毕业设计（论文）-桥式起重机设计.doc

毕业设计说明书内容摘要： 该文主要对桥式起重机的金属结构以及起升机构进行了设计。金属结构的设计包括其主要尺寸的确定，主梁的设计、强度验算，以及刚度验算等，端梁的计算载荷的确定、主要焊缝的计算、接接头的设计，焊接工艺设计等等。起升机构的设计包括起升方案的选择，钢丝绳卷筒的直径确定，吊钩的选择，螺母的计算，以及电动机和减速器的选择等。关 键 词： 桥式起重机，金属结构，主梁。Abstract： This thesis mainly to the bridge crane metal structure and design for hoisting mechanism.Metal structure design including the main girder, the size of the design, to determine the intensity, and stiffness checking computations, calculation of girders load determination, main calculation, after welding joint design, welding process design, etc.Lifting mechanism design including lifting scheme selection, the diameter of wire rope drum, hook choice, determined, and the calculation of the nut electric motors and reducer choice, etc.Key words： Bridge Crane, metal structure，main beam。前 言 桥式起重机是应用非常广泛的起重机械。随着社会主义建设的发展, 桥式起重机的需要与日俱增, 我国每年的桥机产量在10万吨以上。桥式起重机的桥架结构是起重机的重要组成部分, 它的重量占起重机自重的40%60% , 要使用大量的钢材。桥架自重也直接影响厂房建筑承重结构及基础的土建费用与材料消耗。在确保产品使用安全及正常使用年限的前提下, 尽最减轻桥架自重是节约金属材料的重要途径。我国生产的桥式起重机, 不论是通用桥式起重机或是冶金工厂用特种桥式类型起重机,在1958年以前由于设计力量薄弱, 基本上是沿用国外的设计, 桥架结构以箱型和四桁架型等传统结构型式为主。一直到1958年大跃进以后, 由于破除迷信, 在群众性的技术革新运动推动下, 才试制了一些新型桥架结构的桥式起重机, 其中主要的如偏轨箱型、单主梁结构、三角桁架结构等等。但是由于没有及时总结经验, 研究试验工作也做得不够, 没有在改进与提高以后进行推广, 因此桥架选型工作仍然是我们当前迫切要做的工作, 应该比较系统的有组织的研究适合我国各个产业部门采用的桥架结构型。我国在桥式起重机的产品系列化、通用化和标谁化方面虽然也做了一些工作, 但为了使桥架结构定型, 还要做大量的工作。目前生产的基本情况是550吨小起重量桥式起重机仍以箱型结构为主,箱型结构是应用最为广泛的传统结构。它具有制造简便、生产工效高、通用性强等一系列的优点, 因而迄今仍然是国内外桥式起重机的常用桥架形式。在国内, 在50年代和60年代初期, 550吨的小起重量系列产品和75250吨的大起重量系列产品都采用箱型结构。1. 绪 论 桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。 本次起重机设计的主要参数如下:起重量10t,跨度34m，起升高度为9m起升速度8m/min小车运行速度V=1.640m/min大车运行速度V=50m/min大车运行传动方式为分别传动；桥架主梁型式为箱形梁。