l型门式起重机设计 毕业设计

学士学位论文L型门式起重机设计姓名尤林学号201115120261指导教师张姗学院机电工程学院学校代码10904专业机械设计制造及其自动化完成日期2015年4月20日学士学位论文L型门式起重机设计姓名尤林学号201115120261指导教师张姗学院机电工程学院专业机械设计制造及其自动化完成日期2015年4月20日摘要本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对门式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先用估计的门式起重机各结构尺寸数据对起重机的强度、疲劳强度、稳定性、刚度进行粗略的校核计算，待以上因素都达到材料的许用要求后，画出桥架结构图。然后计算出主梁和端梁的自重载荷，再用此载荷进行桥架强度和刚度的精确校核计算。若未通过，再重复上述步骤，直到通过。由于门架的初校是在草稿中列出，在设计说明书中不予记录，仅记载桥架的精校过程。设计中参考了各种资料,运用各种途径,努力利用各种条件来完成此次设计本设计通过反复斟酌各种设计方案,认真讨论,不断反复校核,力求设计合理通过采取计算机辅助设计方法以及参考前人的先进经验,力求有所创新通过计算机辅助设计方法,绘图和设计计算都充分发挥计算机的强大辅助功能,力求设计高效。关键词L型门式起重机校核许用应力ABSTRACTTHISDESIGNUSESADESIGNBYSTRESSMETHODANDCOMPUTERAIDEDDESIGNMETHODOFGANTRYCRANEMETALSTRUCTUREDESIGNPROCESSTOUSEESTIMATESOFGANTRYCRANESTRUCTURESIZEDATAOFCRANESTRENGTH,FATIGUESTRENGTH,STABILITYANDSTIFFNESSOFROUGHCALCULATION,THESEFACTORSHAVETOBEREACHEDMATERIALSXUREQUIREMENTS,DRAWBRIDGESTRUCTURETHENCALCULATETHEMAINBEAMANDSIDEBEAMWEIGHTLOAD,ANDTHENLOADTHEBRIDGETHISEXACTSTRENGTHANDSTIFFNESSCALCULATIONIFNOTPASSED,REPEATTHEABOVESTEPS,UNTILTHETHEDOORFRAMEISFIRSTLISTEDINTHEDRAFT,NORECORDINTHEDESIGNMANUAL,SIZINGPROCESSONLYRECORDSTHEBRIDGEDESIGNREFERENCEALLKINDSOFINFORMATION,USINGVARIOUSMEANS,TOUSEAVARIETYOFCONDITIONSTOCOMPLETETHEDESIGNTHISDESIGNBYREPEATEDLYCONSIDERINGVARIOUSDESIGNOPTIONS,SERIOUSDISCUSSION,REPEATEDLYCHECK,ANDSTRIVETODESIGNREASONABLEBYTAKINGTHEADVANCEDEXPERIENCEOFTHECOMPUTERAIDEDDESIGNMETHODANDWITHREFERENCETOTHEFORMER,ANDSTRIVETOINNOVATETHROUGHCOMPUTERAIDEDDESIGNMETHOD,DESIGNCALCULATIONANDDRAWINGCANGIVEFULLPLAYTOTHECOMPUTERSPOWERFULAUXILIARYFUNCTION,ANDSTRIVETODESIGNEFFICIENTKEYWORDSLTYPEGANTRYCRANECHECKALLOWABLESTRESSCOMMENTM1目录第1章总体方案设计11基本参数和已知条件212材料选择及许用应力2第2章门架的设计计算21门架主要尺寸确定3211主梁几何尺寸和特性3212主梁几何特性3213支腿总体尺寸3第3章载荷计算31门架的计算载荷8第4章内力计算41主梁的内力计算12411垂直面内的内力12412水平载荷引起的主梁内力1642支腿的内力计算18421门架平面内的支腿内力计算18422支腿平面内的