QD22.5-5起重机金属结构设计

QD22.5-5起重机金属结构 河南机电高等专科学校课程设计说明书 《金 属 结 构》 课程设计说明书 题 目:QD22.5-5起重机金属结构设计 班 级: 姓 名: 学 号 指导教师: 目 录 第一章 绪 论 ................................................................................................................................. 1 1.1 桥式起重机概述 ................................................................................................................ 1 1.2 桥式起重机金属结构设计参数 ...................................................................................... 4 第二章 总体设计 ........................................................................................................................... 5 2.1桥架尺寸的确定................................................................................................................. 5 2.1.1主梁尺寸.................................................................................................................... 5 2.1.2端梁尺寸.................................................................................................................... 5 2.2 运行机构设计 ............................................................................................................ 6 2.2.1 大车运行机构的设计 ............................................................................................... 6 第三章 载荷计算 ........................................................................................................................... 7 3.1主、端梁截面几何性质 ..................................................................................................... 7 3.1.1主梁截面几何性质 .................................................................................................... 7 3.1.2端梁截面几何性质 .................................................................................................... 7 3.2 固定载荷............................................................................................................................ 7 3.2.1梁自重........................................................................................................................ 7 3.2.2小车轨道质量............................................................................................................ 8 3.2.3走台、栏杆等质量 .................................................................................................... 8 3.2 小车轮压............................................................................................................................ 9 3.3 动力效应系数.................................................................................................................... 9 3.4 惯性载荷........................................................................................................................ 10 3.4.1一根主梁上的小车惯性力: .................................................................................. 10 3.4.2大车运行起制动惯性力 .......................................................................................... 10 3.4.3小车起制动产生的水平惯性力 .............................................................................. 10 3.5 偏斜运行侧向力 ............................................................................................................ 11 3.5.1满载小车在主梁跨中央 .......................................................................................... 11 3.5.2 满载小车在主梁左端极限位置 ........................................................................... 