5t电动单梁桥式起重机的设计

密级：内部5 吨电动单梁桥式起重机的设计5-ton electric single girder overheadcrane design学院：机械工程学院专 业 班 级：机自0602学号： 060101037学 生 姓 名：邵帅指 导 教 师：台立钢（讲师）I2010年 6月 28日摘要随着经济建设的迅速发展，我国的基础建设力度正逐渐加大，道路交通，机场，港口，水利水电，市政建设等基础设施的建设规模也越来越大，市场桥式起重机的需求也随之增加。起重机是工矿企业、车站码头、实现搬运机械化、自动化，提高劳动生产效率的重要设备。它是以间歇、重复工作方式，通过取物装置的起升、下降与运移来实现物料搬运的设备。国内起重机多已采用计算机优化设计 , 以此提高整机的技术性能和减轻自重 , 并在此前提下尽量采用新结构。电动单梁起重机主要由桥架、电动葫芦、大车运行机构、电气备四大部分成。桥架部分主要由主梁、横梁、小车导电支架、操纵室以及其他辅件组成。主梁主要采用钢板拼接成 U 型，再与工字钢组焊成箱型实腹梁，并按照标准预制出相应的拱度；横梁是采用钢板焊接成箱型，在箱型梁上镗孔以安装车轮组；在主梁和横梁之间采用连接板形式，并用螺栓联结而成为一体。本文通过对5 吨电动单梁桥式起重起的整体研究，和校核计算，进一步进行主梁的设计，大车运行机构的设计，端梁的设计等，最后用CAD绘制成图。关键词： 5 吨电动单梁桥式起重机；主梁设计；大车运行机构；端梁设计IIAbstractWith the rapid development of economic construction, Chinas infrastructure is gradually increase the intensity, road traffic, airports, ports, water conservancy and hydropower, municipal construction of infrastructure such as the scale of construction is also growing, crane market demand with the increase.Crane is the mining industry and the station terminal to achieve removal of mechanization and automation to improve labor productivity vital equipment. It is intermittent, repetitive work, through extracts from the device up, down and transport to achieve material handling equipment.China has used computer optimized multi-crane design, thus improving the machines technical performance and reduce weight, and in this context as far as possible the new structure.Bridge is mainly composed of girder beams, car, conductive stents, control room and other auxiliary parts. Mainly USES the steel plate girder u-shaped, then becomes real choices and compound type crate, according to standard and abdominal beam prefabricated corresponding arch, Using steel welding beam is in the box, type a crate of beam to install wheel, boring, In between girder and beams, and by connecting plate forms looseness and become one.Based on the overall study of 5-ton electric single girder overhead crane , check calculation is given, the design of main beam, end beam and carts running mechanism, is made further, and finally the drawings are output with CAD.Keywords: 5-ton electric single girder overhead crane； design of