支腿内力计算22第5章强度计算51主梁的强度验算27511弯曲应力验算27512主梁剪应力的验算27513主梁扭转剪应力的验算2852支腿的强度验算29第6章门架的刚度计算61主梁的刚度计算3162支腿静刚度计算3163主梁动刚度计算39COMMENTM2目录字号改第7章门架的稳定性计算71主梁的稳定性3872支腿的稳定性4173支腿上下法兰盘上的螺栓计算42第8章主梁的拱度和翘度第9章整机抗倾覆稳定性校核91非工作状态下空载制动4592工作状态下空制动45921工作状态下大车满载制动4693工作状态下小车满载制动46参考文献47致谢48引言L型门式起重机是桥式起重机的一种变形，它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两个L型支腿，可以直接在地面轨道上行走，主梁两端可以有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高，作业范围大，适应面广，通用性强等特点门式起。L型门式起重机的制造安装方便，受力情况好，自身质量较小，但是，调运货物通过支腿处的空间相对小一些。本次毕业设计的题目是32吨的单梁门式起重机结构设计，本次设计是为了配合专业课的教学工作而进行的，是对起重机金属结构的设计一次良好的实践和学习的机会，也是对起重机完整认识的一个学习过程。通过此次毕业设计，要求我们毕业生对起重机的金属结构的设计、焊接、制造工艺流程、技术要求等有一定的了解和掌握。本设计书编写时引用了教材机械装备金属结构设计（第一版，徐格宁主编，机械工业出版社，2008）的有关内容。第1章总体方案设计11基本参数和已知条件起重量32/5T跨度30M起升高度11/12M工作级别A5起升速度74/198M/MIN大车运行速度459M/MIN小车运行速度39M/MIN小车自重1187T臂长（右悬臂长度）10006MM大车轮距8500MM小车轮距3500MM吊钩左极限5000/6950MM（主/副）吊钩右极限5000/3050MM（主/副）12材料选择及许用应力根据总体结构采用箱形梁，主要采用板材及型材。主梁、端梁均采用Q235钢，二者的联接采用螺栓连接。材料许用应力及性质取11MPAN176325MPA175取1200取13PAH12375HPA12第2章门架的设计计算21门架主要尺寸确定门架的主要构件有主梁、支腿和下横梁，皆采用箱形结构。主梁截面如图所示，其几何尺寸如下16001850224015402010图21主梁的截面尺寸211主梁几何尺寸和特性高度H1/151/25S1/151/25301200MM2000MM取腹板高度H2270MM,宽度068BH06082270MM13621816MM取BS1850MM，BX1600MM,腹板厚度8M1102其他板厚10M4203其余尺寸H2240MMB1540MM212主梁几何特性截面积A240810610852933202M形心1792041603715736880X7320MM1792041603713032510Y8805MM惯性矩33332270216010481792070316081XI4108M33332221790810620728523591YI4M1083213支腿总体尺寸支腿几何图形如图22所示，参考同类型起重机，采用“L”型支腿，确定总体几何尺寸如下图22支腿的计算简图805HM；M；M；M；M135204H3150420H；H513800M；2H；L1160M；L7M；B26LA853M计算门架内力时，取计算高度21HH40583M9计算支腿平面内力时，取H058H支腿界面尺寸及几何特性支腿截面尺寸如图23所示，其几何特性为15121400131281416（A）AA截面BBB截面图23支腿界面尺寸A截面；43270CMXI416970CMYAI43179CMWAX61WAYB截面；40328CMIX41950CMIBY31859CXBW1956WBYCOMMENTM3图编号折算惯性矩；420958CMIZX418572CMIZY下横梁截面尺寸如图所示，其截面几何特性为75012555501010121275YCCC截面图24支腿界面尺寸C截面；43178926CMZI4132CMYCI3518CMYCWCW系数21LKH12式中主梁绕轴惯性矩；2IX41857ZYCM支腿折算惯性矩；第3章载荷计算31门架的计算载荷3105LQHGQ1025346有悬臂通用门式起重机支腿总质量约为MT0709MGMG为有悬臂的主梁总质量6634T0709MGMG3491T3902T取36T主梁的单位长度质量Q3600098/5001275N/MM32小车轮压单主梁小车有两个垂直车轮轮压32XCGQP2计算轮压）（012GPXCJ由第二章，动力系数可按下式计算280V01Q2取，则5247321897JP48651169N243255845NJ33小车制动引起的惯性力小车制动时的惯性力受限于小车车轮与轨道的粘着力，即33VPFXGCOMMENTM4式中粘着系数，F150FV主动车轮轮压带入数据得32866995N。34大车制动时的惯性力大车制动时的惯性力也受限于车轮与轨道的粘着力主梁自重引起的惯性力34BGPHFABQDG1）（789507436QDGN在本设计中，大车车轮总数为8，主动车轮数为2货物自动和小车自重引起的惯性力若取作用在处XCDGPH35BGQP210HFAFXCXCDG）（7895070413540679N支腿自重引起的惯性力支腿自重T28TG36LBFV1T1TDG）（P78906205N6主梁自重引起惯性力化成均布载荷371QDGQDG2LP0596387M4N35风载荷1）作用于货物的风载荷当Q32T时A18238ACPIQIFFQ1752501878575N2）作用在小车上的风载荷39XCJJXCJQIIIPFC可知2FM50NI1XCJI3000N式中小车的迎风面积，由小车防雨罩的尺寸确定，XCF210MXC3）作用在主梁上的风载荷310QFQFFCPII式中主梁长度方向的迎风面积）（1Q2LH05820314M57QFIPN298将主梁上的风载荷化为均布载荷QFI0125498M7N4）作用在之腿上的风力TFIPTIIACPFTFQ式中BHFT6710582M3NPI4051TF化为均布载荷CMHPII1389/QTFTF1QFQFLIIP第4章内力计算41主梁的内力计算411垂直面内的内力计算主梁的内力时，将门架当做平面静定结构分析1主梁均布自重引起的内力支反力41）（1J2QLVBA063705N1629剪力42JQLQRCLD075MN342NLLCRD15701QJ弯矩M17329621JMD跨中21J24QLL84014307522N由主梁自重引起的内力由下图所示图41主梁内力载荷图移动载荷引起的主梁内力取小车轮压NP845123J21分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力小车位于跨中A图42主梁内力M952847106421MAXNLPKM最大弯矩作用位置M25132X21LPK求得支反力NFA6927135KX21PAB48剪力NFQAD6927135BC48小车位于悬臂端图43支反力NLPLFA762039K21B18剪力NFQBRDLC0239567486519弯矩NLPMD0K21M320831822NLFMBL小车制动惯性力引起的主梁内力当小车制动时，惯性力顺主梁方向引起的主梁内力。图44支反力3286951073654NXGABPHFL剪力1073654CDABQ289AXGHP弯矩支座处M3209651N8365HXGMD跨中84212PL412水平载荷引起的主梁内力当大车制动时，由惯性力和风载荷引起的主梁内力。在主梁水平面内，大车制动时产生的惯性力顺大车轨道方向，其中由主梁自重引起的和由满载小QDGPCOMMENTM5表头车自重引起的的计算值已于前述，顺大车轨道方向的风载荷为，XCDGPQFPXCF（其值也列在前面）。他们引起的主梁内力见下图QF图45主梁内力图小车在跨中A弯矩M6872Q211FDGNLMID4XCQLFDGFFPLM052893N小车在悬臂端B弯矩121SLQXCFQFXCDGFDGD174950649307852MN831FXCDG21QFDG2SPLMQIIL21307495649307854MN8现分别将主梁垂直面和水平面内的弯矩列表如下41主梁弯矩表42支腿的内力计算因为跨度只有30M，没有超过35M，所以采用支腿均为刚性。