11 3.6扭转载荷........................................................................................................................... 12 第四章 主梁计算 ........................................................................................................................... 13 4.1 内力 ............................................................................................................................... 13 4.1.1垂直载荷.................................................................................................................. 13 4.1.2水平载荷.................................................................................................................. 14 4.2 强度 ............................................................................................................................... 17 4.3 主梁稳定性...................................................................................................................... 20 4.3.1 整体稳定性........................................................................................................... 20 4.3.2 局部稳定性............................................................................................................. 20 第五章 端梁计算 ........................................................................................................................... 21 5.1 载荷与内力.................................................................................................................... 21 5.1.1垂直载荷.................................................................................................................. 21 5.2水平载荷........................................................................................................................... 22 5.3 疲劳强度.......................................................................................................................... 25 5.3.1 弯板翼缘焊缝......................................................................................................... 25 5.3.2 端梁中央拼接截面 ................................................................................................. 26 5.4 稳定性............................................................................................................................ 27 5.4.1整体稳定性.............................................................................................................. 27 5.4.2局部稳定.................................................................................................................. 27 5.5 端梁拼接........................................................................................................................ 28 5.5.1内力及分配.............................................................................................................. 28 5.5.2翼缘拼接计算 .......................................................................................................... 30 5.5.3腹板拼接计算.......................................................................................................... 31 5.5.4端梁拼接接截面1-1的强度 .................................................................................. 32 第六章 主梁和端梁的连接 ......................................................................................................... 34 第七章 刚度计算 ......................................................................................................................... 