the main beam ； design of carts running mechanism；end beam designI II目录摘要.IIAbstract .III第一章 绪论 .11.1起重的工作特点及在国民经济中的地位.11.2国内起重机发展趋势 .21.2.1改进起重机械的结构 , 减轻自重 .21.2.2充分吸收利用国外先进技术 .21.2.3向大型化发展 .31.3国外起重发展趋势 .31.3.1简化设备结构 , 减轻自重 , 降低生产成 .31.3.2更新零部件 , 提高整机性能 .41.3.3设备大型化 .41.3.4机械化运输系统的组合应用 .4第二章5 吨电动单梁桥式起重机的工作级别 .52.1起重机利用等级 .52.2起重机的载荷状态 .62.3起重机工作级别的确定 .7第三章5 吨电动单梁桥式起重机的主梁计算 .83.1主梁断面的几何特性 .83.1.1主梁断面面积 .83.1.2主梁断面水平形心轴位置 .83.1.3主梁断面惯性距 .93.2主梁强度的计算 .103.2.1垂直载荷在下翼丝引起的弯曲正应力 .103.2.2主梁工字钢下翼局部弯曲计算 .113.2.3工字钢下翼缘局部弯曲应力计算 .123.2.3主梁跨中断面当量应力计算.14第四章刚度计算 .154.1垂直静刚度的计算 .154.2水平静刚度计算 .154.3动刚度计算 .16第五章端梁的计算 .17I5.1轮距的确定 .175.2端梁中央断面几何特性 .175.2.1断面总面积 .185.2.2形心位置 .185.2.3断面惯性矩 .185.3起重机最大轮压 .195.3.1起重机支承反力作用 .195.3.2起重机最大轮压的计算 .205.4最大歪斜侧向力 .235.5端梁中央断面合成应力 .235.6车轮轴对端梁腹板的挤压应力 .24第六章主、端梁连接计算 .256.1主、梁连接形式及受力分 .256.2螺栓拉力的计算 .256.2.1起重机歪斜侧向力矩的计算 .256.2.2歪斜侧向力矩对螺栓拉力的计算 .256.2.3起重机支承反力对螺栓的作用力矩 .266.2.4支反力矩对螺栓的拉力 .276.2.5验算螺栓强度 .276.2.6凸缘垂直剪切应力验算 .286.2.7凸缘挤压应力计算 .28第七章 结论 .29参 考 文 献 .30致谢 .31II沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第一章绪论1.1 起重的工作特点及在国民经济中的地位起重机在国民经济中的地位物料搬运在整个国民经济中有着十分重要的地位 , 提高起重运输机械的生产效率 , 确保运行的安全可靠性 , 降低物料搬运成本是十分重要的 1 。据统计在美国每百元工业产品成本中 , 物料搬运费用要占 2025美元 ,美国某厂生产流程中物料搬运所用的工时占总生产周期的 80%。英国每年用于工厂及工地物料搬运的费用高达 10 亿英磅 , 相当于全国工资支出的九分之一。 1974 年英国工业部下属的物料搬运费用调查委员会曾对30 家公司进行调查指出 : “工序间的物料搬运费用占加工费的12%以上 ,如果加上工序内和工厂外的搬运费用估计要达到成本的20%25%” 2 。前苏联用于运输的费用每年高达867 亿卢布 , 其中装卸费用为 217亿卢布 ,占总运输费用的四分之一 3 。德国 Demag公司也曾作过详细调查 ,证实物料搬运费用占生产费用的45% ( 工序间物料搬运占30% ,工序内的物料搬运费用占 15% ) 4 。起重机是工矿企业、车站码头、实现搬运机械化、自动化，提高劳动生产效率的重要设备。起重机是以间歇、重复工作方式，通过取物装置的起升、下降与运移来实现物料搬运的设备 5 。起重机的工作特点，可概括如下：（1）起重机通常都具有庞大的金属结构和比较复杂的机构，能完成一个或几个升、下降和水平运动，作业过程中常常是几个不同方向的运动同时操作，技术难度较大。（2）所吊运的物料多种多样，载荷是变化的，重达成百上千吨，长则几十米至上百米，形状很不规则，还有散粒、液体. 热融，易燃、易爆，强酸碱等危险品，使吊运过程复杂而危险。（3）大多数起重机需要在较大范围内运行，活动空间较大，危险面也增大。（4）暴露的，活动的零部件较多，且常与吊运作业人员直接接触（吊钩、钢丝绳等），潜在着许多偶发的危险因素。1沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）（5）作业环境复杂：工矿企业、码头、车站、建筑工地等场所都有起重机在运行，作业场所还常会遇到高温、高压、易燃、易爆、输电线路、强磁场、暴风雨等危险因素，这些都会对设备及人员构成威胁。（6）作业人员常需多人配合，存在较大难度，要求驾驶、指挥、司索等作业 6 人员熟炼配合，协调工作，互相照应。1.2 国内起重机发展趋势1.2.1 改进起重机械的结构 , 减轻自重国内起重机多已采用计算机优化设计, 以此提高整机的技术性能和减轻自重 , 并在此前提下尽量采用新结构。 