t,跨度28.5m,双梁桥式起重机金属结构设计说明书.doc

太原科技大学课程设计说明书计算项目设计计算内容计算结果太原科技大学课程设计说明书题 目：中轨 25t/28.5m,双粱桥式起重机金属结构设计设 计 人： 王 尧 学 号： 200712031218 指导教师： 杨瑞刚 王文浩 学 院： 机械电子工程学院 专 业： 起重运输机械 班 级： 机自071212班 2011年 3 月 12 日1) 大车轴距 2) 主梁尺寸3) 主、端梁界面1） 截面尺寸1) 固定载荷2) 小车轮压3)动力效应系数4) 惯性载荷5)偏斜运行侧向力 6)扭转载荷7)端梁总轮压计算简图1) 垂直载荷2)水平载荷2) 强度3) 主梁疲劳强度1)载荷与内力2)强度3)端梁疲劳强度4)稳定性5）端梁拼接 1)桥架的垂直刚度2)桥架的水平刚度3)垂直动刚度4)水平动刚度第一章 桥式起重机金属结构设计参数表1-1 设计参数起重机类型双梁桥式起重机工作级别A4轨道放置中轨起重量(t)25t小车质量(t)8.8t跨度S (m)28.5m起升高度H (m)12m起升速度(m/min)13m/min小车速度(m/min)44m/min大车速度(m/min)85m/min小车轮距 b (m)2.5m吊钩最小下放距离(m) 2m钢丝绳倍率 n8第二章 总体设计1.桥架尺寸的确定 大车轴距的大小直接影响大车运行状况，常取：=（）S=（）28500 mm=40715700 mm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=5000 mm。2.主梁尺寸 (1) 主梁在跨度中部的高度h。 由式(7-24)1估算： 当小跨度时取较大值，大跨度时取较小值。 求得的梁高通常作为腹板高度，为下料方便，腹板高度一般取尾数为0的值。 取腹板高度 (2) 腹板和翼缘板厚度。 腹板厚度通常按起重量量决定： 主、端梁翼缘板厚度 ，通常上、下翼缘板厚度相等。查表7-11知：翼缘板厚度 =12 mm查表7-2知：端梁头部下翼缘板厚=16 mm上翼缘板与中部下翼缘板板厚=12 mm 端梁腹板厚度 =8 mm (3) 两腹板内壁的间距b。 验算： 且 同时，根据焊接施工条件的需要， 即： b取值合理。(4) 上、下翼缘板的宽度。 (5) 端梁高度。主梁总高度 =+2=1824 mm端梁高度应略大于车轮直径。(6) 主梁端部变截面长。 主梁端部变截面长取 d= 4350 mm。 3.主、端梁采用焊接连接，端梁为拼接长，桥架结构与主、端梁界面见图1及图2。图1 双梁桥架结构 图2 主梁与主梁支承截面的尺寸简图 4.端梁截面尺寸的确定。 (1) 起重机的总质量3（包括主梁、端梁、小车、大车运行机构、司机室和电气设备等），可由下式估算： 查表3-8-12知： 而，工作级别估算大车轮压 故：选车轮组的尺寸，轨道型号。车轮组最大许用轮压为15t。若车轮材料用ZQ50MnMo，车轮轴用45，HB=228255时，最大许用轮压提高20%。(2) 查表3-8-10得：车轮组尺寸，。 (3) 对较大起重量得起重机，为增大端梁水平刚度和便于主、端梁连接，通常比大50100 mm左右，但给制造带来不便。 (4) 端梁中部上、下翼缘板宽度。 5.端梁与端梁支承截面处的的尺寸简图(见图3)图3 端梁与端梁支承截面处的尺寸简图第三章 主、端梁截面几何性质1.主梁截面主梁截面积： 惯性矩：2.端梁截面 端梁截面积：第四章 载荷1.自重载荷主梁自重均布载荷： 小车轨道重量(P43)： 查附表201得：轨道理论质量44.75 N/m。栏杆等重量： 主梁均布载荷：2.小车轮压起升载荷为： 小车自重： 假定轮压均布，查表4-2得：小车轨距 K=2400 mm。满载小车轮压：空载小车轮压：3.动力效应系数=1.1(HC2)=1.1+0.34Vq =1.1+0.3413/60 =1.174=1.1+0.058 =1.1+0.05844/601 =1.143通常安装公差要求,接头高度差。4.惯性载荷大小车都是4个车轮，其中主动轮各占一半，按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力。一根主梁上的小车惯性力为：大车运行起、制动惯性力（一根主梁上）为：主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略。5.偏斜运行侧向力 小车左轮至跨度极限位置。一根主梁的重量力为：一根端梁单位长度的重量为：考虑大车车轮直径以及其他相关零件，取。一根端梁的重量为：一组大车运行机构的重量（分别驱动两组对称配置）为：查表7-32得：，重心作用位置。司机室及设备的重量为：重心作用位置到主梁一端的距离大约取2.8m 。(1)满载小车在主梁跨中央一侧端梁总静轮压为：由=28.5/5=5.7及图3-9用插值法求得：=0.1425。侧向力为：(2)满载小车在主梁左端极限位置侧向力为： 6.扭转载荷中轨梁扭转载荷较小，且方向相反，可忽略。