主梁面内弯矩（NM）主梁均布质量Q移动载荷P产生弯矩的外力小车的位置DM/2LD/2L小车在跨中35291740187932350小车在悬臂2406182小车制动时产生惯性力XGP外力合成产生弯矩的外力小车的位置DM/2LDM/2L小车在跨中320965104849763501小车在悬臂23129主梁水平面内弯矩（NM）等PXCDGQXCFQFPQF产生弯矩的外力小车的位置DM/2L小车在跨中872689530小车在悬臂350274421门架平面内的支腿内力计算1由主梁均布自重产生的内力图46主梁均布自重产生的内力图有悬臂时的侧推力为43）（）（3K2H46Q1JLFH为了安全起见，现将有悬臂门架当作无悬臂门架计算，即NSH4723K2H4QJ）（弯矩M0FMHDC2由移动载荷产生的内力（由小车轮压产生的主梁内力），分为小车在跨中和小车在悬臂端进行。小车在跨中A图47支腿由移动载荷产生的内力图当，时，侧推力为1325MACBNLKPFH76018KHJ）（弯矩M495MHDCB小车在悬臂端，主钩在左极限位置，S5侧推力为2312HJFPKXKH3124358310645806750846N29弯矩M417997HNFMHDC图48支腿由移动载荷引起的内力图（在跨中）图49支腿由移动载荷引起的内力图（在悬臂端）3作用在支腿上的风载荷产生的支腿内力图410支腿内力图侧推力184391829346N2TFHAQHKF565602TFBK弯矩M49138HNFMHBC567K28Q3TFID）（）（104238HTFMAXNI4由顺小车轨道方向的小车制动惯性力和风载荷产生的支腿内力图411支腿由小车惯性力引起的内力图侧推力11328695078521N2XCQHABGFFFP弯矩M5437NMDC小车在跨中的支腿合成弯矩216C83ND小车在悬臂端的支腿合成弯矩M741MC5862ND422支腿平面内的支腿内力计算计算支腿平面内的内力时，可按小车运行到只退位置时计算，此时垂直载荷442JJCJCTDPQLPG式中各符号的意义见前述705321062438512470986175CN1有垂直载荷引起的支腿内力在垂直载荷作用下引起的支腿内力得支反CP力4511634752608CVPLAFLN461263475680CVPLAFLN弯矩M932811LFMV0542图412支腿的内力计算图M9815603NA3CPM2由水平载荷引起的支腿内力在水平载荷和作用下引起的支腿内力由；作用在支腿顶部的水平载荷471213875694825493678530976183QXCQSDGFDGFFPPPN作用在支腿中部分的水平载荷482101TTSDGFPN支反力1212976830596805SSVHPFLN49MHPNMSS389012213支腿承受从主梁传递扭矩作用引起的支腿内力已知410674LL321NG支反力18957NVFLN1支腿自重引起的支腿内力已知一根支腿自重化为5130,16,TGNAM均布载荷513082/6TQNM弯矩140AT3M支反力41111552130987608425731457TVTVGLBFNLBN弯矩M713685L1FMV24025下横梁自重引起的下横梁内力在计算支腿平面内的门架内力时，可同时求出支腿上的弯矩和下横梁中的SM弯矩及除此之外，下横梁自重在下载和产生的弯矩1M2O下横梁自重，化为均布载荷80GKG94/7HQNCM支反力COMMENTM6表的表头、124071HVQLFN弯矩M58ML在支腿与下横梁连接处得下横梁CC截面处的弯矩；4121720QLHNC支腿平面内支腿和下横梁承受的弯矩（）42支腿承受弯矩表构件外力CPSNMTGH支腿3M10412447748476718413018240下横356524722000153564396704240001M下横3M1606492642535182776985441693441第五章强度计算51主梁的强度验算511弯曲应力验算由上表可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯矩小车在跨中时，跨中弯矩最大。小车在悬臂端时，支承处弯矩最大。现分别验算主梁跨中和支腿D处的弯曲应力。由课本P299增大1015由金属结构第七章P224以及起重机设计手册P525得跨中弯曲应力51YSLXZWM215AAMPP1754352YSDXC15AAMPMP175394512主梁剪应力的验算根据上述计算，小车在悬臂端时，主梁支承处剪力最大。