根据上述参数确定的总体方案如下：主梁的设计：主梁跨度34m ,是由上、下盖板和两块垂直的腹板组成封闭箱形截面实体板梁连接，主梁横截面腹板的厚度为6mm,翼缘板的厚度为10mm，主梁上的走台的宽度取决于端梁的长度和大车运行机构的平面尺寸，主梁跨度中部高度取H=L/17 ，主梁和端梁采用搭接形式，主梁和端梁连接处的高度取H0=0.40.6H，腹板的稳定性由横向加劲板和，纵向加劲条或者角钢来维持，纵向加劲条的焊接采用连续点焊，主梁翼缘板和腹板的焊接采用贴角焊缝，主梁通常会产生下挠变形，但加工和装配时采用预制上拱。端梁的设计：端梁部分在起重机中有着重要的作用，它是承载平移运输的关键部件。端梁部分是由车轮组合端梁架组成，端梁部分主要有上盖板，腹板和下盖板组成；端梁是由两段通过连接板和角钢用高强螺栓连接而成。在端梁的内部设有加强筋，以保证端梁架受载后的稳定性。端梁的主要尺寸是依据主梁的跨度，大车的轮距和小车的轨距来确定的；大车的运行采用分别传动的方案。在装配起重机的时候，先将端梁的一段与其中的一根主梁连接在一起，然后再将端梁的两段连接起来。 本章主要对箱形桥式起重机进行介绍，确定了其总体方案并进行了一些简单的分析。箱形双梁桥式起重机具有加工零件少，工艺性好、通用性好及机构安装检修方便等一系列的优点，因而在生产中得到广泛采用。我国在5吨到10吨的中、小起重量系列产品中主要采用这种形式，但这种结构形式也存在一些缺点：自重大、易下挠，在设计和制造时必须采取一些措施来防止或者减少。2. 主要尺寸的确定 2.1大车轮距 K=（）L=（）34=4.256.8m取K=5m2.2主梁高度H= 错误！未找到引用源。 = 错误！未找到引用源。 =1.89m(理论值)2.3端梁高度H0=（0.40.6）H=0.761.13m取H0=0.8m2.4桥架端部梯形高度C=（）L=（）34=3.46.8取C=2m2.5主梁腹板高度根据主梁计算高度H=1.89m，最后选定腹板高度h=1.9m2.6确定主梁截面尺寸主梁中间截面各构件板厚推荐确定如下：腹板厚：错误！未找到引用源。=6mm；上下盖板厚：错误！未找到引用源。=8mm主梁腹板内壁间距根据下面关系式来决定：因此取b=700mm盖板宽度：B=b+40=700+26+40=752mm取B=750mm主梁的实际高度：H=h+=1900+2错误！未找到引用源。8=1916mm同理，主梁支承截面的腹板高度取，这时支承截面的实际高度。2.7加劲板的布置尺寸 为了保证主梁截面中受压构件的局部稳定性，需要设置一些加劲构件。主梁端部大加劲板的间距：，取=2m主梁端部（梯形部分）小加劲板的间距：主梁中部（矩形部分）大加劲板的间距：若小车钢轨采用轻轨。其对水平重心轴线的最小抗弯截面模数，则根据连续梁由钢轨的弯曲强度条件求得加劲板间距（此时连续梁的支点即加劲板所在位置；使一个车轮轮压作用在两加劲板间距的中央）：式中 P小车的轮压，取平均值，并设小车自重为=40000N 动力系数，查得=1.16 钢轨的许用应力，=170MPa因此，根据布置方便，取=1.5m由于腹板的高厚比，所以要设置水平加劲杆，以保证腹板局部稳定性。采用角钢做水平加劲杆。3.主梁的计算 3.1计算载荷确定查得半个桥架（不包括端梁）的自重，则主梁由于桥架自重引起的均布载荷：查表查得主梁由于集中驱动大车运行机构的长传动轴系引起的均布载荷：，取=6.7N/cm由表查得运行机构中央驱动部件重量引起的集中载荷为：主梁的总均布载荷：=32+6.7=28.7N/cm主梁的总计算均布载荷：式中 冲击系数，查得=1.1作用在一根主梁上的小车两个车轮轮压值可选用:考虑动力系数=1.15动力系数。