35 7.1桥架的垂直静刚度 ........................................................................................................... 35 7.2桥架的水平惯性位移 ....................................................................................................... 35 7.3垂直动刚度....................................................................................................................... 35 7.4水平动刚度....................................................................................................................... 36 第八章 桥架拱度 ........................................................................................................................... 37 8.1桥架跨度中央的标准拱度值为 ....................................................................................... 37 致 谢............................................................................................................................................... 38 参考文献......................................................................................................................................... 39 附 录............................................................................................................................................... 40 第一章 绪 论 1.1 桥式起重机概述 桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。 普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。 起重机运行机构的驱动方式可分为两大类:一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮;另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。 起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。 桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。 箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹 第 1 页 板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。 偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。 四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其它结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。 空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部， 自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。 桥式起重机分类: 1) 普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离控制的。起重量可达五百吨，跨度可达60米。 2) 简易梁桥式起重机又称梁式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主梁是由工字钢或其它型钢和板钢组成的简单截面梁，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字梁的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上面的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂梁式起重机。 3) 冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作级别较高。主要有五种类型。 4) 铸造起重机:供吊运铁水注入混铁炉、炼钢炉和吊运钢水注入连续铸锭设备或钢锭模等用。主小车吊运盛桶，副小车进行翻转盛桶等辅助工作。 5) 夹钳起重机:利用夹钳将高温钢锭垂直地吊运到深坑均热炉中，或把它取出放到运锭车上。 6) 脱锭起重机:用以把钢锭从钢锭模中强制脱出。小车上有专门的脱锭装 第 2 页 置，脱锭方式根据锭模的形状而定:有的脱锭起重机用项杆压住钢锭，用大钳提起锭模;有的用大钳压住锭模，用小钳提起钢锭。 7) 加料起重机:用以将炉料加到平炉中。主小车的立柱下端装有挑杆，用以挑动料箱并将它送入炉内。主柱可绕垂直轴回转，挑杆可上下摆动和回转。副小车用于修炉等辅助作业。 8) 锻造起重机:用以与水压机配合锻造大型工件。主小车吊钩上悬挂特殊翻料器，用以支持和翻转工件;副小车用来抬起工件。 在设计过程中，结合起重机的实际工作条件，注意了以下几方面的要求: 整台起重机与厂方建筑物的配合，以及小车与桥架的配合要恰当。小车与桥架的相互配合，主要在于:小车轨距(车轮中心线间的水平距离)和桥架上的小车轨距应相同，其次，在于小车的缓冲器与桥架上的挡铁位置要配合好，小车的撞尺和桥架上的行程限位装置要配合好。小车的平面布置愈紧凑小车愈能跑到靠近桥架的两端，起重机工作范围也就愈大。小车的高度小，相应的可使起重机的高度减小，从而降低了厂房建筑物的高度。 小车上机构的布置及同一机构中各零件间的配合要求适当。起升机构和小车平面的布置要合理，二者之间的距离不应太小，否则维修不便，或造成小车架难以设计。但也不应太大，否则小车就不紧凑。 小车车轮的轮压分布要求均匀。如能满足这个要求，则可以获得最小的车轮，轮轴及轴承箱的尺寸，并且使起重机桥架主梁上受到均匀的载荷。一般最大轮压不应该超过平均轮压得20%。 小车架上的机构与小车架配合要适当。为使小车上的起升、运行机构与小车架配合得好，要求二者之间的配合尺寸相符;连接零件选择适当和安装方便。在设计原则上，要以机构为主，尽量用小车架去配合机构;同时机构的布置也要尽量使钢结构的设计制造和运行机构的要求设计，但在不影响机构的工作的条件下，机构的布置也应配合小车架的设计，使其构造简单，合理和便于制造。尽量选用标准零部件，以提高设计与制造的工作效率，降低生产成本。小车各部分的设计应考虑制造，安装和维护检修的方便，尽量保证各部件拆下修理时而不需要移动邻近的部件。