主梁支承处垂直面内的剪应力由下式计算5321XDISQ小车在跨中705436910735415ND小车在悬臂端2867903DQ剪应力82105679345136/2XNM主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪应力一般较小，可忽略不计513主梁扭转剪应力的验算对于偏轨箱形主梁受扭的影响，其主梁截面除承受自由弯曲应力之外，还承受约束弯曲应力（以增大15的自由弯曲应力计入）和剪应力。此外，主梁截面还承受纯扭转剪应力，现验算如下主梁截面弯心的位置如下图所示。80022551549图51主梁截面弯心位置图542018154968EBM小车各部分重量如下小车上机械部分重量45GKG吊重及吊钩组重量3287小车架及防雨罩重量T1外扭矩55M61784LL321NNGM2主腹板上的剪应力56101678409PA2351NAMHB3副腹板上的剪应力5720267184019MPA35NMA52支腿的强度验算支腿平面内支腿下部弯矩合成C2160492531827695413275810M34780M支腿和下横梁强度验算1）支腿强度验算由上述门架的内力计算可知，在门架平面内，支腿上部弯矩较大，向下逐渐小。而在支腿平面内，支腿下部弯矩较大，向上逐渐变小。所以单主梁门式起重机支腿在两个方向的宽度尺寸可变化成为截面形状，如图815所示对于支腿上部截面AA，当小车位于跨中时，可按门架平面的合成弯矩1625CMM和支腿平面内支腿承受主梁传递的扭矩验算弯曲应力784N586178493920CNXYMPAW对于支腿下部截面BB,可只按支腿平面、支腿下部承受的合成弯矩和3M轴力N合成验算支腿强度已知32619MM轴向力N59/SIN34752SIN1598671CP弯曲应力51023261930586715243BYMNMPAWF2）下横梁强度按CC截面的合成弯矩验算172806945CYPA第六章门架的刚度计算61主梁的刚度计算计算门架刚度时，应分别对主梁和支腿进行刚度计算。在进行主梁刚度计算时，应以门架平面作为计算平面。在进行支腿刚度计算时，以支腿平面作为计算平面。主梁刚度按超静定门架计算当小车在跨中时，3331623612435804812750768779PLLYEIKEIY小车在悬臂端时，3322162262245803106418734580187PLPLYEIIKEIF62支腿静刚度计算对于支腿，只需进行支腿平面内的刚度计算即可（A）支腿水平静刚度图（B）支腿水平静刚度图（C）支腿垂直动刚度图（D）支腿垂直动刚度图（E）支腿扭转刚度图COMMENTM7每个分图土的图标（F）支腿扭转刚度图图61支腿静刚度计算水平刚度图A,B在水平载荷作用下，支腿顶部的水平位移如下计算21,SP（6DSEMPS111）其中，单位水平载荷引起的支腿内力为S/1280517HVL/64MFCM/22VL8051/HPS在水平载荷作用下引起的内力由前所述知2,SP19275SPN279SPNCOMMENTM8公式编号166662205840541530319989764272CM垂直动刚度计算图C,D在垂直载荷作用下，支腿顶部的垂直位移如下计CP算（6DSEIMPC122）单位垂直载荷引起的支腿内力为S530961212/LAV470531/68MCM/22/310由前述计算657CPN266228104510856470339054729CM扭转刚度计算图E,F支腿受主梁传递的扭矩而引起扭转变形，其扭转刚度由下验算16418251693209701028653472078910134MNNDSEI单位扭转刚度计算单位扭转刚度计算按下式计算12610281608825319740754032NMNDSEI63主梁动刚度计算主梁的动刚度，可以验算主梁满载自振频率来控制6321160KMMKFS当小车在跨中时，642050574318709153/98SXCQLGSCMG式中3321233662480098764121872941/SKEIKEINCM5063SQM在此652013298163/GSCMG式中246715STKK在此610254167RTNEFKL于是2241607403185ZFH小车在悬臂端时21160KMMKFS式中23112226634503509887187971/SLLEIKINCM式中10432SQM667865STKK2012051496ZFH皆大于2HZ，满足要求。