重心坐标值。 XC=ΣGiXi/G YC=ΣGiXi/G 式中Xc——整个物体重心在坐标系中的横坐标 Yc——整个物体重心在坐标系中的纵坐标； G——整个物体的总重量； Gi——某单元物体的重量； Xi——某单元物体在坐标系中的横坐标； Yi——某单元物体在坐标系中的纵坐标。 二、力的基本概念 什么是力?力的物理定义是：力是一个物体对另一个物体的作用。比如起重机起吊重物时，由于力对重物产生了作用，使重物由静止到运动，由低位移至高位，发生了位置变化。 又比如用手拉弹簧时，可使其伸长，当手放松时，弹簧又恢复原状。所以，要改变一个物体的运动状态或形状，就必须有另外一个物体对它产生一种作用，这种作用就是力。 力的三要素：力的大小、方向、力的作用点。它们被称为力的三要素。三要素中任何一个的改变都将会改变力对物体的作用效果。 力的单位：力的国际单位为N(牛)。 力不能脱离物体而存在，当某一物体受到力的作用时，一定有另一物体对它施加这种作用。物体所受合力为零时，物体相对地球保持静止或作匀速直线运动的状态，称为物体的平衡。 滑动摩擦与滚动摩擦的基本知识 ㈠滑动摩擦的基本知识 两个相互接触的物体，当发生沿接触面的相对滑动或有相对滑动趋势时，彼此间作用着阻碍滑动的力，称为滑动摩擦力。在尚未发生相对滑动时出现的摩擦力叫静摩擦力，在发生相对滑动后出现的摩擦力叫动摩擦力。最大静摩擦力‰与重物对支承面的正压力N成正比，即 Fmax=µ0N 式中µ0——静摩擦系数，µ0的大小与相互接触物体的材料以及它们的表面的情况(光滑、温度、 湿度等)有关，与接触面积的大小无关。 两个相互接触的物体在开始滑动后的摩擦力F，其规律与静摩擦力相似，它的方向与物体滑动的方向相反(图2—1)，其大小 F=uN，U为动摩擦系数，其值应小于静摩擦系数。

图2-I 滑动摩擦示意图 各种材料在不同表面接触情况下的静摩擦系数是由实验测得的，常用的有关摩擦系数见表2—2。 表2-2滑动摩擦系数 摩擦系数 材料名称 静摩擦系数(µ0) 动摩擦系数(µ)

有润滑 无润滑 有润滑 无润滑 钢一钢 钢一软钢 钢一铸铁 钢一青铜 铸铁一铸铁 铸铁一青铜 铸铁一木材 O．1～0.12 / / 0.1～0.15 0.8 / / 0.15 / 0.3 0.15 / / 0.65 O．05 0.1～0.2 0.05～0.15 0.1～0.15 O．17～0.12 O．07～0.15 0.2 0.15 0.2 0.18 0.15 0.15 0.15～0.2 0.3～0.5

青铜一青铜 木材一木材 木材一麻绳 0.1 0.1 / / 0.4～0.6 0.8 0.07～0.1 O．07～0.15 / O．2 0.2～0.5 0.5

㈡滚动摩擦的基本知识 如图2—2所示，设有一个半径为R的滚子，其重量为Q，放在水平面，由于滚子和支承面都不是绝对的刚体，在受力后都会产生变形，所以在滚子与平面接触的地方不是一条直线而是一部分面积以易，法向反力也不是一个集中的力，而是沿面积分布的，并且不是均匀分布的，而是越靠近中间点越大。 当滚子不转动时，分布力的合力——法向反力N是通过中点并且与重力Q作用在一条直线上，重力Q与法向反力N平衡，见图2—2a。 图2—2滚动摩擦系数分析示意图 若在滚子上作用一个水平力P，则滚子将有向前滚动的趋势或向前滚动，这时支承面将给滚子一个静摩擦力F和法向反力Ⅳ，由于变形区域以c部分的减小，易c部分的增大，所以法向反力N沿滚子的滚动方向移动了一小段距离d，见图2—2b，由平衡方程式可以得到 ΣX=0 P-F=0 得F=P ΣY=0 N-Q=0 得N=Q ΣMC=0 Nd-Ph=0 d=Ph/N 从式中可以看出，d随着P值的增大而增大，当P值增大到使平衡将要破坏而还未破坏的临界状态时，d达到最大值。 根据力的平移定理，在临界状态时把法向力N移到c点，这时则应附加一个力偶，见图2—2c，其力偶矩M＝Nd，因为力偶是阻碍滚子滚动的，所以叫它滚动摩擦力偶，d叫滚动摩擦系数。这个系数一般用万来表示，它具有力臂的意义，单位为长度单位，一般用cm。 滚动摩擦系数在一定条件下与材料的硬度有关，材料硬一些，受载荷作用后变形就小；反之，材料软，变形就大，滚动摩擦系数万也就大。常用的滚动摩擦系数见表2—3。 表2—3 接触材料 铸铁与铸铁 钢与钢 钢与木材 钢与水泥地 钢与土地 摩擦系数 0.05 0.05 0.1 O.08 O.15 三、惯性 静止着的物体仍将保持静止，运动着的物体仍将保持运动。比如，我们在坐公共汽车时，汽车刚刚起动，人都会向后仰去；当汽车突然制动时，人都又会向前冲去。物体运动状态刚刚改变时，这种保持原有运动状态的特性就是惯性。 起重作业一般都是在改变物体的运动状态，作业时总伴有物体的惯性。惯性有时是有害的，需要人们主动地想办法解决或抵消惯性，保证作业的正常进行。而有时我们又需要正确地依靠惯性，做好起重作业。 四、杠杆原理与应用 杠杆在我国古代就有了许多巧妙的应用，在三千多年以前就有用来捣谷子的舂，用来在井上汲水的桔棒，还有能够做精确称量的天平和杠秤等。在起重作业中杠杆原理得到最广泛、最普遍的运用，可以说一个起重工掌握和运用杠杆原理是最基本的要求。图2—3表示的就是《天工开物》中的杠杆原理应用。 杠杆是什么?其实就是一根硬棒，在力的作用下如果能绕着固定点转动，这根硬棒就叫杠杆。为了了解杠杆的作用，我们首先必须熟悉以下几个有关的名词： 支点：杠杆绕着转动的点(图2-4中的D点)。 动力：使杠杆转动的力(图2-4中的F)。