如 550t 通用桥式起重机中采用半偏轨的主梁结构 , 与正轨箱形梁相比 , 可减少或取消主梁中的小加筋板 , 取消短加筋板 , 减少结构重量 , 节省加工工时。目前国家星火计划提出桥架采用四根分体式不等高结构 , 使它在与普通桥式起重机同样的起升高度时, 厂房的牛腿标高可下降115m; 两根主梁的端部置于端梁上, 用高强度螺栓连接; 车轮踏面高度因此下降 , 也就使厂房牛腿标高下降 7 。在垂直轮压的作用下 , 柱子的计算高度降低 , 使厂房基建费用减少 , 厂房寿命增加。1.2.2 充分吸收利用国外先进技术起重机大小车运行机构采用了德国Demag 公司的“三合一”驱动装置 , 吊挂于端梁内侧 , 使其不受主梁下挠和振动的影响 , 提高了运行机构性能与寿命 , 并使结构紧凑 , 外形美观 , 安装维修方便。随着国内机械加工能力的提高 , 大车端梁和小车架整体镗孔成为可能 , 因而 45剖分和车轮组或圆柱形的轴承箱将有可能代替角形轴承箱 , 装在车轮轴上的车轮轴孔中心线与端梁中心线构成标准的 90, 于是车轮的水平和垂直偏斜即可严格控制在规定范围内 , 避免发生啃轨现象。由于小车架为焊后一次镗孔成形 , 使四个车轮孔的中心线在同一平面内 , 故成功地解决了三点落地的问题。起升机构采用中硬齿面或硬齿面的减速器 , 齿轮精度达到 7 级, 齿面硬度达到 320HB, 因而提高了承载能力 , 延长了使用寿命。电气控制方面吸收消化了国外的先进技术 ,采用了新颖的节能调速系统。如晶闸管串级开环或闭环系统,调整比2沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）可达 1 30 7 。随着对调速要求的提高 , 变频调速系统也将使用于起重机上。同时 , 微机控制也将在起重机上得到应用 , 如三峡工程 600t 坝顶门式起重机要求采用变频调速系统 , 微机自动纠偏 , 以及大扬程高精度微机监测系统。遥控起重机随着生产发展需要量也越来越大 , 宝钢在考察了国外钢厂起重机之后 , 提出了大力发展遥控起重机的建议 , 以提高安全性 , 减少劳动力 8 。1.2.3 向大型化发展由于国家对能源工业的重视和资助 , 建造了许多大中型水电站 , 发电机组越来越大。特别是长江三峡工程的建设对大型起重机的需要量迅速上升。三峡电厂需要 1200t 桥式起重机 ,2000tm 大型塔式起重机 9 。目前在建设中的大、中型水电站还有很多 , 例如广西岩滩、龙滩、清江隔河岩、福建水口电站等等 ; 还有很多核电站和大、中型火力发电厂需要建设 , 可以预计 , 大吨位高性能起重机的需要量是非常大的 10 。纵观国内外起重机的动态与发展 , 前景广阔。1.3 国外起重发展趋势1.3.1 简化设备结构 , 减轻自重 , 降低生产成本芬兰 Kone 公司为某火力发电厂生产的起重机就是一个典型的例子。 其中起升机构减速器的外壳与小车架一端梁合二为一 , 卷筒一端与减速器相连 , 另一端支撑于小车架的另一端梁上 11 。定滑轮组与卷筒组连成一体 , 省去了支撑定滑轮组的承梁 , 简化了小车架的整体结构。同时 , 小车运行机构采用三合一驱动装置 , 即减轻了小车架和小车的自重。副起升机构为电动葫芦置一台车上 , 由主起升小车牵引。小车自重的减轻使起重机主梁截面亦随之减小 , 因而整机自重大幅度减轻。国内生产的 75 20t、3115m 跨度起重机自重 94t, 而 Kone 公司生产的8020t、2914m 跨度起重机自重只有 60t。法国 Patain 公司采用了一种以板材为基本构件的小车架结构 , 其重量轻 , 加工方便 , 适用于中、轻级中小吨位的起重机12 。该结构要求起升机构采用行星 圆锥齿轮减速器 , 不直接与车架相连接 ,以此来降低小车架的刚度要求 , 减化小车架结构 , 减轻自重。Patain 公司的起重机大小3沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）13车运行机构采用 “三合一 ”驱动装置 , 结构较紧凑 , 自重较轻 , 简化了总体布置。1.3.2 更新零部件 , 提高整机性能法国 Patain 公司采用窄偏轨箱形梁作主梁, 其高、宽比为 4315 左右 , 大筋板间距为梁高的2 倍 , 不用小筋板。主梁与端梁的连接采用搭接方式, 使垂直力直接作用于端梁上盖板, 由此可降低端梁的高度, 便于运输。在电控系统上该公司采用涡流联轴器和涡流制动器多电机调速系统, 可实现有载及空载的有级或无级调速 , 其工作原理图如附图。变频调速在国外起重机上已开始应用,ABB 公司、日本富士、奥地利伊林公司已广泛采用。该调速方案具有高调速比 , 甚至可达到无级调速 , 并可节能等优点。另外 , 遥控装置用于起重机在国外也已普遍化 , 特别是在大型钢铁厂的广泛使用。1.3.3 设备大型化随着世界经济的发展, 起重机械设备的体积和重量越来越趋于大型化, 起重量和吊运幅度也有所增大, 为节省生产和使用费用, 其服务场地和使用范围也随之增大。