故在此不用计算。7.端梁总轮压计算简图见图4图4 端梁总轮压计算第五章 主梁计算1.内力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5所示。图5 主梁计算模型固定载荷作用下主梁跨中的弯矩=（）=1.143() =686058.44 跨端剪切力 =1.1435523.0128.5+8000+19620（1-） N =119323.84 N移动载荷作用下主梁的内力轮压合力与左轮的距离为：(1)满载小车在跨中.跨中E点弯矩为：跨中E点剪切力： （1-） = N =90592.78 N跨中内扭矩为：=0(2)满载小车在跨端极限位置（z=）.端梁剪切力:=（） =1.143（28.5-1.25-1.2）N =173206.75 N主梁跨中总弯距为：=+ =686058.44+977508.58 =1663567.02 主梁跨端总剪切力(支承力)为：=+ =119323.84+173206.75 N =292530.59 N水平载荷1）水平惯性力载荷在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。,。水平刚架计算模型示表图6。图6 水平刚架计算模型小车在跨端。刚架的计算系数为：跨中水平弯矩为：= = =跨中水平剪切力为：=5921.04 N跨中轴力为：= = N =41992.00 N小车在跨端。跨端水平剪切力为：= = N =16445.69 N2)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7）图7 侧向力作用下刚架的分析这时，计算系数为：小车在跨中。侧向力为：= =25498.03 N 超前力为： = N =4473.34 N端梁中点的轴力为：=2236.67 N端梁中点的水平剪切力为：= =25498.03（-）N =2338.65 N主梁跨中的水平弯距为：= =25498.031.3+2338.651.2-2236.67 =4081.27主梁轴力为： =25498.03-2338.65 N =23159.38 N主梁跨中总的水平弯矩为：= =64876.53+4081.27 =68957.8 小车在跨端。侧向力为：=35279.58 N超前力为：= = N =6189.4 N端梁中点的轴力为：=3094.7 N端梁中点的水平剪切力为：=（） =35279.58（-）N =3235.80 N主梁跨端的水平弯矩为：=a+b =35279.581.3+3235.801.2 =49746.41 主梁跨端的水平剪切力为：=- =6189.4-3094.7 N =3094.7 N主梁跨端总的水平剪切力为：= =16445.69+3094.7 N =19540.39 N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.2.强度需要计算主梁跨中截面（如图2所示）危险点、的强度。(1)翼缘板上边缘与轨道接触点的应力主腹板边至轨顶距离为：=140+12 mm=152 mm集中载荷对腹板边缘产生的局部压应力为： = MPa= 44.61 MPa垂直弯矩产生的应力为：= = MPa =61.80 MPa水平弯矩产生的应力为：=0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。 假定剪力由腹板承受，弯矩由翼缘板和腹板共同承受且按惯性矩分配。点的折算应力为：=+=61.80 MPa= = MPa =55.25 MPa=175 MPa(2)点的折算应力为：= = MPa =67.13 MPa =175 MPa(3)点的折算应力为： 主梁上翼缘板的静矩：主腹板下边的切应力为： (4)主梁跨度的切应力主梁跨端截面变小，以便于主端梁连接，取腹板高度等于=910 mm。跨端只需计算切应力。1)腹板承受垂直剪力，故腹板中点切应力为：2)翼缘板承受水平剪力主梁翼缘焊缝厚度取=6 mm，采用自动焊接，不需计算。3. 主梁疲劳强度桥架工作级别为A7,应按载荷组合计算主梁跨中的最大弯矩截面（E）的疲劳强度。由于水平惯性载荷产生的应力很小，为了计算简明而忽略惯性力。求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中(轮压在E点上)，则=1663567.02 N.m空载小车位于右侧跨端时（如图8）。图8 主梁跨中（E）最小弯矩的计算左端支反力为：= = =14252.04 N= =686058.44+1.14314252.040.5（28.5-1.25） =908010.80(1)验算腹板受拉翼缘板焊缝的疲劳强度(见图9)。= = =60.99 MPa= = =33.29 MPa图9 主梁截面疲劳强度验算点应力循环特性=0.54580根据工作级别E4，应力集中等级及材料Q235，查得，=370 MPa。