总之，要兼顾各个方面的相互关系，做到个部分之间的配合良好。 第 3 页 本次设计为5t电动双梁桥式起重机设计，我在参观，实习和借鉴各种文献资料的基础上，同时在安老师的精心指导下及本组成员的共同努力下完成的。 1.2 桥式起重机金属结构设计参数 起重量Q: 5t 跨度S(L): 22.5 m 工作级别: A5 起升高度: 12m 起升速度: 11m/min 小车运行速度: 40 m/min 大车运行速度: 90m/min 小车自重: 2.6t 总重: 19.1t 第 4 页 第二章 总体设计 2.1桥架尺寸的确定 1111， B=()S=()22.5= 506~3.75m取B=4m; ~~04646 根据小车轨距和中轨箱型梁宽度以及大车运行机构的设置，取B=4m。 2.1.1主梁尺寸 11 主梁高度H=()S=1607.1~1323.5mm 取H=1500mm; ~111417 ,取腹板高度 h=H-2=1480mm; 10 腹板厚度 =6 mm; , ,翼缘板厚度 =10mm; 0 主梁B?(1/50~1/60)S=0.45~0.375m 且 H/B?3 取B=400mm。 1111 翼缘板宽度B=B+2 ,21+40=452mm; ，上下翼缘板相同，为10 mm452 mm。 2.1.2端梁尺寸 HH, 高度1/2=750mm; 12 腹板高度h=730mm; 2 B,B总宽=260mm，各板厚==8mm,b==260mm; ,022端梁长度S2取4000mm.; 主、端梁采用焊接连接，端梁为拼接式. 第 5 页 2.2 运行机构方案设计 2.2.1 大车运行机构的设计 由于本起重机跨度为22.5m，在起重机的常用跨度(10.5-32m),大车运行机构的传动方案采用分别驱动。其大车运行机构的布置方式如图2-1所示 图2-1分别传动的大车运行机构布置方式 1-电动机;2-制动器;3-带制动轮的半齿轮联轴器;4-浮动轴; 5半齿轮联轴器;6-减速器;7-全齿轮联轴器; 8-车轮 第 6 页 第三章 载荷计算 3.1主、端梁截面几何性质 3.1.1主梁截面几何性质 21 主梁 A=(452，10+1300，6)，2 =24640mm 惯性矩 32615001500，44 9452，，Ix=mm =2.21×mm10 1212 3210452452，484 13006I,，，，=mm=8.74×10mmY122 3.1.2端梁截面几何性质 2 端梁 A=(750×8+260×8)×2 mm 2 2 =16160 mm 惯性矩 328750750，84 8260，，，Ix==8.66×10mm2122 328260260，848750，，，Iy==2.15×10mm 2122 3.2 固定载荷 3.2.1梁自重:由[8]中公式7-26 1 (4-1) ,,hS,,,2()mG3 式中 h---梁的高度，单位mm δ---箱形梁的两块腹板厚度，单位 mm -33 ρ---钢材密度，取为Q235钢，密度为7.85×10g/ mm S---梁的 跨度,单位mm 第 7 页 β---构造系数。没有加劲肋时，β=1.0。有横向加劲肋时，β=1.2。 所以单根主梁的质量为 -31 =2×1500×12×7.85×10×22500×(1.2.0-) mG13 =5511kg 重量 =g=5511×9.8N=54004N; pmG1G1 单根端梁的质量为 -31 =2×750×16×7.85×10×4000×(1.0-) mG23 =502 kg 重量 =g=502×9.8N=4923N; pmG2G2 端梁均布载荷F均=4923/4=1230.75N/m。 3.2.2小车轨道质量 查[6] 中附表22 轨道选用轻轨15(线密度q=15kg/m)。 =Sq=1522.5=337.5kg ，m1 重量 =g=337.5×9.8=3307.5N PmGg1 3.2.3走台、栏杆等质量 =355kg m2 重量 =g=355×9.8N=3479N; PGZm2 半桥架总重量P=P+P+=60790.5N BQG1GgpGZ ; 半桥架总质量m=m+m+m=6203.5kgBGG112 主梁的均布载荷 60790.5PBQF===2701.8N/m; q S22.5 第 8 页 一组大车运行机构的重量:[6] 表7-3得 =4500N 重心作用位置=1.5m。 PlGj1 司机室重量:P=10000NGSl0，重心作用位置=2.8m。 3.2 小车轮压 m 起升载荷为 =g=49000N; PQQ 小车质量m=2600kg ; 小车自重 =25480N; pGX小车轮压:查书二表7-4得小车轮压为 ' ; P,24000N1 ' ; P,23000N2 空载轮压 P=P/4=6370N;GX 3.3 动力效应系数 起升冲击系数 ,1.1,1; 起升动载系数 ,，,,,vq22min2 式中 =1.10; =0.34; 起升速度 等于11m/min ; ,,vq2min2 11 所以 =1.10+0.34×=1.162 ,260 运行冲击系数 ,，1.10.058h,vy4 式中 =90m/min=1.5m/s;大车运行速度;H=1mm，轨道接头处两轨面高度vy 差; 所以 =1.1+0.0581.5=1.187 ; ，,4 第 9 页 3.4 惯性载荷 大小车都是4个车轮，其中主动轮占一半，按车轮打滑条件确定大小车运 行的惯性力 3.4.1一根主梁上的小车惯性力: 考虑起升动载系数，则小车轮压为 ,2 ' ; P,,P,27888N121 ' ; P,,P,26726N222 单根主梁上受到的总轮压=54614N。 P,，,PP12 3.4.2大车运行起制动惯性力 小车质量和总起升质量产生的水平惯性力 ;,m,aPH1 5 式中 ---动力效应载荷系数，查[8] 表3-4取为1.5; ,5 m=7600kg; 2 ---大车起制动平均加速度，为0.32m /s a1 P,,ma,1.5，7600，0.38,4332NH51; 由半桥架质量引起的水平惯性力 F,,ma,1.5，6203.5，0.32,2977.7NH51 主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略。 3.4.3小车起制动产生的水平惯性力 ' ,m,aPH25 2 式中 ---小车起制动时平均加速度，为0.25/s a2 所以 ;P,1.5，2600，0.25,975NH 第 10 页 3.5 偏斜运行侧向力 3.5.1满载小车在主梁跨中央 左侧端梁总静轮压按图3-1计算 图3-1、端梁总轮压计算 1d,,2，，pP，P，P，P1,，P，P= ,,R1QGXBQGSGjGd2S,, 12.8=(4900+25480)+60790.5+10000(1-)+4500+2600 222.5 =91836.1N; 22.5S由==5.6查得=0.11; ,4B1 11P，P,侧向力==0.11=5051N; ，91836.1S1R122 为水平侧向系数 , 3.5.2 满载小车在主梁左端极限位置 左侧端梁总静轮压为(应稍大于小车轴距，取为1.5m) e1 ed112P=()(1)(2)(1)pppppp，,，，,，，R2QGXQGsGjGdLL2 1.52.81-1- 22.522.5 =(49000+25480)()+60790.5+10000()+4500+2600 =146160.7N; 1P侧向力 = =8038.9 N。 P,S2R22 第 11 页 3.6扭转载荷 由于水平、垂直载荷对主梁截面的偏心作用，因而产生扭转载荷(如图 3-2)。