例如新加坡裕廊船厂要求岸边的修船门座起重机能为并排的两条大油轮服务 , 其吊运幅度为 105m, 且在 70m 幅度时能起吊 100t; 我国三峡工程中使用的 1200t 桥式起重机就对调速要求很高, 为三维坐标动态控制。1.3.4 机械化运输系统的组合应用国外一些大厂为了提高生产率 , 降低生产成本 , 把起重运输机械有机的组合在一起 , 构成先进的机械化运输系统 14。日本村田株式会社尤山工厂在车间中部建造了一个存放半成品的立体仓库 , 巷道式堆垛机按计算机系统规定的程序向生产线上发送工件。堆垛机把要加工的工件送到发货台 , 然后由单轨起重小车吊起 , 按计算机的指令发送到指定工位进行加工。被加工好的工件再由单轨起重小车送到成品库。较大型工件由地面无人驾驶车运送 , 车间内只有几个人管理 , 生产效率很高。德国 Demag 公司在飞机制造厂中采用了一套先进的单轨或悬挂式运输系统 , 大大减化了运输环节。 将所运物品装入专用集装箱内 (有单轨系统的轨道 )由码头运至工厂 , 厂内的单轨系统与集装箱内的轨道对接 , 物品进入厂房 , 并由单轨运输系统按计算机的指令入库或进入工位 , 实现门对门的运输 15 。4沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第二章 5 吨电动单梁桥式起重机的工作级别2.1 起重机利用等级起重机在有效工作期间有一定总工作循环数，起重机作业的工作循环是从准备其吊物品开始到下一次其吊物品为止的过程。工作循环次数表征起重机的利用程度，是起重机分级的基本参数之一。确定适当的使用寿命时要考虑经济，技术和环境等因素，同时还要考虑设备老化的影响。16工作循环次数除了可根据经验确定，还可根据下式进行计算：Q3600 Y B H3600 25 265 44.77 105 次（2-1 ）T200式中 : Y 起重机的使用寿命以年计算，与起重机的类型、用途、环境、技术、经济因素有关。由于本设计为 5 吨，参见起重机设计手册不同类型起重机使用寿命表 ) ，可知桥式起重机选用Y=25年。B 起重机一年中的工作天数，取 B=265天。H 起重机每天工作小时数，取 H=4小时。T 起重机一个工作循环的时间，设定为 T=200 秒。根据以上计算所得出的数据，Q4.77105 ( 次)参见起重机设计手册起重机利用等级表，如表2-2 所示，可以选择起重机的利用等级为 U 5 ，起重机的使用情况为，经常中等的使用。5沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）2-2 起重机利用等级利用等总的工作循起重机使用利用等总的工作循起重机使级环次数 N情况级环次数 N用的情况U01.610 4U5U13.210 4U6U26.310 4不经常使用U 7U31.2510 5U8U 42.5105U95 10 5经常中等1 10 5不繁忙用2 1054 10 5繁忙使用4 1052.2 起重机的载荷状态载荷状态是起重机分级的另一个基本参数，它表明起重机的主要机构起升机构受载的轻重程度。载荷状态与两个因素有关：一个是实际起升载荷Q1 ，与额定起升载荷 Qmax 之比，令一个是实际起升载荷 Q1 的作用次数 N1，与工作循环次数 N 之比。此次设计根据实际情况及单梁起重机实际的使用情况，可根据表2-3 选择KQ =0.25 ，即有时起升额定载荷, 一般起升中等载荷。6沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）表 2-3 起重机的载荷状态及其名义载荷谱系数K Q载荷状态名义载荷谱系数说明Q1 轻0.125很少起升额定载荷，一般轻载Q2中0.25有时起升额定载荷，一般中等载荷Q3 重0.5经常起升额定载荷，一般重载Q4特重1.0频繁的起升额定载荷2.3 起重机工作级别的确定划分起重机的工作级别， 示为了对起重机金属结构和机构设计提供了合理的基础，它能使起重机胜任它需要完成的工作任务，起重机的工作级别使根据起重机的利用等级和起重机的载荷状态而确定，根据起重机设计手册中，起重机工作级别的划分，可以确定，此单梁桥式起重机的工作级别为A5 。7沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第三章 5 吨电动单梁桥式起重机的主梁计算3.1 主梁断面的几何特性根据资料，初步给出主梁断面尺寸如图3.1 。查得 /28a 普型钢工字钢（ GB706-65）的尺寸参数： h=280mm;b=122mm;d=8.5mm;t=13.7mm;F1 =55.45mm;q1 =43.4kg/m;J z =7114mm4J y =345mm43.1.1 主梁断面面积F 0.5(l 121 ) 11h22l 2F1l 3（3-1 ）0.5(4020.5)20.54020.525.555.45110.51 5 1(cm 2 )3.1.2 主梁断面水平形心轴位置y1Fiyix（3-2 ）Fi式中： Fi主梁断面的总面积（ cm2）；Fiyix各部分面积对3）；轴的静距之和（ cmyix各部分面积形心至轴的距离（ cm）。