焊缝拉伸疲劳需用应力为：= = =282.37 MPa=60.99 MPa (2)验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处。= = =58.28 MPa= = =31.81 MPa=0.54580显然，相同工况下的应力循环特性是一致的。根据E4及Q235，横隔板采用双面连续贴角焊缝连接，板底与受拉翼缘间隙为50 mm，应力集中等级为K3，查得=103.7 MPa。拉伸疲劳许用应力为：= = =218.07 MPa=58.28 MPa50，不满足要求。故需在受压翼缘板内侧轨道正下方设置一条纵向加劲肋，不再计算。腹板 =300故需设置横隔板及两条纵向加劲肋，主副腹板相同，其设置如图10。图10 主梁加劲肋设置及稳定性计算横隔板间距a=1800 mm，纵向加劲肋位置：=（0.15-0.2）=270-360 mm取=350 mm=（0.3-0.4）=540-720mm取=700 mm(1)验算跨中腹板上区格的稳定性。区格两边正应力为： =61.80 MPa=61.80+5.08 MPa=66.88 MPa= = =42.85 MPa=0.641 （属不均匀压板）区格的欧拉应力为：= （b=300 mm）=54.72 MPa区格分别受、和作用时的临界压应力为=嵌固系数为=1.2，=5.1431,屈服系数 =4.825 则=1.24.82554.72 =316.83 MPa0.75=176.25 MPa需修正，则=（） = =207.11 MPa上翼缘板局部压应力 =44.61 MPa集中载荷的分布长度：c=2+50 =2152+50 mm =354 mm=5.1433，按a=3b计算，=3=0.337区格属双边局部压缩板，板的屈曲系数为：= = =2.198= =1.22.19854.72 MPa =144.33 MPa0.75 不需修正。区格平均切应力为：= = =4.194 MPa由=5.1431，板的屈曲系数为=5.491= =1.25.49154.72 MPa =360.58 MPa=624.52 MPa需修正，则= = =220.58 MPa=127.51 MPa区格上边缘的复合应力为： = =59.43 MPa 通常梁的腹板同时受有弯曲压应力，切应力和局部压应力的作用，应验算腹板区格在复合应力作用下的局部稳定性。其临界复合应力按式(7-79)计算：= =93.90 MPa许用应力：= (见表4-11，查得：n=1.48) = =63.45 MPa即 区格的尺寸结构与相似，而且应力较小，故不再验算。(2)加劲肋的确定。 横隔板厚度，板中开孔尺寸为600 mm1500 mm。翼缘板纵向加劲肋选用角钢75756，A=879.7 mm2, ，。 纵向加劲肋对翼缘板厚度中线的惯性矩为：= =845500+879.7（75+0.512-20.7）mm4 =898545.91 mm4 为简化计算，采用近似公式(7-89)： 腹板采用相同的纵向加劲肋选用75756。纵向加劲肋对腹板厚度中线的惯性矩为：= =845500+879.7（75+0.56-20.7）mm4 =895906.81 mm4 = 第六章 端梁的计算 端梁截面已经初步确定，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。1.载荷与内力垂直载荷端梁的尺寸计算如下：=5m, =5.5m，a=1.3m, b=1.2m, K=2b=2.4 m, =0.25m, =0.18m。主梁最大支承力=292530.59 N。因作用点的变动引起的附加力矩为零=0。端梁自重载荷为= 2034.38 N/m。端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图11。图11 垂直载荷下端梁的计算端梁支反力为：=+ =292530.59+ N =298925.15 N截面1-1弯矩：=- = =387483.64 剪力 =0截面2-2弯矩：=a- =298925.151.3-0.5 =385809.43 剪力：=- = =295320.94 N截面3-3弯矩：=0剪力： =- =- =298343.83 N截面4-4（沿着竖直定位板表面）弯矩：- = =53779.63 剪力： =- = =297925.27 N水平载荷端梁的水平载荷有、等，亦按简支梁计算，如图所示12。图12 水平载荷下端梁的计算截面1-1。因作用点外移引起的附加水平力矩为：=0。弯矩：=a =11842.071.3 =15394.69 刚架水平支反力：= = =10595.97 N=3235.80 N.剪切力：+=10595.97+3235.80 N =13831.77 N轴力：=19540.39 N截面 2-2。在、水平力作用下，端梁的水平支反力为：=+ =10595.97+35279.58+11842.07 N =57717.62 N水平剪切力：=57717.62 N弯矩为：=a =57717.62 1.3 =75032.91 截面3-3。