75t跨度19.5m双梁桥式起重机结构设计说明书.doc

太原科技大学课程设计题目： 起重量75t 跨度19.5m 双梁桥式起重机结构设计姓 名 学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 指导教师 年 月 日太原科技大学机电工程学院设计说明书摘 要本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对桥式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先用估计的桥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。由于桥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: 双梁桥式起重机; 校核; 许用应力太原科技大学机电工程学院设计说明书目 录2.主梁尺寸2参考文献38太原科技大学机电工程学院设计说明书计算项目设计计算内容设计结果1.大车轴距 2.主梁尺寸3.端梁尺寸4.主，端梁的连接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1.内力（1）垂直载荷（2）水平载荷2.强度3. 主梁疲劳强度4.主梁稳定性1.载荷和内力2.水平载荷2.3.疲劳强度4.稳定性5.端梁拼接3.腹板拼接（4）端梁拼接强度 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起重量（主/副:t）75小车重量(t)26跨度（m）19.5起升高度(m)16起升速度(主/副：m/min)4.2小车运行速度（m/min）28大车运行速度（m/min）90小车轮距（m）2.8小车轨距(m)3吊钩最小下放距离（m）2大车运行机构质量（kg）1500结构工作级别a6司机室质量(t)3左侧极限（m）2右侧极限（m）1.6司机室距左侧距离（m）1.2第二章 总体设计1.桥架尺寸的确定=（）l=（）22.5=3.254.875 m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=4.5m端梁全长b=6m2.主梁尺寸高度h=（）l=11471393mm 取腹板高度 =1350mm腹板厚度 =10 mm翼缘板厚度 =12 mm主梁总高度 =+2=1374 mm主梁宽度 b=(0.40.5)=549.6687 mm腹板外侧间距取 b=730mm=325 mm 且=458 mm上下翼缘板相同，为12 mm730 mm主梁端部变截面长取 d=l/8l/4=2437.54875 mm，取d=2500mm图2-1 双梁桥架结构高度1/2=687mm，取=700mm考虑大车轮安装，端梁内宽=380mm总宽=460mm，各板厚=8mm主、端梁采用焊接连接，端梁为拼接式，桥架结构与主、端梁界面示于图2-1及图3-1图3-1 主梁与端梁截面第三章 主、端梁截面几何性质（图3-1）a) 主梁 a=(73012+135010)2 =0.04452m2 =6401362=0.87168m2形心 x=365mm y=687mm惯性矩= =1.21010 mm4= =6.87109 mm4b)端梁 a= =0.023 mm2 惯性矩= =1.384109 mm4= =8.39108 mm4第四章 载荷主梁自重载荷 =kag9.81 =1278500.044529.81 =4114 n小车轨道重量（p43）=44.6539.81 =438.04 n/m栏杆等重量=g=1009.81 =981 n/m主梁的均布载荷 =+=5533.05n/m根据主、副起升机构和运行机构的设计布置起升载荷为 =g =751039.81 =735750 n小车自重 =0.35751039.81=257512n额定起升载荷产生的和p01= =261384.9 np02= =235246.4n小车轮压=+=496631.3 n空载轮压 =67766.4n=60989.8 n1=1.12(hc2)=1.1+0.34 =1.124=1.+0.058 1.11h=1 mm,接头高度差大小车都是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=35473.7n大车运行起制动惯性力（一根主梁上）为=35473.7 n= =395.7 n/m主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略一根主梁的重量为=5533.05(19.5-0.4) =105681 n一根端梁单位长度的重量= =1.178500.01899.81 =1601 n一根端梁的重量为=b =16015 =8005 n一组大车运行机构的重量（两组对称配置）为=g=1500/29.81=7357.5n司机室及设备的重量（按合力计）为= msg=30009.81=29430n(1)满载小车在主梁跨中央左侧端梁总静轮压按图4-1计算图4-1 端梁总轮压计算= =0.5（257512.5+735750）+0.5(2105681)+29430(1-1.2/19.5) +7357.5+8005=645293.7 n由=19.5/6=3.9查得=0.106侧向力= =645293.70.106 =34200.6n(2) 满载小车在主梁左端极限位置左侧端梁总静轮压= =1037335.2n侧向力 = =54978.8n估算大车轮压p=21.25 t选取大车车轮直径为500 mm,轨道为qu70.中轨梁扭转载荷较小，且方向相反，可忽略。故在此不用计算。第五章 主梁计算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5-1图5-1 主梁计算模型固定载荷作用下主梁跨中的弯矩=（） =342729.9 n跨端剪切力 =105819.2 n移动载荷作用下主梁的内力1）满载小车在跨中，跨中e点弯矩为=轮压合力与左轮的距离为=1.326m则 =2502577.3 nm跨中e点剪切力（1-） =275401.9n跨中内扭矩为=02)满载小车在跨端极限位置（z=）.