精品毕业论文200t315m八梁桥式铸造起重机设计

前 言本设计为200t/31.5m八梁桥式铸造起重机的金属结构部分。由于此起重机的起重量大，工作级别高，用于冶金铸造车间，故采用桥式结构是合理的。桥式起重机是生产车间、料场电站厂房和仓库中为实现生产过程机械化和自动化，减轻体力劳动，提高劳动生产率的重要物品搬运设备。它通常用来搬运物品，也可用于设备的安装与检修等其他用途。建国以来，我国先后试制成功了许多桥式起重机结构。其主要型式有：箱形结构、偏轨箱形结构、偏轨空腹箱形结构、箱形单主梁结构、空腹桁架式结构、四桁架式结构、三角形桁架式结构、单腹板开式结构、曲腹板梁结构、管形桁构式单梁和双梁结构、椭圆形结构以及蒙皮结构等十几种型式。目前生产较多的有箱形结构、空腹桁架式结构、偏轨空腹箱形结构及箱形单主梁结构等。 从桥式起重机的出现到现在，它的结构型式、设计方法均不断改进，各项性能指标不断提高，因此在国民经济中有广泛的应用。桥式起重机的类型较多，常见的有下面三种型式：通用桥式起重机、抓斗式桥式起重机和电磁桥式起重机。它们按用途又可分为梁式起重机、普通桥式起重机和特种桥式起重机。按梁的截面形式又可分为工字钢、箱型等多种。其中箱型又分中轨、偏轨、半偏轨以及实腹、空腹等多种形式。根据基本参数及起重机的使用条件，本结构采用八梁的特种结构型式，各梁均采用箱形截面。 设计中本着满足强度、刚度、稳定性的前提下，尽可能节约材料的原则，采用大截面，薄钢板，从而达到省材料，重量轻的要求。同时采用大截面又提高了梁的刚度和稳定性。 主主梁采用偏轨形式，不仅可减小小车外形尺寸，同时也增大了起升空间，有利于铸造厂空间的应用。 在选材上既考虑性能要求又兼顾经济性，对于盖板、腹板等主要受力件采用性能好的A3钢而对于其它不重要的构件采用A3F钢，以降低起重机成本。设计过程中，全部采用国家标准，并参考了太原重型机械集团和大连重工起重集团同类产品的设计，在结构上进行了改进，对桥架的受力也进行了较详尽的分析，因而整个设计安全可靠，节材耐用，满足了设计要求。桥式起重机是桥架型起重机的一种，它依靠起升机构和在水平面内的两个相互垂直方向移动的运行机构，能在矩形场地及其上空作业，是工矿企业广泛使用的一种起重运输机械。它具有承载能力大，工作可靠性高，制造工艺相对简单等优点。桥式起重机一般有大车运行机构的桥架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几大部分组成。外形像一个两端支承在平行的两条架空轨道上平移运行的单跨平板桥。起升机构用来垂直升降物品，起重小车用来带着载荷作横向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成的三维空间里做搬运和装卸货物用。桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本的形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机都是在通用吊钩桥式起重机的基础上派生发展出来的。起重机的产品型号表示为：类、组、型代号 特征代号 主参数代号 更新代号例如：QD70/20桥式起重机表示为，吊钩桥式起重机，主钩70t，副钩20t。当前，国外桥式起重机发展有四大特征：1简化设备结构，减轻自重，降低生产成本法国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，适应于中、小吨位的起重机。该结构要求起升采用行星圆锥齿轮减速器，小车架不直接与车架相连接，以此来降低对小车架的刚度要求，简化小车架结构，减轻自重。Patain公司的起重机大小车运行机构采用三合一驱动装置，结构比较紧凑，自重较轻，简化了总体布置。