水平剪切力： =57717.62 N其他内力小，不计算。2.强度截面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的截面角点：= = =88.82 MPa =175 MPa腹板边缘：= = =84.61 MPa =175 MPa翼缘板对中轴的静矩为：= =14.01 MPa折算应力为：= =88.02 MPa=175 MPa截面3-3及4-4。端梁支承处两个截面很近，只计算受力稍大的截面4-4。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（16 mm185 mm）。端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8 mm,支承处高度400 mm，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板（20 mm90 mm410 mm）,弯板参与端梁承载工作，支承处截面（3-3及4-4）如图所示13。图13 端梁支承处截面形心：= =210.14 mm惯性矩为:中轴以上截面静矩：上翼缘板静矩：下翼缘板静矩： 截面4-4。腹板中轴处的切应力为：即：=100 MPa因静矩，可只计算靠弯板的腹板边的折算应力，该处正应力为： = = =19.88 MPa切应力为：折算应力为：= = =76.47 MPa =175 MPa （合格）假设端梁支承水平剪切力只由上翼缘板承受，不计入腹板。上翼缘板切应力为：即：端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度（20.78 mm=11.2 mm）比腹板厚度（6 mm）大，故焊缝不需验算，截面4-4的水平弯矩小，忽略不计。3.端梁疲劳强度端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用。(1) 弯板翼缘焊缝验算截面4-4的弯板翼缘焊缝。满载小车在梁跨端时，端梁截面4-4的最大弯矩和剪切力为：=53779.63 =297925.27N空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为： = =104774.84 N这时端梁截面4-4相应的弯矩和剪切力为：= = =18671.39 弯板翼缘焊缝的应力为： = = =30.45 MPa=10.62 MPa根据E4和Q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查的 =62.2 MPa，=370 MPa。= = =0.34710焊缝拉伸疲劳需用应力为：= = =132.73 MPa=0.3488 0按查的=193.5 MPa，取拉伸式：= = =305.85 MPa=216.27 MPa =0.042 0可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据E4和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=127.5 MPa。翼缘板拉伸疲劳许用应力为：= = =232.18 MPa即：若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些。腹板受力较小，不再计算。4.稳定性整体稳定性 =3 （稳定）局部稳定性翼缘板 =29.17 60 （稳定）腹板 =110.75故只需对着主梁腹板位置设置四块横隔板，隔板厚度=8 mm，隔板间距。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8 mm400 mm410 mm及8 mm340 mm410 mm腹板用单面拼接板8 mm400 mm840 mm,精制螺栓选用M20 mm,拼接构造及螺栓布置如图所示14。图14 端梁拼接构造(1)内力及分配满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为：=387483.64 N.m，剪力 =0=15394.69 N.m，=13831.77 N=19540.39 N端梁的截面惯性矩为：=2.911109 mm4=5.721108 mm4腹板对x和y轴的总惯性矩为：翼缘对x和y轴的总惯性矩为：弯板分配: ： 腹板 = =123433.04 翼缘 = =264090.53 ： 腹板 = =12224.80 翼缘 = =3708.07 水平剪切力分配，剪力由上、下翼缘板平均承受。一块翼缘板所受的剪切力为：= =6915.885 N轴力分配，轴力按截面积分配。