0.5(4020.5)79.7520.54060y120.525.531.555.45 15110.50.5 37(cm)1518沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）3-1 主梁跨中断面图1压制成型的 U 型槽钢； 2 加劲隔板；3斜侧板； 4 工字钢； 5 补强钢板3.1.3 主梁断面惯性距J zJziFi yi2（3-3 ）390.53390.542.75220.540320.540232121220.517.4320.525.55.7 2711455.4522 210.51312 cos471210.5136.52111545(cm4 )9沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）J yJ yiF1 X i20.53922400.5320.54019.75220.519 3121212 sin 4720.525.5102345110.531221849(cm4 )3.2 主梁强度的计算这种结构形式的起重机的特点 , 可以不考虑水平惯性力对主梁造成的应力 , 及其水平平面内载荷对主梁的扭转作用也可以忽略不计。对于活动载荷的轮距很小，可以近一集中的载荷来计算，验算主梁跨中断面弯曲正应力和跨端断面剪应力。跨中断面弯曲正应力包括梁的整体弯曲应力和小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲应力两部分，合成后进行强度校核。梁的整体弯曲在垂直平面内按简支梁计算。在水平面内按刚接的框架计算。3.2.1 垂直载荷在下翼丝引起的弯曲正应力y1PLK G操 lK q L21J z42（3-4 ）8式中： PQ KG葫其中： G额定起重量， Q 5000kg；G葫电葫芦自重， G葫 500kg；动力系数，对中级工作类型1.2 ；K冲击系数，对操纵室操纵时K1.1 ；10沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）y1 主梁下表面距断面形心轴 xx 的距离， y1 37cm； J z 主梁跨中断对 xx 轴惯性矩， J z 111545cm4 ；l 操纵室重心到支点的距离， l 100cm；G操 操纵室重量， G操 400kg；q 桥架单位长度重量（ kg/m）q=1000Fq 其中： F主梁断面面积， F=0.0151m2材料比重，对钢板7.85t/m 3q 主梁横加筋板的重量所产生的均布载荷，q =7.5kg/m 。所以：37(1.25000)(1.1500)16501.14001001.11.2616501428111545 1060(kg/cm 2 )3.2.2 主梁工字钢下翼局部弯曲计算1. 计算轮压作用点位置及系数i=a+c-e（3-5 ）式中： i 轮压作用点与腹板表面的距离c 轮缘同工字钢翼边缘之间的间隙，取c 为 0.4cm,a=b d12.2 0.8525.675cm2e=0.164R; 对于普通工字钢，缘翼表面的斜度为1/6R 葫芦走轮踏面曲率半径，可从葫芦样本查出R 为 17.5cme=0.16417.5 2.87cm所以： i=5.675+0.4-2.873.205cm= i3.2050.57a5.67511沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）3.2.3 工字钢下翼缘局部弯曲应力计算图 3-2 工字梁图 3-2 中 1 点横向局部弯曲应力由下公式计算11 K1 P轮（3-6 ）t 0 2式中：1 翼缘结构形式系数，贴板补强时取0.9 ；K1 局部弯曲系数，查3.3 得 K1 为 1.9t0 =t+其中： t 工字钢翼平均厚度， t 取 1.37cm；补强板厚度，为 1cm；t02 （ 1.37+1 ） 25.61cm 2 。所以： 10.9 1.91900579(kg / cm2 )5.61图 3-2中 1 点纵向局部弯曲应力由下公式计算12沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）2 1 K2 P轮（3-7 ）t 02式中： K 2 局部弯曲系数，查图 3.3得 K 2 为 0.6 。所以：2 0.9 0.6 1900183(kg / cm2 )5.61图 3-2 中 2 点纵向局部弯曲应力由下式计算3 2 K3 P轮（3-8 ）t 02式中： K3 局部弯曲系数，查3.3 得 K 3 为 0.4 ；2 翼缘结构形式系数，贴板补强时取 1.5 。所以：3 1.5 0.4 1900203(kg / cm2 )5.6113沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）图 3-3局部弯曲系数曲线图3.2.3主梁跨中断面当量应力计算图 3-2 中 1 点当量应力当1 ，由下面公式计算：2（2（）(3-9)当112）2z1z 5792(1831060) 2579(1931060) 1077(kg/cm 2 )