小车左轮距梁端距离为=-=2-1.3=0.7 mm跨端剪切力=（） =529588.8n跨端内扭矩为=0主梁跨中总弯距为=+ =342729.9+2502577.3 =2845307.2 n.m主梁跨端总剪切力=+ =529588.8+105819.2=635408 n1）水平惯性力载荷在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。k=3mb=k=1.5ma=(-k)= (4-3)=0.5m水平刚架计算模型示表图5-2图5-2 水平刚架计算模型小车在跨中，刚架的计算系数为= =1.105跨中水平弯矩= =102134.9 n.m跨中水平剪切力为=17736.85 n跨中轴力为= =-119445 n小车在跨端,跨端水平剪切力为= =35688.6 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5-3）图5-3 侧向力作用下刚架的分析这时，计算系数为=1+ = =1.421小车在跨中,侧向力= =34200.6n超前力为 =7015.5 n端梁中点的轴力为=3507.8 n端梁中点的水平剪切力为= = =13089 n主梁跨中的水平弯距为= =2532.8 nm主梁轴力为 =34200.6-13089 =21111.6 n主梁跨中总的水平弯矩为= =102134.9+2532.8 =104667.7 n.m小车在跨端。侧向力为=54978.8 n超前力为= =109957.6 n端梁中点的轴力为=54978.8n端梁中点的水平剪切力为=（） = =21041 n主梁跨端的水平弯矩为=a+b =54978.80.5+21041105 =59050.5 n.m主梁跨端的水平剪切力为=- = =54978.8 n主梁跨端总的水平剪切力为= =90667.4 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，不需计算需要计算主梁跨中截面危险点、的强度(1)主腹板上边缘的应力主腹板边至轨顶距离为=140+12=152 mm主腹板边的局部压应力为 =87.87mpa垂直弯矩产生的应力为= =163 mpa水平弯矩产生的应力为= =5.56 mpa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= =5311800 mm4主腹板上边的切应力为= =6.1mpa点的折算应力为=+ =168.56mpa1= = =146.6mpa=175mpa(2)点的折算应力为2= =167.86mp=175mpa(3)点的应力为3=1.15 =160.5 mpa=175mpa(4)主梁跨端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=700 mm。跨端只需计算切应力1)主腹板。承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为=主梁跨端封闭截面面积为=（b-8）(+) =（650-10）（700+12）=455680 mm2代入上式= =68.1mpa=100mpa副腹板中两切应力反向，可不计算2)翼缘板。承受水平剪切力=37898.4 n及扭矩=0 n.m= =9.71 mpa=100 mpa主梁翼缘焊缝厚度取=8 mm，采用自动焊接，不需计算桥架工作级别为a6,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=2845307.2 n.m空载小车位于右侧跨端时（如图5-4）图5-4 主梁跨中（e）最小弯矩的计算左端支反力为= = =10721 n= =342729.9+1.19109219.1=458827.6 nm(1)验算主腹板受拉翼缘板焊缝的疲劳强度= = =160mpa= = =25.81mpa图5-5 主梁截面疲劳强度验算点应力循环特性=0.1610根据工作级别a6，应力集中等级及材料q235，查得mp，=370 mpa焊缝拉伸疲劳需用应力为= = =208.3mpa=160mpa （合格）(2)验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处= = =117.86mpa= = =23.974 mpa=0.1610显然，相同工况下的应力循环特性是一致的根据a6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=71mpa拉伸疲劳需用应力为= =130.63mpa=117.86 mpa （合格）由于切应力很小，忽略不计(1)整体稳定性主梁高宽比=2.283 （稳定）(2)局部稳定性翼缘板=6580，不需设置纵向加劲肋，不再计算翼缘板最大外伸部分=3.33（稳定）腹板 =180故需设置横隔板及一条横向加劲肋，腹板间距a=1564 mm，加劲肋的确定=6mm 板中开孔 974330第六章 端梁的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（1）垂直载荷端梁按修改的钢架尺寸计算，=4.5m, a=0.5m, b=1.5 m, k=2b=3 m, b=5.0 m, =0.45 m, =0.19 m, 主梁轴线与主腹板中线距离=0 m主梁最大支承力=635408 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= 1601 n/m端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图6-1端梁支反力为=+ = =640170.96n图6-1 垂直载荷下端梁的计算截面1-1弯矩=- = =594464.3 n.m剪力 =0截面2-2弯矩=a- =640170.960.5-0.51.191601 =638361 n.m剪力=- =640170.96-1.191601（0.45+0.5） = 