一块翼缘板受轴力：= = =4003.11 N一块腹板受轴力：= = =5767.08 N(2)翼缘板拼接计算由产生的翼缘轴力为：= =294755.60 N一块翼缘板总的轴力为：=+ =4003.11+294755.60 N=298758.71 N拼接缝一边翼缘板上有8个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为：= =37344.8 N由上、下翼缘板平均承受。一块翼缘板的水平弯矩为：=1854.04拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为：= =3，可按窄式连接计算。=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2翼缘板角点螺栓的最大内应力为：= = =2781.05 N角点螺栓顺梁轴的内力和为：=+ =2781.05+37344.8 N =40125.85 N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：=5015.73 N角点螺栓的合成内力为：= = =40438.12 N选精制螺栓M20，孔径，拼板厚8mm。一个螺栓的许用承载力为：剪切： = = =96981 N承压： = =2181.8 =52920 N 即：3，属窄式连接。, 腹板角点螺栓的最大内力为：= = =14026.48 N腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为=+ =2494.66+14026.48 N =16521.14 N单剪螺栓的许用承载力：=10.8 =48490.6 N即：1.05=50915 N （仍属合格）(4)端梁拼接净截面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：=端梁拼接处净截面惯性矩为：=- =2.911109-5.772108 mm4 =2.334109 mm4=- =5.721108-2.568107 mm4 =5.464108 mm4全部板材的螺栓孔截面积为：=21816+21128 mm2=4704 mm2拼接处净截面积为：=A- =24016-4704 mm2 =19312 mm2端梁拼接处强度为：= = =82.33 MPa （足够）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。第八章 刚度计算1.桥架的垂直刚度满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为：= = =15.63 mm =35.625 mm2.桥架的水平惯性位移= = =2.412 mm =14.25 mm3.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：主梁质量： =15820.24 kg全桥架中点换算质量为：=0.5（2）+=15820.24+8800 kg=24620.24 kg起升质量：=25000 kg起升载荷： =g=245250 N起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为：=12+2-2=12 m桥架跨中静位移为：= = =11.56 mm起升钢丝绳滑轮组的静伸长为：=10.49 mm式中：钢丝绳型号为 。 结构质量影响系数为：= = =0.02759桥式起重机的垂直自振频率为：= = =3.312 Hz Hz （合格）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：=0.5 = =24810.12 kg半主梁跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为：= = =0.00013393 mm/ N桥式起重机的水平自振频率为：= = =2.761 Hz Hz （合格）第九章 桥架拱度桥架跨度中央的标准拱度值为：=28.5 mm 为抵消自重等载荷产生的挠度，设置上拱度。考虑制造因素，实取=1.4=39.9 mm。跨度中央两边按抛物线曲线设置拱度，如图所示16。图16 桥架的拱度距跨中为=的点=37.41 mm距跨中为= 的点=29.93 mm距跨中为= 的点=17.46 mm至此，桥架结构设计全部合格。参考文献1 徐格宁主编.机械装备金属结构设计.北京:机械工业出版社，2009.32 陈道南，盛汉中等.起重机课程设计.北京:冶金工业出版社，1993.103 张质文，包起帆等.起重机设计手册.北京:中国铁道出版社，19974 太原科技大学.起重机械(内部使用).2010=5000 mm =6 mm=12 mm=16 mm=12 mm=8 mm取b=900 mm取=950 mm取=1824 mm取=910 mmd= 4350 mm.G= 34.62 t大车车轮直径：取整：B3=250 mmB2= 350 mm取整：B4= 410 mmA =44400 mm2=2.4551