此外，由于运行机构与起重机走台没有联系，走台的振动也不会影响传动机构。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43.5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的方式，使垂直力直接作用于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。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。国内桥式起重机发展有三大特征：1改进机械结构，减轻自重国内桥式起重机多已经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。与正轨箱形相比，可减少或取消加筋板，减少结构重量，节省加工工时。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Demang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，提高了运行机构的性能和寿命，并使结构紧凑，外观美观，安装维修方便。遥控起重机的需要量随着生产发展页越来越大，宝钢在考察国外钢厂起重机之后，提出大力发展遥控起重机的建议，以提高安全性，减少劳动力。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。特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速提升。三峡电厂已拥有1200t桥式起重机。第1章 总体设计方案1.1 基本参数起重量：Q=200/80t； 跨度：L=31.5m； 起重机重量：230t工作级别: A8； 起升高度(主/副):H=20/22m起升速度(主/副):3.8/5.34m/min； 运行速度(主/副):28.1/29.1m/min轮距(主/副/大车):3010/1750/9500mm； 轨距(主/副):7500/2500mm小车轮压(主/副):50460/10640kg； 大车轮压:56000kg1.2 总体结构及尺寸根据已知参数,此桥式冶金铸造起重机采用八粱框架结构比较合理,如图1.1所示图1.1 八梁桥架框架结构1.3 材料的选择及许用应力 根据总体结构,采用箱形梁,主要用板材主梁、端梁均采用A3钢,二者联接均采用高强度螺栓联接。 材料许用应力及性能常数见表1.1、表1.2表1.1 材料的许用应力正应力剪应力380160180208792410421205表1.2 材料性能常数表弹性模量剪切弹性模量比重2110817851.4 各部件尺寸及截面性质1.4.1 主主梁主主梁尺寸:图1.2 主主梁跨中截面尺寸图1.3 主主梁图1.4 主主梁跨端截面尺寸截面性质:跨中:图1.5 跨中截面尺寸建立如图示坐标系，由组合图形形心坐标计算公式(,)得形心位置=1436.43 =1610.07 故形心坐标C为(1436,1610)由平行移轴公式 可得惯性矩:= = =计算弯心位置：跨端:由图1.4，建立如图所示的x轴、y轴，由公式(,)得形心位置:=1568.44mm =525mm由平行移轴公式 可得惯性矩:= = =1.4.2 主端梁及副主梁截面尺寸及性质: 截面尺寸如图1.6所示,同上,惯性矩计算如下:图1.6 截面尺寸副主梁惯性矩:跨中: 跨端: 则副主梁和主端梁的惯性矩列于表1.4中, 副主梁和主端梁的截面尺寸见表1.3表1.3 单位:mm a bh跨中副主梁 16 16 1010850 780 1800主端梁 14 14 10 101000 700 1200跨端副主梁 16 16 10 10 850780 1200表1.4 惯性矩 单位:mm跨中副主梁3.137.25主端梁1.273.02跨端 副主梁3.845.38副主梁总体尺寸:图1.7 副主梁主端梁总体尺寸: 图1.8 主端梁1.4.3副端梁截面尺寸:为了便于与主主梁的连接，副端梁截面形状如图1.9所示 图1.9 副端梁截面截面性质:如图1.9建立坐标，求解其形心由组合图形形心坐标计算公式(,)知：易知。 