(e=0.56m，=(500+91)mm=591mm=0.591m); h1 及梁端机电设备重力引起的外扭矩: 走台、栏杆的总重力PPGjGZ , m; T,(P，P)e,(3479，4500)，0.56,4468.24NZGZGJ 水平惯性力引起移动集中外扭矩: PH ' ; T,Ph,4332，0.591,2560.2N,mHH 图3-2、主梁载荷偏心作用 主梁受到的总扭矩为 。 T,T，T,7028.5N,mnHZ 第 12 页 第四章 主梁计算 4.1 内力 4.1.1垂直载荷 计算大车传动侧的主梁。在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计 算，如图所示4-1 图4-1、 主梁计算模型 主梁距左支座x处由固定载荷引起的弯矩为: ()L,,,2lFPFFGjGs0qq44 ,,，，,,xxxx(),xlMPGGs04222L 由移动载荷小车轮压的计算值和引起的支反力为: PP12 Lx,，()Lx,BC,， RPPp12LL 有移动载荷引起x截面的弯矩为: Lx,，()Lx,BC,,，xxx MRPPpp12LL 由移动载荷和固定载荷共同引起距左支座距离x处截面的弯矩为 L，L,,,lFPPqGjGs0BC44[],，,x，MPPGp，122LL(5-1) ，2FqPP12(),，，xlPGs,042L 将公式(5-1)对x求一次导数并使之为0，即 第 13 页 dMGp，,0 dx L，L,,,lFPPqGjGs0BC44[]，,，PP122LL可得 x, ，FqPP122()，2L 将所得x值代入公式(5-1)后，求的主梁的最大弯矩为: L，L,,,lFPPqGjGs0B2C44[]，,，PP12,=776056Nm; ，Gp2LL(),，，,llMPPmaxGjGs104，FqPP124()，2L M,即=776056Nm。 x 当小车一个车轮轮压作用在左支座处时，主梁跨端截面上有最大剪力，最P1 大剪力为: LL,L,FqlBC0(),，，，， =100743.6.N; ,FPPFFRGjGs124LL2 满载小车在跨中时，跨中下翼缘板下侧的剪切力为: b11F,,,P(1,)=21301N; p4S2 PB2C。 b,,0.6m1P，P12 4.1.2水平载荷 作用在主梁跨中的最大水平弯矩为: ''，pa1G,0.8 MMmaxmaxg; 2ams/ 式中 ----大车起制动时的平均加速度，为0.32; 1 2ms/ g----重力加速度，为9.8; ''p，G----主梁在垂直载荷作用下的最大弯矩，但不计算冲击系数和,Mmax4 动力系数;由下式计算得: ,2 第 14 页 L，L,FPqGjl''2PBGs0C[]PP，，,'12'，p2 =481484.7N; LLG,，，llMPPmaxGsGd01''PP，Fq124()，2L 因此可得主梁最大水平弯矩为: ''，pa1G,0.8= ,1257.8N,mMMMmaxmaxyg 1)水平惯性载荷: F及作用下，桥架按刚架计算。 在水平载荷PHH 11，K=4 ; b=K=2 ; a= (B-K)=1; 22 水平刚架计算模型示表图4-2 图4-2、水平刚架计算模型 ? 小车在跨中。刚架的计算系数为 2abI1r =1+=1.132; 13()abLI，2 跨中水平弯矩 2PLFL12HH==97105Nm; ，M(1)(1),，,H4283rr11 ? 小车在跨端。跨端水平剪切力为: Fe'H1 (1)FP,，,cHH2L =1350N; 2) 偏斜侧向力。在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平刚架分析(如图5-3) 第 15 页 图4-3、 侧向力作用下刚架的分析 a=1m;b=2m; 这时，计算系数为 r =1.3; s? 小车在跨端。侧向力为 P,15740; S1 超前力为 PBS1P2761=,N; ,2L端梁中点的轴力为 1N==1380.5N; Pd,22 端梁中点的水平剪切力为 111aP，= ()=8803.4(-)=3841N; ,Pd2S224，1.5032Krs 主梁跨端的水平弯矩为: PPM，，= a+b=8803.41+2937.4221500N.m; S2d2cs 主梁跨端的水平剪切力为 1FP=-==1380N; NPcs,2d,22主梁跨端总的水平剪切力为 FFF'，==8920N ; cHcHcs小车在跨端时，主梁跨中水平弯矩与惯性载荷的水平弯矩组合值较小，不需计 算。 第 16 页 4.2 强度 需要计算主梁跨中截面危险点1、2、3、4的强度 1)主腹板上边缘1的应力 Mx734807.7，0.912578，0.3Myy2x2= =; ，,49.1MPa，,,2,3II1.347，103.65，10x11y []/235/1.34175,,,,,nMPa ,ns; 式中 n=1.34，为安全系数，从[8] 表4-11查取; 2)主腹板上边缘点2的应力: 主腹板边至轨顶距离为 =313mm; hy 主腹板边的局部压应力为 ,P41 ,,m(250)，h,y1 1.187，24402 = ，，2，313，50，6 =7.1 M Pa。 垂直弯矩产生的应力为 Myx21091135，0.9,== 0x,2Ix1.347，10 =72.9M Pa; 水平弯矩产生的应力为 Mx274225，0.3y2,== =22.5MPa; 0y,33.65，10Iy 惯性载荷与侧应力对主梁产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，故不 计算 主梁上翼缘板的静矩为 S，，,BH,,=x0210/2 3=10652(900-10)/2 =0.011 m ×× 第 17 页 主腹板上边的切应力为 FS21301，0.01111000.6Tpxn==，Pa=2.28 M Pa; ,，,21.347，10，0.0122，1.1，0.006,,2IA,10x A主梁跨端封闭截面面积 0----------- ,,,点2的折算应力为=+=95.4MPa 00x0y 222295.4，3，2.28===95.4 M Pa[],=175 M Pa ,,,，3, n0 Mx27422.5，0.306y33)点3的应力为,=175MPa [],,,,,2.3MPay0,3I3.65，10y 腹板对y轴的静距为: 3 ，， S,,h300，,/2,0.0032mx3; FS21301，0.0032Px3,,,,1.56MPa x0,3,2I2，3.65，10，0.006y; T11000.6n,,,,0.9MPa n,2A2，1.1，0.0060; 222，，，，,,,，3,，,,2.3，31.56，0.9,3.4MPayxn300 4)点4处的局部弯曲应力: 翼缘板的实际载荷如图(5-4)所示: 根据轨道与翼缘板在力作用点处位移相等的变形协调条件，得接触支撑力: P1 F,296KbIFg1，33,a0 式中 a=700mm，为主梁小隔板间距; b=600mm，为主梁腹板间距; , =10mm。为主梁翼缘板厚度。 0 ,=0.1392，为计算系数，从[8] 中表7-5查取。 F 46mmI=2.24×10 ,轨道的惯性矩g 第 18 页 图4-4、翼缘板实际载荷图 24402 因此 F= =753.15N ; 2696，0.1392，600，2.24，101，33700，10 hb 小车轨道的高度=91mm，轨道底宽=76mm。 g1 250h，a 取翼缘板压力区长==2×91+50=232mm。 g1 2222 d=ab，=mm。 