第七章门架的稳定性计算71主梁的稳定性1）主梁的整体稳定性主梁为封闭截面，当主梁高宽比H/B075需修正CR1ES修正值75/CR12351454627SSCRMP等效临界复合应力为/IR/ICR2221/1/12/14343CRMCRCRCRM22256800939601443492749MPMPNCRR215306/该区隔的局部稳定性验算如下/2/222116830157MCRMP区隔的尺寸与相同，而应力较小，故不需计算。主腹板外侧设置短加劲肋，与上翼缘板顶紧以支承小车轨道，间距400MM。1A72支腿的稳定性1）支腿的整体稳定性由金属结构表66查得稳定系数0748支腿的整体稳定性76YXTDWMAN221267587934570604810162MP整体稳定性通过2）支腿的局部稳定性取截面面积大的CC截面进行计算翼缘板的极限宽厚比为，24035820B腹板的极限宽厚比为，66故需设置横隔板及两条纵向加劲肋取支腿大隔板间距A0928M73支腿上下法兰盘上的螺栓计算（1）对于上法兰盘支腿轴向力35735175N1N架方向的弯矩573894946NMDM支撑架方向的弯矩37573306NMC距X轴最远处的一个螺栓拉力13EN162222211107675034170352NINMP2IELY92874N距Y轴最远处的一个螺栓拉力62222121040713557351689NINMP2IELX188756N则该螺栓所受合力为22216187549LLLP2103673N对于高强度螺栓12603741LA4652MP合格MP01（2）对于下法兰盘支腿轴向力52735175N2N架方向的弯矩573894946NMD支撑架方向的弯矩28555632NMCM当单独作用时，距X轴最远处的一个螺栓拉力13CEN262222111033806130751852NINMP2IELY201783N当单独作用时，距Y轴最远处的一个螺栓拉力为D622221210930103751465789NINMP2IELX176227N则该螺栓所受合力为22217163078LLLP2679036N对于高强度螺栓226790341LPA5925MP合格M02第八章主梁的拱度和翘度为使小车正常运行，门式起重机的主梁也需要在跨间设置拱度，在悬臂设置翘度。主梁跨中央上拱度为M3010L悬臂端的拱度取为，L29563其它部分按二次抛物线变化考虑制造误差和可能引起的变化，允许将拱度和翘度值增大40第九章整机抗倾覆稳定性校核起重机抗倾覆稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力，保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性是起重机设计中最基本的条件之一。91非工作状态下空载制动假设所有部件（主梁、支腿、下横梁）的均布载荷方向均在主梁竖直中心线的平面内的大车车轮的水平轴线OO上。则主梁上风力及支腿上风力对OO线产生弯矩为91HPMTWOQWO1933504981836098109476192NM主梁、支腿和下横梁对OO线产生的力矩为9221H12QLGLM21000025570370654922725188NM验算通过1292工作状态下空制动此时主梁上风力、惯性力和支腿上风力、惯性力产生对OO线的转矩93HPPMTDGTWIQDGWI23（291722039168）982（5737515232）98691225164NM此时抗倾覆稳定性通过32921工作状态下，大车满载制动主梁上风力、惯性力，支腿上风力、惯性力，吊重风力、惯性力对OO线的转矩为/34HPMXCDGWI691225164（418323400）8751890764NM工作状态下主梁、支腿、下横梁、吊重产生的对OO线的扭矩为94212/LPM49227251881261752575395881438MN故工作状态下，满载制动抗倾覆稳定性通过/2493工作状态下，小车满载制动此时小车对AA线产生的力矩为95/152HPLMXCWIDG1261757548320853382185MN主梁、支腿及下横梁对AA线产生的力矩为COMMENTM9参照这个改9626211HLMGQ2507036