故形心坐标为（310.6, 750）由平行移轴公式 可得惯性矩:+=+其扭矩:式中: 为梁封闭截面腹板中线之间的距离和盖板中线之间的距离;为腹板和盖板之间的距离。副端梁总体尺寸:图1.10 副端梁附:表1.5 各梁截面性质汇总表主主梁跨中143616102.231.863.0跨端15685265.91.48副主梁跨中3.137.25跨端2.235.38主端梁1.273.02副端梁310.67501.23.66.65注：1.形心坐标系如图1.5(或图1.9)所示2.在以后的计算中,由于各公式中的符号不统一,截面性质的值均按公式中的实际意义根据此表代入,而与公式中的符号无关。第2章 桥架分析2.1 载荷组合的确定2.1.1 动力系数的计算起升冲击系数:1.01.1起升动载系数主主梁: 式中: =，其中m为结构在其物品悬挂点的换算质量，对于桥式起重机，取在跨中桥架（不含端梁）质量的与小车质量之和；为额定起升质量，=。=； =2.0；(起升速度);(操作系数)副主梁:式中: =；;；=1+0.75=1.063, 此值符合实际,取; 式中: 轨道高度差; 大车运行速度=1.10+0.058。2.1.2 确定载荷组合根据此起重机的工作情况,动载荷适宜用组合II进行计算,应用运行冲击系数;但是由于原始参数只给了轮压而没有给小车的自重,所以小车自重无法确定，且小车各部分重量的偏心距也是未知量，为了安全起见选用、中最大者来计算动载荷。由以上计算知最大，按组合考虑由代替计算小车自重的动载荷，可不计算偏斜侧向力，这样计算偏安全。2.2 桥架假定为了简化八梁桥架的计算，特作如下假定：1. 以主、副小车单独工作为最不利载荷情况。2.在垂直载荷下,主端梁对桥架工作没有影响。3.计算副梁时,可认为主主梁刚度相对于副端梁无限大，因而副端梁的端头是刚性嵌固，不能转动。4.计算主梁时，则认为主、副梁的刚度都是有限的，所有节点都可转动。5.计算偏心扭矩时，认为主、副端梁同时受弯，且弯矩按惯性矩正比例分配。6.副端梁的扭转按自由扭转计算。7.认为副梁的水平和垂直载荷不对主梁产生作用。8.主、副端梁认为在同一平面内。9.桥架垂直刚度只计算静轮压作用，水平刚度则考虑全部水平载荷作用。10.所有静载荷（桥架自重、设备重等）都换算成均布载荷。2.3 载荷计算2.3.1 主主梁（满载时）自重:主梁重: 32.67(由主主梁图确定); 栏杆导电架重: 2.0(40.34+2.0)1.18=42.7； =集中载荷:静载荷(静轮压): =50.46； =48.46动载荷: = =50.461.18=59.54； =48.461.18=57.18水平惯性力:桥架自重:式中: 半个桥架重=36.43+3.45=39.88; 主动轮个数=4; 全部车轮个数=8； 轮压产生的惯性力(静轮压): 跨中扭矩:图2.1（单位：mm）由图2.1可知:=59.541.227+3.61.694=79.51 57.181.227+3.461.694=76.022.3.2 主主梁（空载时）主主梁:静载荷: ;轮压产生的水平惯性力: 扭矩:=0.461.227+0.0331.694=0.62;1.541.227+0.111.694=2.076 副主梁:静载荷: 水平惯性力: 2.3.3 主端梁自重: 2.3.4 副主梁(满载时)自重: 