23276244，,11 ab/, 则k==232/76=3.05 ; d/b=244/6000.5 ; 11 KK查书一表7-6得:=0.871 ; =0.919; ab 则翼缘板上表面的局部弯曲应力: 753.15F0.871,， 纵向 ==-65.6MPa; ,,,Kaa,4210,0 753.15F0.919,， 横向 ==-69.2MPa; K,,,bb,4210,0 , 箱形梁翼缘板上表面还受整体弯曲应力: =95.4MPa; 0翼缘板受双向弯曲作用，应验算复合应力: 22=,,,,，，，,,,() ,，，aabb00 22(95,4,65.6)，69.2，69.2(95.4,65.3) = 第 19 页 =88.1MPa,[],=175MPa n 轨道与翼缘板之间的接触压应力不大，一般不需演算。 横隔板是轨道的支承，当小车轮位于横隔板顶上时，隔板受最大轮压，轨道 的接头应尽量位于横隔板处。 4.3 主梁稳定性 4.3.1 整体稳定性 h1500 主梁高宽比==3.75(稳定); b400 4.3.2 局部稳定性 452b0 翼缘板==56.5>50，需加纵向加劲肋; 8,0 40b 翼缘板最大外伸部分==5,15 (稳定); 8,0 h8000腹板 ==133.3,320，需要设置横向加劲肋; ,6 第一条设置在距腹板受压边h=(0.15~0.2)h=120~160mm取h=150mm; 101 第二条设置在距腹板受压边h=(0.3,0.4)h=240~320mm取h=300mm 202 第 20 页 第五章 端梁计算 端梁截面已初步选定，现进行具体计算 端梁计算工况取满载小车位于主梁跨端，大小车同时运行起制动及桥架偏斜 5.1 载荷与内力 5.1.1垂直载荷 Ba端梁按修改的钢架尺寸计算，=1.4m, a=1 m, b=2 m, K=2b=4m, B=6 m, =0.5 01 m。a=0.2 2 F主梁最大支承力=97837N ; R F因作用点的变动引起的附加力矩为零; R Fq端梁自重载荷为=/B,606.4N/m; 1PGg 端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图5-1 端梁支反力为 1FF=+=97837+0.5×1.187×1486×4 ,FqBvdR412 =101365 N。 图5-1、 垂直载荷下端梁的计算 第 21 页 截面1-1 'KB1B20M弯矩 =--FF，，,Fq()Mx1Rvd41R2222 26414,, ==202730N.m; 101365，,97837，,，1.187，1486，，97837,,2222,, F剪力 =0; v1 截面2-2 12弯矩 M=a-，，，,FFqaa()Mx2vd411R 2 2 =101365×1,0.5×1.187×1486(1，0.5)，97837 =197217.6N.m; F,Fqaa()，剪力 =- Fv2411vd =101365,1.187×1486(1，0.5)=98719N.m。 截面3-3 M弯矩 =0; x3 F,Fqa剪力 =- =101365,1.187×1486×0.5=100483N.m。 Fv3411vd 5.2水平载荷 PFP 端梁的水平载荷有、、、等，亦按简支梁计算，如图所PHHs2xg示5-2 截面1-1 因作用点外移引起的附加水平力矩为 Pxg xM==5439×0=0N.m; P1xgxg M弯矩 =a=5439×1=5439N.m; Py1xg P,P=5439N。 ,xg其中 2，4 第 22 页 . 图5-2、 水平载荷下端梁的计算 剪切力 F ==8803.4N; PH1s2 轴力 N==5212N; FdcH 截面 2-2 在、、、水平力作用下，端梁的水平支反力为 PFPPHs2Hxg =++ FFPPHdRHs2xg =8135+8803.4+5439 =22377.4N。 水平剪切力 F==22377.4N; FH2Hd 弯矩为 M=a=22377.4×1.09=24391.4Am 。 Fy2H2 其他内力小，不计算 截面1-1的应力计算需待端梁拼接设计合格后方可进行(按净截面) 截面 2-2 第 23 页 截面角点 MxMyy1x1= ,，IIxy 113512306.518469.2235，， = ()，MPa0.97191.7757 =38.2MPa <[],=175MPa。 n 截面3-3 端梁支承处为安装大车轮角轴承箱座而切成缺口并焊上两块弯板 h，8mm130mm),端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8mm,弯板两个垂f直面上都焊有车轮组定位垫板,弯板参与端梁承载工作，支承处截面如图所示 5-3。 1)形心 Ay,ii y= 1A 847019628184100281302，，，，，，，，，， = 84702818428130，，，，，，， =118.4mm。 图5-3 端梁支承处截面 惯性矩为 ;64I，=58.610mm x 第 24 页 3中轴以上截面静矩 S=8×184×(205+4)=307648mm 3 S上翼缘板静矩 =8×470×(81.6-4)=291776mm1 3 S下翼缘板静矩 =8×260×(118.4-4)=237952mm2 腹板中轴处的切应力为 FS88873.337648，6RH3,= ==29.5MPa ，10f62,I256.6108，，，x [],<=100 M Pa。 ,nf ，，端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度(20.78mm=11.2 mm)比腹板厚度 (8mm)大，故焊缝不需验算，截面3-3的水平弯矩小，忽略不计 5.3 疲劳强度 端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用 5.3.1 弯板翼缘焊缝 验算截面3-3的弯板翼缘焊缝 满载小车在梁跨端时，端梁截面3-3的最大剪切力为 FF==88873.3N; maxRH3 空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为 PP1BQ'G2，，，()PPF, GXQvd242 132830.5，26239.5，，(25480，49000)，= 42 =22356.3N。 这时端梁截面3-3相应的剪切力为 'F,Fa==22356.3-1309.2×0.265=22009.4N; Fminq11vd 弯板翼缘焊缝的应力为 FS88873.3237952，max2, = ==16.1MPa。 max6，，，hI40.740.7858.610，，，，fx 第 25 页 FS22009.4，237952min2,===3.99MPa ; min6，，，hI40.74，0.7，8，58.6，10fx 3.99,min,===0.24 ; ,16.1,max K按查的=133 M Pa，取拉伸式 [],0,1 1.67133，1.67[],,1= = =234.8 M Pa [],rl133[],,11(1)0.2812,,,,r1(1)0.45370，0.45,b [],234.8rl[],===166 M Pa; r22 ,16.1max==0.097,1.1;合格。 []166,r 5.3.2 端梁中央拼接截面 根据端梁拼接设计，连接螺栓的布置形式已经确定，可只计算受力大的 翼缘板拼接截面1-1的内力为 ==113895.2N. M。 MMx1max 空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为 P111BQFr'= ==45291.25N。 ，，()PP，60790.5，(25480，49000)GXQ2424这时的端梁支反力为 'F,Fa==44161.25-1309.2×0.265=43814.3N; Fminq11vd 端梁拼接截面1-1的弯矩为 BKB'1'20'= M,,FFq()Fminr1vd2222 1.42=44161.25×—42519.75×0.7-1309.2×1.5 2 =63622.4N. M。 