638361n.m截面3-3弯矩 =0剪力 =- =640170.96-1.1916010.45 =639313.6 n.m截面4-4（沿着竖直定位板表面）- = =121242 n.m剪力 - =640170.96-1.191601（0.45+0.19） =638951.6 n端梁的水平载荷有、等，亦按简支梁计算，如图所示6-2截面1-1因作用点外移引起的附加水平力矩为= =35473.70 =0 n.m弯矩=a =35473.70.5 =17736.9 n.m钢架水平支反力= = =17480.9n=21041n图6-2 水平载荷下端梁的计算剪切力 + =38521.9n轴力=37898.4n截面 2-2在、水平力作用下，端梁的水平支反力为=+ =107933.4n水平剪切力=107933.4n弯矩为=a =107933.40.5=53966.7n.m截面3-3水平剪切力 =107933.4n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（按净截面计）截面 2-2截面角点= = =106 mpa =175 mpa腹板边缘= =106=175 mpa翼缘板对中轴的静矩为=8460496=1825280 mm3= =40.3 mpa折算应力为= =124.3 mpa=175 mp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（14 mm130 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（16 mm90 mm460 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6-3图6-3 端梁支承处截面形心= = =211.1 mm=188.9mm惯性矩为=4.11108 mm4中轴以上截面静矩 s=1105168 mm3上翼缘板静矩 =828400 mm3下翼缘板静矩 =93028 mm3截面4-4腹板中轴处的切应力为= =98.4mpa=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= = =51.6 mpa切应力为= = =90.4mpa折算应力为= =133.14 mpa =175 mp （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=40.5 mpa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（8 mm）大，故焊缝不需验算，截面4-4的水平弯矩小，忽略不计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的最大弯矩的剪切力为=121242 n. m=638951.6 n空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为 =0.5105681+0.25257512.5+16015/2 =121221 n这时端梁截面4-4相应的弯矩和剪切力为= = =22704 n. m=120196 n弯板翼缘焊缝的应力为=51.6 mpa=9.7 mpa = = =64.6mpa=12.1mpa根据a6和q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查的 =43mpa，=370 mpa= = =0.18730焊缝拉伸疲劳需用应力为= = =83.4mpa=0.18730按查的=133 mpa，取拉伸式= = =230.8 mpa=163.2 mpa =0.21 1.1（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=321276.2 n. m空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为= =0.5105681+0.25257512.5 =117218.6 n=0这时的端梁支反力为=121221 n端梁拼接截面1-1的弯矩为= =61611n.m翼缘板的平均应力（按毛截面计算）为= = =54.5mpa翼缘板传递的内力为= =54.58500=218000 n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=（500-421）8 =3328 mm2应力=65.5mpa= =0.19180可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据a6和q235及带孔板的应力集中等级，查得=122 mpa翼缘板拉伸疲劳需用应力为= =214.7 mpa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 整体稳定性=1.773 （稳定）局部稳定翼缘板 =47.5 60 （稳定）腹板 =85.5故只需对着主梁腹板位置设置四块横隔板，=6 mm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 mm480 mm460 mm及8 mm360 mm460 mm腹板用单面拼接板8 mm460 mm960 mm,精制螺栓选用m20 mm,（1）内力及分配满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为=321276.2 n.m，剪力 =0=17736.9 n.m，=38521.9 n=90667.4 n端梁的截面惯性矩为=1.384109 mm4=8.39108 mm4腹板对x和y轴的总惯性矩为=4.27108 mm4=4.12108 mm4翼缘对x和y轴的总惯性矩为=4.79107 mm4=1.67107 mm4弯板分配： 腹板 = =99122.1 n.m翼缘 = =11119.3 n.m： 腹板 = =87.9.9 n.m翼缘 = =353 