副主梁重12.38; 栏杆、导电架重1.32; (12.38+1.32)=16.17; 集中载荷:静轮压: 动轮压: = =1.1810.64=12.56;=1.189.64=11.38水平惯性力:桥架自重产生的水平惯性力: =13+3.5=16.5; 小车轮压产生的水平惯性力: 2.3.5 副端梁自重: 2.4 求解框架根据本章第二节假定的条件,将计算模型简化如图2.2所示图2.2 计算模型简化图2.4.1 两主梁垂直载荷对桥架的影响根据假定条件,副主梁在主主梁上为固定端支承,当主主梁、副主梁上同时有轮压作用时,可得到如下的受力图。 图2.3 副主梁载荷图图2.4 副端梁受扭图图2.5 主主梁载荷图2以上三图中,、分别为副端梁对副主梁的约束弯矩，、分别为副端梁对主主梁的约束弯矩，、分别为副主梁在A、B支点的转角， 、分别为主主梁在C、D支点的转角。设使副端梁产生的转角为，则可得 (1) 同理 (2) 因为副端梁距主主梁支点的距离与跨度相比非常小(,所以取主主梁支点的转角与副端梁两端产生的转角、分别相等。即 (3) = (4) 而 (5) 式中： 为副主梁在均布载荷下简支梁在端部的转角（端）；为副主梁在集中载荷作用下的转角； 为副主梁在作用下端的转角； 为副主梁在作用下端的转角；根据材料力学知识可得：；其中 (6)同理 (7) ；其中 (8)联立（1）（2）（5）（5）（7）（8）式得 ； (9)对于主主梁，同理有； (10)； (11)式中 ；但当主主梁受、作用时，副主梁同时也受到此二力的作用。故（3）式中的包括两项，一项是对副端梁产生的转角，一项是、对副主梁支点产生的转角。=+ (12)式中 =； =；同理有： (13) 式中 =； =；联立（3）（4）（10）（11）（12）（13）式得 ； (14)将； ； ；代入式（9）（14）得：2.4.2 偏心扭矩对桥架的影响根据假定条件，同时考虑由于桥架变形很小，主主梁的扭矩对副主梁不产生影响，把桥架简化成如图2.6所示的形式。图2.6 桥架简化图1.规定：.弯矩画在受拉一侧 扭矩方向用右手定则判定，与其所在平面的法线方向一致的扭矩画在框架内侧，反之，则画在外侧。2.画弯矩图,用力法解此框架如图2.7,在点将框架断开,增加约束力、图图图图图图2.7 弯矩图列典型方程;由内力图可知: 代入典型方程得：； (*)总弯矩图为图1.8 总弯矩图图中:(*)式中,为主主梁的扭矩:；10；当小车在左极限（即满载时：主、副端梁上受到主梁扭矩的作用最大：主端梁上分到的弯矩：副端梁上分到的弯矩：当小车在右极限时（空载）有，此时，= 主端梁上分到的弯矩：副端梁上分到的弯矩：2.4.3 水平惯性力的影响（见后面的计算）第3章 主主梁计算3.1 内力分析3.1.1 弯矩垂直方向:图3.1 主主梁受力图查文献知：司机室重；运行机构重； 电气设备重固定载荷产生的弯矩（跨中）:取而主主梁两端铰支，跨端弯矩为：集中载荷:当满载动作用于跨中时，产生跨中最大弯矩图3.2 主主梁跨中弯矩示意图当满载静作用于左极限位置时，产生跨中最小弯矩分析：根据桥架分析，副端梁对主梁作用的弯矩最大， 其占主梁的百分比：，可见、 对主梁影响很小，可忽略不计。水平方向:跨端水平弯矩很小（按铰支处理），忽略不计，主梁自重 q 产生的水平弯矩（跨中）为，集中载荷P产生的水平跨中弯矩为，式中，如图3.3所示图3.3 主梁自重产生的水平弯矩图同理，当满载动作用于跨中时，有水平最大弯矩：=式中当在左极限空载时，有同种工况下的最小水平弯矩=3.1.2 剪力当满载作用于跨中或空载作用于跨端时，在跨中截面产生的垂直、水平剪力很小，因而对跨中截面校核产生的影响可忽略不计，这里着重求跨端的最大剪力。