翼缘板的平均应力(按毛截面计算)为 第 26 页 'My113895.2，306.5max===35.5 M Pa。 ,MPayI0.9717x 翼缘板传递的内力为 ，，,A= =35.58470=133480N。 Nyyy 端梁拼接处翼缘板面上布置有4-mm的螺栓孔，翼缘板净截面积为 ,21 2，，=(470-421)8=3110 mm Af 应力 Ny==133480/3110=42.9MPa,[], ,nmaxAf 63622.4,Mminmin====0.559,0。 ,113895.2M,maxmax 可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据A7和Q235及带 W[],孔板的应力集中等级，查得=101 M Pa。 2,1翼缘板拉伸疲劳需用应力为 1.67，1221.67[],,1= = =219.5 M Pa [],rl122[],,11,(1,)，0.268,,r1(1)0.45，3700.45,b [],,,maxrl。若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些 腹板应力较小，不再计算 5.4 稳定性 5.4.1整体稳定性 750h==2.89,3 (稳定); b260 5.4.2局部稳定 第 27 页 b 翼缘板 /δ=452/8=56.3,60 (稳定); 0 h腹板 /δ=480/8=60<80。 0 故不需要设置加劲肋。 5.5 端梁拼接 端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板 8mm470mm450mm及8mm440mm腹板用单面拼接板mm，，，，4708mm470mm-4)mm,精制螺栓选用M20mm,拼接构造及螺栓布置如图(5，，570 所示 图5-4、 端梁拼接构造 5.5.1内力及分配 满载小车在跨端时，截面1-1的内力为 剪力 =0; Fv1 第 28 页 2M*a2*86180.5*1.09===52478N.m; MB0x11.4 2*(1082，883)*1.092(FH，PH)a==My1B01.4 =1196.6N.m; 端梁的截面惯性矩为 94I=0.971910 mm ，x 94 =1.775710 mmI，y 腹板对x和y轴的总惯性矩为 84 =2.83710 mmI，fx 84 =1.384310 mmI，fy 翼缘对x和y轴的总惯性矩为 84 =6.881710 mmI，yx 84 =16.37210 mmI，yy 弯板分配 I2.837fxM: 腹板 ==N.m; MM52478.615513，,fxx1x1I9.719x I6.8817yxM 翼缘 ===36965.6N.m; M52478.6，yxx1I9.719x I1.3843fyMMM: 腹板 = ==93.1N.m; 1196.6，y1fyy1I17.758y I16.372yyMM 翼缘 = ==1102.7N.m; 1196.6，yyy1I17.758y水平剪切力分配 剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为 1F= =6915N; F1H12 第 29 页 =470×6=2720 mm; Ay =597×8=4786; Af 轴力分配 轴力按截面积分配 一块翼缘板受轴力 Ay'===735.9N; NNdyA 一块腹板受轴力 Af'===579.3N; NNdfA 5.5.2翼缘拼接计算 由产生的翼缘轴力为 Myx 3M36965.610，yx''===61100N; Ny,,6138,h0 一块翼缘板总的轴力为 '''N=+=579.3+61100=61679.3N; NNyyy 拼接缝一边翼缘板上有5个螺栓，一个螺栓受力(剪切力)为 N61679y===10335.9N; PyN5n 由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为 Myy 1'MM==551.4Nm; yyy2 h300拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为= =3，可按窄 b100 ;2222xx连接计算=150 mm , =4(50+150)=100000 mm ,1i 翼缘板角点螺栓的最大内应力为: 第 30 页 '3Mx551.410150，，y1===827.1N Py11000002x,i 角点螺栓顺梁轴的内力和为 F=+=827.1+10335.9=13163N; PPNy1yN F水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为 1 F616951F===1383 N; s5n 角点螺栓的合成内力为 l2222===13235 N; RFF，131631383，Nsy 选精制螺栓M20mm,孔d=21mm, =8mm; ,一个螺栓的许用承载力为 22,d,，21ll剪切[]===96981N; Pn[]20.8[]，，,,j,j44 ll，[]Pd,,[]承压 [],==2181.8=52920 N; ，,cc ll (合格)。 R[]P,yc 5.5.3腹板拼接计算 由对腹板产生的轴力为 Mfy 3M93.110，fy'===222.7N; Nfb4108，，, 一块腹板总轴力为 ''N=+=222.7+735.9=968.6N; NNfff 焊缝一边腹板螺栓平均受力，一个螺栓受力为 N968.6fP===60.5N; fN16m M腹板垂直弯矩由两腹板承受，一块腹板的弯矩为 fx 第 31 页 1'==7757N.m; MMffx2 h550拼接缝一边腹板上螺栓的布置尺寸为==5.5,3，属窄式连接 b100 y=550mm; 1 22222y=110+330+550=423500mm ,i 腹板角点螺栓的最大内力为 '3My775.710550，，f1===5037N; P5037f12423500，22y,i 腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为 l=+=60.5+5037=5097.5N; PPPff1fN 单剪螺栓的许用承载力 2,，21l，，[]P=10.8175=48490.6 N; ，j4 ll (仍属合格)。 []PP,fj 5.5.4端梁拼接接截面1-1的强度 因拼接处螺栓孔减少了截面惯性矩，需用净截面验算强度 同一截面中各板的螺栓孔对x和y轴的惯性矩为: 2Idy,=,xdi 22222，，，=218[8(307-4)+4(55+165+275+385)] 84，=2.94110 mm 22284，218[4(50150)16184]，，，，I==1.0780510 mm yd 端梁拼接处净截面惯性矩为: 8884 II=-=9.71910-2.94110=6.77810 mm，，，Ix0xxd 第 32 页 8884=-=17.75710-1.07810 =16.67910mm II，，，Iy0yyd 全部板材的螺栓孔截面积为: 。2A=21×8×(8+10)=3024mm ,d 拼接处净截面积为: A=A- Ad0,d =470×8×2+597×8×2-3024 。2 =14048 mm端梁拼接处强度为; MxMyNy1xd1,= ，，IIAxyd000 524783071196.62352630.4，，= ，，886.7781016.6791014048，， [],=24.2MPa (合格). ,n 显然，垂直载荷产生的应力是主要的。 