n.m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= =19261 n轴力分配 轴力按截面积分配一块翼缘板受轴力=19188.9 n一块腹板受轴力=26250.37 n=5472 mm2=4000 mm2a=18900 mm2（2）翼缘拼接由产生的翼缘轴力为= =16068.4 n一块翼缘板总的轴力为=+=35257.3 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= =4407.3 n由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为=176.5 n.m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= = =264.75 n角点螺栓顺梁轴的内力和为=+ =4407.2+264.75 =4671.95 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=2407.6 n角点螺栓的合成内力为= = =5255 n选精制螺栓m22 mm，孔23mm, =8mm一个螺栓的许用承载力为剪切= = =11627.2 n承压 = =2381.8 =57960 n3，属窄式连接 =550 mm, =1102+5502+3002+1002=414600 mm2腹板角点螺栓的最大内力为= =33000 n腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为=+ =3043.7+33000 =36043.7 n单剪螺栓的许用承载力= =58137 n1.05=61044 n （仍属合格）净截面1-1的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=5.8470108 mm4= =1.1807108 mm4端梁拼接处净截面惯性矩为=- =1.384109-1.1807108 =1.2659109 mm4=- =8.39108-1.1807108 =7.209108 mm4全部板材的螺栓孔截面积为=238（8+16）=4416 mm2拼接处净截面积为=a- =18900-4416 =14486 mm2端梁拼接处强度为= =63.5 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.桥架的垂直静刚度满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为= = =25.453 mm =27.857 mm2.桥架的水平惯性位移= = = =1.46 mm =9.75 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 =10772.8 kg全桥架中点换算质量为=0.5（2）+=10772.8+26644.7=37417.5 kg起升质量=+=75000 kg起升载荷 =(+)g=735750 n起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为=16+2-2=16 m桥架跨中静位移为= = =21.30mm起升钢丝绳滑轮组的静伸长为=46.4 mm结构质量影响系数为= = =0.024桥式起重机的垂直自振频率为= = =2.75 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 =0.5（10772.8+26644.7+75000） =5628.8 kg半钢架跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为= = =0.000037 mm/ n桥式起重机的水平自振频率为= = =3.492hzhz（合格）第九章 桥架拱度桥架跨度中央的标准拱度值为= = =19.5mm考虑制造因素，实取=1.4=27.3 mm跨度中央两边按抛物线曲线设置拱度，如图所示9-1图9-1 桥架的拱度距跨中为=的点=33.47 mm距跨中为= 的点=26.775 mm距跨中为= 的点mm因此，桥架结构设计全部合格。总结通过金属结构课程设计学习，使我学到了许多非常重要的知识和技术。现对学习进行以下总结：首先，在前期的设计计算过程中，温习了以前所学的所有知识，并对其进行了巩固。在计算过程中，发现了一些疑难问题和自己以前没有注意的知识点和方法，通过老师的指导和讲解，自己的复习对其进行了理解和掌握。在规定的时间内完成了前期计算过程。其次，通过应用cad技术绘图，使我掌握了cad的使用方法，同时也从中学到了许多绘图方法和技巧，特别是快捷键的应用。使我在比较短的时间内能够完成所要画的图纸。在写设计说明书的过程中，掌握了word和公式编辑器的应用。虽然在编写过程中遇到的难题，通过向自己的摸索和同学的帮助都的到了解决。在这次设计过程中，我查阅了大量的相关资料。掌握了许多新方法和新知识。使自己的专业知识的到了大大补充。特别是一些自己平时所学课本上没有介绍的知识。例如：翼缘板和腹板加劲肋的选用、计算和校核。同时还了解了目前的起重机的发展情况以及以后的发展，并掌握一些最新技术和设计理论。针对此次的设计，随着对整机的不断深入了解，也发现了设计存在的一些问题。一方面，由于缺乏必要的生产实践知识，我们的设计还局限于一定的想象空间上，实际中不生产或加工比较困难。另一方面，在设计的过程中，缺乏对细节的考虑，只抓住了其中大的框架，后续的工作还有很多。通过这次毕业设计，使我感觉收获颇多。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，还有cad技术的应用，这些对于我们即将走向工作岗位的新人是一个很好的培训和锻炼，同时也是平时所学的理论和实践的一次结合。这次设计将对我们的以后工作和学习奠下重要的理论知识基础和实践经验。参考文献1、太原科技大学起机教研室主编。起重机械。20102、起重机设计规范编写组主编。国家标准gb381183起重机设计规范。北京：国