3.2主梁垂直最大弯矩由下式计算主梁垂直最大弯矩：设敞开式司机操纵室的重量为其重心距支点的距离-为将已知数值代入上式并计算可得： 3.3主梁水平最大弯矩由下式计算主梁的水平最大弯矩:式中 g重力加速度, 大车起动、制动加速度平均值，查得，则 不计冲击系数错误！未找到引用源。和动载系数错误！未找到引用源。时主梁垂直最大弯矩，由下式计算得： 因此得主梁水平最大弯矩：取3.4主梁的强度验算主梁中间截面的最大弯曲应力根据下式计算：式中 主梁中间截面对水平重心轴线x-x的抗弯截面模数，其近似值： 主梁中间截面对水平重心轴线x-x的抗弯截面模数， 其近似值：因此可得由表查得Q235钢的许用应力为：故主梁支承截面的最大剪应力由下式计算：式中 ：主梁支承截面最大剪力，由下式计算得： =2453.72N主梁支承截面对水平重心轴线x-x的惯性矩，其近似值：S主梁支承截面半面积对水平重心线X-X的静距： = =3841因此可得由表查得A3钢的许用剪应力为，故由上面的计算可知，强度足够。3.5主梁的垂直刚度验算主梁在满载小车轮压作用下，在跨中所产生的最大垂直挠度可按下式进行计算：式中 因此可得： =0.376cm允许的挠度值由下式可得：（A3级）因此 3.6主梁的水平刚度验算式中 作用在主梁上的集中惯性载荷 = 作用在主梁上的均布惯性载荷=0.320.64N/cm由此可得： =0.165cm水平挠度的许用值：因此 由上面计算可知，主梁的垂直和水平刚度均满足要求。当起重机工作无特殊要求时，可以不必进行主梁的动刚度验算。4.端梁的计算 4.1计算载荷确定 设两根主梁对端梁的作用力Q(G+P)max相等，则端梁的最大支反力：RA= 式中 K大车轮距，K=400cm Lxc小车轮距，Lxc=200cm a2传动侧车轮轴线至主梁中心线的距离，取a2=110cm 因此可得：RA= =257593.8N 4.2端梁垂直最大弯矩端梁在主梁支反力作用下产生的最大弯矩为： Mzmax=RAa1=257593.890=23.18106N.cm式中 a1导电侧车轮轴线至主梁中心线的距离，a1=90 cm。4.3端梁水平最大弯矩 1）端梁因车轮在侧向载荷下产生的最大水平弯矩： 式中：S车轮侧向载荷，S=lP； l侧压系数，查得，l=0.08； P车轮轮压，即端梁的支反力P=RA 因此： =0.08257593.890=1854675.36Ncm 2）端梁因小车在起动、制动惯性载荷作用下而产生的最大水平弯矩： =式中 小车的惯性载荷：由下式计算：= P1=37000/7=5290N 因此：=666540Ncm 比较和两值可知，应该取其中较大值进行强度计算。4.4端梁截面尺寸的确定选定端梁各构件的板厚如下： 上盖板d1=10mm, 中部下盖板d1=10 mm 头部下盖板d2=12mm 腹板d=6mm直径为600mm的车轮组尺寸，确定端梁盖板宽度和腹板的高度时，首先应该配置好支承车轮的截面，其次再确定端梁中间截面的尺寸。配置的结果，车轮轮缘距上盖板底面为30mm;车轮两侧面距离支承处两下盖板内边为10 mm，因此车轮与端梁不容易相碰撞；同时腹板中线正好通过车轮轴承箱的中心平面。最后，要检查端梁中部下盖板与轨道的距离。4.5端梁的强度验算 端梁中间截面对水平重心线X-X的截面模数： = 端梁中间截面对水平重心线X-X的惯性矩： = 端梁中间截面对垂直重心线Y-Y的截面模数： = 端梁中间截面对水平重心线X-X的半面积矩： = 端梁中间截面的最大弯曲应力： = 端梁中间截面的剪应力： =端梁支承截面对水平重心线X-X的惯性矩、截面模数及面积矩的计算如下： 首先求水平重心线的位置 水平重心线距上盖板中线的距离： = 8.15cm水平重心线距腹板中线的距离： C2=8.15-0.5-0.518.2 = -1.45 cm 水平重心线距下盖板中线的距离： C3=（18.2+0.5+0.6）-8.15 =11.15cm端梁支承截面对水平重心线X-X的惯性矩： =6954cm4端梁支承截面对水平重心线X-X的最小截面模数： = =6954 =561 cm3 端梁支承截面水平重心线x-x下部半面积矩： =2111.211.15+（11.15-0.6）0.6（11.15-0.6）/2 =328 cm3 端梁支承截面附近的弯矩： =RAd=14400014=2016000Ncm 端梁支承截面的弯曲应力： =35.9MPa 端梁支承截面的剪应力： =59.7MPa 端梁支承截面的合成应力： =109.4MPa端梁材料的许用应力： =(0.800.85) =(0.800.85)16.54=132.3140.6 MPa =(0.800.85) = (0.800.85)95.6 =76.581.3 MPa验算强度结果，所有计算应力均小于材料的许用应力，故端梁的强度满足要求。5.主要焊缝的计算5.1端梁端部上翼缘焊缝端梁支承截面上盖板对水平重心线X-X的截面积矩：=4018.15=326 cm3端梁上盖板翼缘焊缝的剪应力： =42.4MPa 式中 n1上盖板翼缘焊缝数； hf焊肉的高度，取hf=0.6 cm。5.2下盖板翼缘焊缝的剪应力验算端梁支承截面下盖板对水平重心线x-x的面积矩：=2121.211.15=321 cm3端梁下盖板翼缘焊缝的剪应力： =41.7MPa5.3主梁与端梁的连接焊缝主梁与端梁腹板的连接焊缝的剪应力由下式计算： =29.5MPa式中 h0连接处焊缝计算高度，取h0=0.95h=74.1 cm。5.4主梁上盖板焊缝主梁支承处最大剪应力作用下，上盖板焊缝剪应力由下式计算得：式中 Ix0主梁在支承处截面对水平重心线x-x的惯性矩Ix0=95500错误！未找到引用源。 S主梁上盖板对截面水平重心线的面积矩： 因此计算得：焊缝的许用应力由表查得t=95MPa，因此焊缝计算应力满足要求。6. 端梁接头的设计6.1 端梁接头的确定及计算端梁的安装接头设计在端梁的中部，根据端梁轮距K大小，则端梁有一个安装接头。端梁的街头的上盖板和腹板焊有角钢做的连接法兰，下盖板的接头用连接板和受剪切的螺栓连接。顶部的角钢是顶紧的，其连接螺栓基本不受力。同时在下盖板与连接板钻孔是应该同时钻孔。下盖板与连接板的连接采用M18的螺栓，而角钢与腹板和上盖板的连接采用M16的螺栓。6.1.1 腹板和下盖板螺栓受力计算1.腹板最下一排螺栓受力最大，每个螺栓所受的拉力为： N拉= = =222126.7N2.下腹板每个螺栓所受的剪力相等，其值为： N剪= = =12621.5N式中 n0 下盖板一端总受剪面数；n0=16 N剪下盖板一个螺栓受剪面所受的剪力： N 侧腹板受拉螺栓总数；n=16d1 腹板上连接螺栓的直径（静截面） d0 下腹板连接螺栓的直径；d1=16mm H 梁高；H=500 mm M 连接处的垂直弯矩；M=7.061066.1.2 上盖板和腹板角钢的连接焊缝受力计算1.上盖板角钢连接焊缝受剪，其值为： Q= =412147.8N2.腹板角钢的连接焊缝同时受拉和受弯，其值分别为：N腹= = =99725.8N M腹= =10159560.42Nmm6.2 计算螺栓和焊缝的强度6.2.1 螺栓的强度校核1.精制螺栓的许用抗剪承载力：N剪= = =137343.6N 2.螺栓的许用抗拉承载力N拉= = =27129.6N式中t=13500N/cm2 s=13500N/cm2 由1表25-5查得由于N拉N拉 ,N剪N剪 则有所选的螺栓符合强度要求6.2.2 焊缝的强度校核1.对腹板由弯矩M产生的焊缝最大剪应力：tM=7753.02N/ cm2式中 I =5115.06 焊缝的惯性矩2.由剪力Q产生的焊缝剪应力：tQ= = =3931.5N/ cm2折算剪应力：t= =7572.1 N/ cm2t=17000 N/ cm2t由表查得式中 h焊缝的计算厚度取h=6mm3.