端梁计算中，载荷齐全，个别取值偏大，如小车运行惯性力仅由一侧端梁承受 等，实际上要比计算结果小些。 第 33 页 第六章 主梁和端梁的连接 主、端梁采用连接板贴角焊缝连接，主梁两侧各用一块连接板与主、 hh端梁的腹板焊接，连接板厚度=8mm，高度=0.95=0.95mm,，,613=5821d =580mm，主梁腹板与端梁腹板之间留有20,50的间隙，在组装桥架时取h1 用来调整跨度。主梁翼缘板伸出梁端套装在端梁翼缘板外侧，并用贴角焊缝 h(=8 mm)周边焊住。必要时可在主梁端部内侧主、端梁的上、下翼缘处f 焊上三角板，以增强连接的水平刚度，承受水平内力，连接构造示于表图6-1 图6-1、主梁与端梁的连接 主梁最大支承力为=86180.5N; FR 连接板需要的焊缝长度为 1.2FR，10= lf20.7[]，h,fh 1.286180.5，= ，1020.78100，，， =102.3mm. 实际 (足够) hl,1f 主、端梁的连接焊缝足够承受连接的水平弯矩和剪切力，故不再计算. 第 34 页 第七章 刚度计算 7.1桥架的垂直静刚度 满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为 P,2b3 = [(3)]LLb,,Y482EIx 3244655，22500,0.5，1000(3，22500,1000),, = 5948，2.06，10，2.5307，10 22500(符合要求). 2.3mm,[Y],,30mm750 7.2桥架的水平惯性位移 33PLFL534HHX= (1)(1),，，,4843845EIrEIr1111 3PLF534HH= [(1)(1)],，，,48485EIrPr111H 5*108243*(1,)1352，2250038*13525*1.1342=*[(1-)+ 594*1.134248，2.06，10，22509，10 L22500=0.27 mm=11.25mm(符合要求). ,[X]==20002000 7.3垂直动刚度 起重机垂直动刚度以满载小车位于桥架跨中的垂直自振频率来表征，计 算如下 m主梁质量 =2075kg; G1 全桥架中点换算质量为 mmm=0.5(2)+=2075+355=2430kg; 1Gx 起升载荷 P=78400N; Q 第 35 页 起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为: HH，,2l==10+2-2=10 m. qrr 桥式起重机的垂直自振频率为 1gf= v，，,,,2()(1)y00 19810= ,，，2(16.7336.9)(10.083) []2f,Hz(合格) =2.07,v 7.4水平动刚度 起重机水平动刚度以物品高度悬挂，满载小车位于桥架跨中的水平自振 频率来表征。 半桥架中点的换算质量为 m()mmm，，=0.5 eGx2 =0.5(2075+355+355) =2785kg. 半主梁跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为 3L3,= (1),e484EIr11 3，1352165003，(1-)= 59，，，，，482.0610225091041.1342=0.000068mm/N. 桥式起重机的水平自振频率为 11f= H,,m2ee 11000= ,，24646.50.000068 []1~2f,=8.95HZ,HZ(合格), H 第 36 页 第八章 桥架拱度 8.1桥架跨度中央的标准拱度值为 L22500f===22.5mm; 010001000 y考虑制造因素，实取=1.4=23.1 mm; f00 24a跨度中央两边按抛物线曲线设置拱度，如图所示8-1 yy,，,(1)02L 图8-1、 桥架的拱度 La1)距跨中为=的点 18 2L4，64=21.56mm; y,，,,，,23.1(1)23.1(11/16)12L La2)距跨中为= 的点 24 2L4，16=17.3mm; y,，,,，,21.5(1)21.5(11/4)22L 3La3)距跨中为= 的点 38 29L4，64y,，,,，,21.3(1)23.1(13/16)=18.8mm(合格). 32L 因此，桥架结构设计全部合格。 第 37 页 致 谢 我在两个月的时间，结合了大学三年所学的专业知识，同时查阅了大量起机专业的相关资料，以及起机教研室各位老师的帮助指导，特别是安林超老师的大力指导和帮助。使我对起重机械的设计有了新的较系统的认识。特别是对起重机金属结构有了较深刻的了解。 在近两个月的课程设计即将完成之际，衷心的向帮助过我，鼓励过我的老师，同学们表示感谢。 首先要感谢在此次设计中给与我全程细心指导的安老师。由于本人学识水平和设计经验的缺乏，在设计的开始阶段，遇到了很多棘手的问题，在后来的设计绘图过程中，又暴露很多实际的画图问题，自己毫无经验。安老师的及时耐心有效的指导，才使我能顺利、如期的完成毕业设计。安老师渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任感和对我们时时刻刻的关怀之心，都深深的感染着我。、 感谢同组的同学对我的帮助。 最后，向课程设计评审委员会的各位老师表示崇高敬意和衷心感谢。 第 38 页 参考文献 [1] 武良臣,王裕清，赵俊伟.无心轴新型托辊的研制.煤矿机械，1996(4):37-38 [2] 上海交通大学王殿臣，倪庆兴主编。起重输送图册--起重机械.北京:机 械工业出版社，1992 [3] 管彤贤，潘力行. 起重机典型结构图册，北京:人民交通出版社.1990. [4] 张质文. 起重机设计手册，北京:中国铁道出版社，1997. [5] 王殿臣，倪庆兴. 起重输送图册-上册-起重机械，北京:机械工业出版社 61992. [6] 陈道南, 盛汉中. 起重机课程设计(第二版)，北京:冶金工业出版社.1993. [7] 刘鸿文. 力学(第四版)，北京:高等教育出版社.2003. [8] 徐格宁. 机械装备金属结构设计(第二版)，北京:机械工业出版社.2009. [9] 徐格宁主编.机械装备金属结构设计.北京:机械工业出版社，2009.3. [10] 大考主编，《起重机械》，郑州:郑州大学出版社，1999. 第 39 页 附 录 在近两个月的课程设计学习中，我学到了许多关于起重机的非常有用的知识。现对这3个月的学习进行以下总结: 首先，在前期的设计计算过程中，温习了以前所学的所有相关知识，特别是起重机金属结构方面的专业知识，并对所学的知识进行了巩固。在设计计算的过程中，碰到了一些疑难问题和自己以前没有注意到的知识点，在指导老师的耐心指导和讲解，同时经过自己的不懈努力，最终顺利的解决了这些问题。在规定的时间内完成了前期计算和设计工作。 其次，在绘图过程中采用多种绘图方法。通过手工绘图，使我对手工绘图基本功有了进一步的加强，同时对手工绘图的技巧更加熟练。通过运用AUTOCAD绘图软件绘制CAD图形，是我熟练掌握了AUTOCAD的使用方法和技巧，特别是快捷键的应用。这使我能够高质量、快速的完成自己的绘图任务。 在这次起重机金属结构设计过程中，我查阅了大量的相关资料，掌握了许多新知识和新方法，使自己的专业知识得到了一定的扩充，特别是一些课本上没有介绍的知识。我对目前的起重机的发展情况以及以后的发展有了进一步的认识，并掌握一些最新技术和设计理论。 在设计的过程中，也发现了设计存在的一些问题。由于缺乏相关的生产实践知识，自己的设计与实际生产有冲突，在实际生产或加工有难度。因此在以后的工作和学习中需注意细节问题。 通过这次课程设计，使我收获颇多。在设计中培养了大家的团队合作精神，遇到问题大家集体讨论进行解决。这对于即将走向工作岗位的新人是一个很好的和锻炼，同时这次设计将对今后工作和学习打下坚实的的理论知识基础。 第 40 页