垂直方向:自重产生（见图3.1）A端剪力当满载作用于左极限时，A端由集中载荷产生的剪力最大忽略副端梁的影响，主主梁端部的最大剪力为水平方向:主主梁仍按铰支简化，同时忽略司机室等的影响，主主梁自重产生：水平惯性力产生（同垂直剪力时的工况）：3.1.3 扭矩详细计算过程见第2章2.3节3.2 强度校核3.2.1 跨中跨中截面主要受弯矩、扭矩作用，根据应力图可确定截面上的危险点图3.4 主主梁跨中截面危险点1点： 式中 ：挤压应力；最大动轮压；主腹板厚；，为轨顶到验算点的距离。式中：为主、副腹板总厚；为两盖板厚；、为静矩；为截面中线围成的面积；为截面中最薄的板厚；为约束扭转附加剪应力（忽略）。故 1点应力校核合格2点：；2点应力校核合格3点：3.2.2 跨端主主梁跨端主要受剪力作用，偏轨箱形梁受剪力作用时的危险点为副腹板角点，如图3.5图3.5 跨端截面危险点图4点：式中：； ；合成3.3 疲劳强度校核疲劳强度验算点如图3.6所示，1点为跨中截面的上翼缘板与腹板交接处的主体金属，此处为受压区，2点为跨中截面隔板底部与腹板的交接处，此处为受拉区。图3.6 跨中截面危险点图时，；另钢，；而由前所述， 1点疲劳强度合格2点：查规范知，受拉区由于无挤压应力，故；2点疲劳强度合格3.4 刚度校核3.4.1 静刚度垂直方向: ； 合格水平方向: ；主主梁静刚度合格式中：（本章3.1节已算出）3.4.2 动刚度主主梁动刚度合格式中：； ；其中：查文献表12-10知式中钢丝绳分支数；钢丝绳断面直径；钢丝绳纵向弹性模量； 3.5 稳定性校核整体稳定性校核:由于，故整体稳定性已保证。局部稳定性校核:主主梁中隔板间距2800mm,其它加劲尺寸如图3.7所示图3.7 主主梁加劲框架稳定性:故主主梁框架刚度合格上盖板区格验算:取距离跨中最近的区格为验算对象，如图3.8所示图3.8 上盖板区格式中：嵌雇系数；此区格中故；跨中故上盖板区格合格。主腹板区格:较危险的区格在跨中靠近上盖板处，取区格如图3.9所示图3.9 主腹板区格及受力图；合成临界应力为：合成应力主主梁局部稳定性验算合格此处的计算忽略了板厚的变化影响，计算偏安全。3.6 焊缝验算如前所述，主腹板与上盖板之间的焊缝所受应力最复杂，这里只验算此处焊缝强度。图3.10 焊缝受力跨中；跨端跨中： 跨端： 焊缝验算合格由于采用的焊缝厚度同板厚的强度相同，焊缝可不验算，下同。第4章 主端梁计算4.1 内力分析（端部）垂直方向：主主梁扭矩分到主端梁上的弯矩为：自重产生的跨端垂直剪力：；若将主端梁简化为两端固定支撑（偏安全）跨端垂直弯矩： 对跨端垂直方向： ；水平方向：水平惯性力产生的跨端剪力及弯矩：图4.1 水平载荷计算简图由公式： 当主小车在跨中满载时，产生、；当主小车反向运行时有：；4.2 强度校核主端梁受力不严重，只需验算一点的强度即可。图4.2 主端梁强度验算点4.3 疲劳强度校核图4.3 主端梁疲劳强度验算点图中2点受拉，3点受压，且两点应力大小相同。（偏安全）；对2点： ； 故2点合格对3点： ； 故3点合格4.4 主端梁连接计算采用高强度螺栓，布置形式如图所示腹板 盖板图4.4 主端梁连接布置；向盖板、腹板分配：向盖板、腹板分配：可见，主端梁的受力主要由盖板承担，而腹板、盖板螺栓布置数目相同，所以只要盖板的连接验算合格，腹板的连接也一定合格。4.4.1 验算盖板=；两夹角余弦： =查文献，若选的高强螺栓有：安全系数；摩擦系数；螺栓预拉力；传力摩擦面数显然 选用螺栓时连接合适。注： 计算中用到的、为主端梁端部的外力，实际连接处的外力比计算值要小，所以连接计算偏安全。4.4.2 连接计算=式中 为杆件验算截面上的高强螺栓数目；n为杆件一边的高强螺栓数目； 故合格第5章 副主梁计算5.1 内力分析 （同主主梁类似）5.1.1 弯矩 图5.1 副主梁受力图跨中最大弯矩：垂直方向：轮压： 自重： 主主梁承受部分弯矩： ;占副主梁总弯矩的百分比：其中 可见，对副主梁来说，主猪梁分担的弯矩占其总弯矩左右，不可忽略，在对副主梁及副端梁进行校核时，要考虑、的影响。