对上角钢的焊缝t=138.8N/ cm2t由上计算符合要求。7.焊接工艺设计对桥式起重机来说，其桥架结构主要是由很多钢板通过焊接的方法连接在一起，焊接的工艺的正确与否直接影响桥式起重机的力学性能和寿命。角焊缝常用的确定焊角高度的方法 图7-1角焊缝最小厚度为：a0.3dmax+1dmax为焊接件的较大厚度，但焊缝最小厚度不小于4mm，当焊接件的厚度小于4mm时，焊缝厚度与焊接件的厚度相同。角焊缝的厚度还不应该大于较薄焊接件的厚度的1.2倍，即:a1.2dmin按照以上的计算方法可以确定端梁桥架焊接的焊角高度a=6mm.在端梁桥架连接过程中均采用手工电弧焊，在焊接的过程中焊缝的布置很关键，桥架的焊缝有很多地方密集交叉在设计时应该避免如图7-2（a）、7-2（b）所示 图7-2（a） 图7-2（b）定位板和弯板的焊接时候，由于定位板起导向作用，在焊接时要特别注意，焊角高度不能太高，否则车轮组在和端梁装配的时，车轮组不能从正确位置导入，焊接中采用E5015（J507）焊条，焊条直径d=3.2mm,焊接电流160A,焊角高度最大4。如图7-3位弯板和定位板的焊接 图7-3 角钢和腹板、上盖板的焊接采用的是搭接的方法，在焊好后再将两段端梁拼在一块进行钻孔。由于所用的板材厚度大部分都小于10mm ,在焊接过程中都不开坡口进行焊接。主要焊缝的焊接过程如下表：表7-1焊接顺序焊接名称焊接方法接头形式焊接工艺1小筋板腹板手工电弧焊双面角接不开坡口，采用E5015（J507）焊条，焊条直径d=4mm,焊接电流160210A2筋板腹板手工电弧焊双面角接同上3端面板腹板手工电弧焊双面角接同上4定位板弯板手工电弧焊搭接不开坡口，采用E5015（J507）焊条，焊条直径d=3.2mm,焊接电流160A弯板腹板手工电弧焊双面角接不开坡口，采用E5015（J507）焊条，焊条直径d=4mm,焊接电流160210A5角钢腹板手工电弧焊搭接同上角钢上盖板手工电弧焊搭接同上6腹板大筋板手工电弧焊角接同上7下盖板腹板手工电弧焊双面角接同上8大筋板下盖板手工电弧焊角接同上9上盖板腹板手工电弧焊角接同上10大筋板上盖板手工电弧焊角接同上8.起升机构方案的选择起升机构一般由驱动装置(包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等)、钢丝绳卷绕装置(包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮)、取物装置和安全保护装置组成。电动机驱动是起升机构的主要驱动方式。当起重量在50t以下时，常见的桥式起重机的起升机构布置方式如下图所示；图8-1起升机构配置方案1-电动机；2-联轴器；3-传动轴；4-制动器；5-减速器；6-卷筒；7-轴承座；8-平滑滑轮；9-钢丝绳；10-滑轮组；11-吊钩8.1 钢丝绳、滑轮和卷筒直径的确定8.1.1 钢丝绳的计算与确定采用双联滑轮组，按，查取滑轮组倍率m =3；钢丝绳所受最大拉力（载荷）：式中 最大载荷， 其中 ；Z悬挂吊重的钢丝绳分支数，； 滑轮组效率，=0.98；所选钢丝绳的直径应满足： 式中 钢丝绳直径； 钢丝绳最大静工作拉力； C选择系数，根据起重机械表2-4，； 取钢丝绳直径，捻向：交互捻；选择钢丝绳型号为： 8.1.2 滑轮和卷筒直径的确定 按钢丝绳中心来计算滑轮与卷筒的最小直径： ； 式中 按钢丝绳中心计算的滑轮和卷筒的最小直径； 钢丝绳直径； 与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，根据机 械设计手册表8.1-61，对滑轮=24，对卷筒=24； 滑轮 ； 取动滑轮直径(滑轮槽底直径)，平衡滑轮。取。 卷筒 ；8.2 吊钩滑轮组的选择和验算8.2.1.