第二节 动载系数及冲击振动载荷
起重机各机构起、制动或经过不平路面时，结构及吊重将受到冲击振动作用。起重机结构系统动态性能的研究主要采用动载系数法及理论建模方法。理论建模法包括集中质量法及有限元方法等，其根据简化等效模型或三维实体模型按机械动力学方法求解，可以比较精确地计算结构的动态响应。动载系数法是将起升载荷和结构自重分别乘以大于1的动载系数来考虑动载荷效应，然后按静载作用在结构上，因其简单实用，是目前国内外起重机设计规范普遍采用的计算方法。
一、起升冲击系数Φ1
当物品起升离地时，或将悬吊在空中的部分物品突然卸除时，或悬吊在空中的物品下降制动时，起重机本身（主要是其金属结构）的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力响应。此自重振动载荷用起升冲击系数Φ1乘以起重机的自重载荷PG来考虑（即Φ1PG），为反映此振动载荷范围的上下限，该系数取为两个值：Φ1=1±α，0≤α≤0.1。Φ1取大于或小于1.0，取决于该动力作用对自重载荷是增强了或是削弱了。结构计算时常取1.0≤Φ1≤1.1。常用起重机的起升冲击系数Φ1见表3-1。
表3-1 起升冲击系数Φ1
二、起升动载系数Φ2
当物品无约束地起升离开地面时，物品的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用，并使金属结构产生弹性振动，此起升动力效应用一个大于1的起升动载系数Φ2乘以额定起升载荷PQ来考虑，即考虑铅垂惯性力和振动作用的起升动载荷Pd=Φ2PQ。
对简单结构系统可以按集中质量法把系统简化为二自由度或单自由度质量-弹簧振动系统，根据动位移δd与静位移δ0之比计算Φ2，也可由试验或分析确定Φ2。
根据GB/T 3811-2008《起重机设计规范》，起升动载系数Φ2按式（3-1）计算：
Φ2=Φ2min+β2vq （3-1）
式中 Φ2——起升动载系数，其最大值Φ2max对建筑塔式起重机和港口臂架起重机等起升速度很高的起重机不超过2.2，对其他起重机不超过2.0；
Φ2min——与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值，见表3-2；
β2——按起升状态级别设定的系数，见表3-2；
vq——稳定起升速度（m/s），与起升机构驱动控制型式及操作方法有关，见表3-3。其最高值vqmax发生在电动机或发电机空载起动（相当于此时吊具、物品及完全松弛的钢丝绳均放置于地面），且吊具及物品被起升离地时其起升速度已达到稳定起升的最大值。
起升状态级别取决于起重机的动力特性和弹性特性。由于起升机构驱动控制型式的不同，物品起升离地时的操作方法会有较大的差异，由此表现出起升操作的平稳程度和物品起升离地的动力特性也会有很大的不同。将起升状态划分为HC1～HC4四个级别：起升离地平稳的为HC1，起升离地有轻微冲击的为HC2，起升离地有中度冲击的为HC3，起升离地有较大冲击的为HC4。与各个级别相应的操作系数β2和起升动载系数Φ2min值列于表3-2中，说明见图3-1。起升状态级别可以根据经验确定，也可以根据起重机的各种具体类型选取，对物品离地未采取专门的较好控制方案的某些起重机，其起升状态级别举例可参考表3-4。
表3-2 β2和Φ2min的值
表3-3 确定Φ2用的稳定起升速度vq值
注：H1——起升驱动机构只能作常速运转，不能低速运转；
H2——起重机司机可选用起升驱动机构作稳定低速运转；
H3——起升驱动机构的控制系统能保证物品起升离地前都作稳定低速运转；
H4——起重机司机可以操作实现无级变速控制；
H5——在起升绳预紧后，不依赖于起重机司机的操作，起升驱动机构就能按预定的要求进行加速控制；
vqmax——稳定的最高起升速度；
vqmin——稳定低速起升速度。
图3-1 起升动载荷系数Φ2
表3-4 起重机起升状态级别举例
三、突然卸载冲击系数Φ3
某些起重机正常工作时会在空中从总起升质量m中突然卸除部分起升质量Δm（例如使用抓斗或起重电磁吸盘进行空中卸载），这将对起重机结构产生减载振动作用。突然卸载时的动力效应即减小后的起升动载荷Pd用突然卸载冲击系数Φ3乘以额定起升载荷来计算（Pd=Φ3PQ），说明如图3-2所示。
图3-2 突然卸载冲击系数Φ3
空中突然卸载冲击系数Φ3按式（3-2）计算：
式中 Δm——突然卸除的部分起升质量（kg）；
m——总起升质量（kg）；
β3——系数，对用抓斗或类似的慢速卸载装置的起重机，β3=0.5；对用电磁盘或类似的快速卸载装置的起重机，β3=1.0。
四、运行冲击系数Φ4
起重机在不平的道路或轨道上运行时所发生的垂直冲击动力效应即运行冲击载荷，用运行冲击系数Φ4乘以起重机的自重载荷与额定起升载荷之和来计算。Φ4按在路面上运行和轨道上运行两种情况取值：
（1）在道路上或道路外运行的起重机
在这种情况下，Φ4取决于起重机的构造型式（质量分布）、起重机的弹性和/或悬挂方式、运行速度以及运行路面的种类和状况。此冲击效应可根据经验、试验或采用适当的起重机和运行路面的模型分析得到。一般可采用以下数据计算：
①对轮胎起重机和汽车起重机
当运行速度vy≤0.4m/s时 Φ4=1.1
当运行速度vy>0.4m/s时 Φ4=1.3
②对履带式起重机
当运行速度vy≤0.4m/s时 Φ4=1.0
当运行速度vy>0.4m/s时 Φ4=1.1
（2）在轨道上运行的起重机
起重机带载或空载运行于具有一定弹性、接头处有间隙或高低错位的钢质轨道上时，发生的垂直冲击动力效应取决于起重机的构造型式（质量分布、起重机的弹性及起重机的悬挂或支承方式）、运行速度和车轮直径及轨道接头的状况等，应根据经验、试验或选用适当的起重机和轨道的模型进行估算。Φ4可按以下规定选取：
①对于轨道接头状态良好，如轨道用焊接连接并对接头打磨光滑的高速运行起重机，取Φ4=1。
②对于轨道接头状况一般，起重机通过接头时会发生垂直冲击效应，此时Φ4由式（3-3）确定：
式中 Φ4——运行冲击系数；
vy——起重机运行速度（m/s）；
h——轨道接头处两轨面的高度差（mm），通常安装公差要求h≤1mm。
起重小车的运行冲击系数可参照上述方法确定。