水平方向：式中 跨中最小弯矩：小车空载左极限（）时，水平方向： 注：跨中剪力忽略不计。5.1.2 跨端剪力垂直方向：自重： 轮压：（小车满载位于左极限）水平方向：；5.1.3 扭矩副主梁所受扭矩主要为轮压水平惯性力产生图5.2 副主梁受扭图由于此值很小，计算时可忽略不计。5.2 强度校核 图5.3 副主梁跨中验算点5.2.1 跨中正应力1点： 式中：轮压上盖板厚隔板间距；查附表21知：轨道惯性矩上盖板惯性矩； 式中2点：3点：5.2.2 跨端剪力图5.4 副主梁剪力验算点4点：合格式中：；5.3 疲劳强度校核图5.5 副主梁疲劳强度验算点1点（压缩）：；故1点疲劳强度验算合格。2点（拉伸）：； 此时;故2点疲劳强度验算合格。5.4 刚度校核5.4.1 静刚度垂直方向：水平方向： 5.4.2 动刚度；式中：查文献表12-10知钢丝绳分支数；钢丝绳断面直径；钢丝绳纵向弹性模量；故副主梁动刚度合格5.5 稳定性校核 整体稳定性已保证。上盖板局部稳定性：取跨中的区格如图38所示图5.6 副主梁上盖板跨中区格此时 ； 合格腹板区格：图5.7 腹板区格的受力由于值很小，在这里可忽略。；合成临界应力为：； 合格第6章 副端梁计算6.1 内力分析自重产生的内力（垂直）:根据前述假定条件，副端梁按两端固定考虑图6.1 副端梁自重载荷图副主梁产生的内力（垂直）图6.2 副端梁外加载荷图当副小车满载且在近极限位置时有：同时，根据结构力学知识有：当副小车空载且位于远极限位置时有：主梁扭矩产生的弯矩： 扭矩： 综上所述，副端梁在C截面受力最严重，C截面（均忽略自重）：； ；水平惯性力：鉴于副框架的水平惯性力对副端梁的影响很小，而且其计算又很烦琐，这里忽略不计，其误差不超过5%。6.2 强度校核图6.3 副端梁强度验算点 1点：；=；故； 合格2点：； 合格6.3 疲劳强度校核图6.4 副端梁疲劳验算点1点（压缩）：；=；故 ； 合格2点（拉伸）： 其受力情况同1点故 ； 合格6.4 副端梁连接计算 腹板连接 盖板连接图6.5 副端梁螺栓连接布置用C截面上的内力来计算跨中连接面的强度，可简化计算，结果偏安全。6.4.1 螺栓；假设：剪力都有腹板承担 则： ；由于盖板、腹板在分载相同的情况下，盖板受力较大，而且腹板上的螺栓比盖板还多六个，可见只要盖板的连接合格，腹板一定合格。；当选用高强螺栓时，；6.4.2 连接件图6.6 连接板X方向：；Y方向：；合成：； 合格第7章 结论与展望通过近三个月的毕业设计，我在许多方面都有了很大的提高，了解到了很多方面知识。首先，此次毕业设计次设计是我们大学四年来进行的最综合、最大型、最全面且用时最长的一次设计，它几乎汇聚了我们大学期间所学科目的所有知识点，是把大学四年来的理论知识复习、总结并应用于实践当中，是对大学所学课的一次大总结，让我们对起重机械有了更深入的了解，从整体结构到各个部件都有了一个全面的认识，进而使所学知识得到巩固与提高。此次设计不但是对我们以前学习的一种深入，更是我们今后工作的一种理论基础。通过做本次设计，我得出如下结论：与一般的双梁桥式起重机相比，八梁桥式铸造起重机大部分具有工作级别高，其起重量大等特点，故设计时需要考虑的因素也较多，如此次设计就应该把平时较易忽略的疲劳强度验算作为强度验算的主要方面，其主要原因就是其工作级别提高了，疲劳破坏是导致其破坏的主要原因。现在工厂里多用双梁桥式起重机，因此我们所能接触到的关于此类设计方面的资料较多，而本次设计的八梁桥式铸造起重机，其设计过程则主要是先估算各截面的尺寸，然后再对其进行强度、刚度、稳定性以及疲劳强度的验算，通过反复修改