吊钩的选择吊钩尾部螺纹直径的确定, 式中 最大起重载荷； 起动动载系数，由起重机械表1-9确定 ； 螺纹根部面积； 螺纹根部直径； 许用应力，；选等级强度为，则，； 采用短型吊钩组，根据额定起重量和工作类型M5来选择直柄单钩LM16 MGB/T10051.11988，吊钩材料为DG20,螺纹外径，螺纹根部直径。8.2.2 吊钩螺母的计算螺母高度不得小于H， 式中 t=10mm螺距 许用挤压应力，钢对钢（螺母材料45 号钢）；公制螺母的高度: ；考虑放止动垫片的尺寸取螺母高度：；螺母外径：。取D=120mm8.2.3止推轴承的计算 对于颈部直径的吊钩选轻系列单列止推轴承8317，取静负荷容量： 轴承的计算载荷应等于或小于其静负荷容量：8.2.4 吊钩横梁的计算图8-2吊钩横梁计算简图采用45号钢制造，强度极限，屈服极限，耐久极限 。假设横梁上作用集中载荷，计算弯曲应力，此外还认为剪切力对弯曲应力影响不大，按结构布置确定计算尺寸，即靠边两个滑轮轴线间的距离，横梁中间宽度，拉板厚度，横梁的计算载荷（也是止推轴承的计算载荷）。中间截面A-A的最大弯曲应力= 式中 横梁高度； 轴孔直径， 取 。轴孔的平均挤压应力 式中 许用挤压应力， 拉板厚度， 取。8.2.5 滑轮及滑轮轴承的选择由钢丝绳直径，动滑轮直径，选择滑轮的型号为滑轮。选用平衡滑轮为d=14mm，D=225mm，滑轮轴直径45mm的F型滑轮标记为：滑轮用内轴套和隔环:内轴套：；隔环；滑轮轴承：46216；滑轮挡盖：。8.3 卷筒的计算8.3.1 卷筒的基本尺寸 取卷筒（按槽底计算）直径；卷筒的计算直径（按缠绕钢丝绳的中心计算）；卷筒长度 取卷筒长度为3000mm式中 卷筒上有螺旋槽部分长无绳槽卷筒端部尺寸，； 固定钢丝绳区段的长度，； 左右螺旋槽之间的距离，查表选185mm。其壁厚按经验公式确定 取壁厚为15mm。8.3.2 验算卷筒强度卷筒的材料采用HT200，抗压强度为。卷筒所受压应力 式中 对吊钩起重机的安全系数，=1.5 故抗拉强度通过。卷筒的最大弯矩产生在钢丝绳位于卷筒中央时， 式中 卷筒全长； 左右螺旋槽之间的距离；卷筒断面系数 式中 卷筒直径，； 卷筒内径，；弯矩产生的拉应力： 满足受拉强度要求；合成应力： 式中许用拉应力为39MPa8.3.3 卷筒转速8.4 电动机的确定8.4.1 电动机的确定起升机构静功率： 式中 最大起升载荷； 起升机构总效率 ；电动机的计算功率： 由于起重机的工作级别M5，可以由工程起重机标319中得到： 根据机械设计通用手册选定型电动机，主要指标为：转速 ,额定功率 ,转速 。8.4.2 电动机发热及过载验算 等效功率： 查表352起升机构曲线1得r=0.87，查表得K=0.75， ，电动机满足不过热条件。8.5 减速器的选用8.5.1 减速器的确定 电动机的转速： 传动比： 根据减速器选用手册选定 ，需用功率为12KW，传动比为40.17。8.6 制动器的选择根据物体下降时的扭矩: 式中 最大载荷量，； 卷筒计算直径，； 滑轮组倍率，； 减速器传动比，； 总效率，； 制动转矩 ，查机械设计通用手册选择制动器，制动轮直径，额定转矩8.7 联轴器的选择 根据电动机输出轴的直径和变速器输入直径选用联轴器型齿轮联轴器和带制动轮的直径为300mm的半齿联轴器S124。 的主要参数：公称转矩,许用转速，转动惯量。的主要参数：公称转矩，许用转速，转动惯量。联轴器力矩的校核： 式中 传扭矩的计算值； 按第类载荷计算的轴传最大扭矩，175.53N 联轴器重要参数，对于起升机构=1.75；角度偏差系数，； 联轴器符合要求。8.8 起制动时间验算8.8.1 起动时间的验算起动时间： =0.708S式中 电动机额定转速，； 电动机平均起动转矩，； 电动机静阻力矩； 机构运动质量换算到电动机轴上的总转动惯量：=4.558，起动时间符合要求。8.8.2 制动时间的验算满载下降制动时间： 式中 满