铸造起重机吨位结构设计.doc

铸造起重机吨位结构设计第一章 总体方案设计1.1 原始参数起重量Q(主/副) 180/50t跨度S 22m工作级别Ai A8起升高度H(主/副) 20/22m起升速度V(主/副) 4.5/11.4 m/min运行速度(主/副/大车) 36/33.7/73.5 m/min轮距(主/副/大车) 4080/1850/9800 mm轨距(主/副/大车) 8700/3000/22000 mm轮压(主/副/大车) 34500/19640/87600 kg起重机重量 220t1.2总体结构及设计根据已给参数，此桥式铸造起重机吨位、跨度较大，为减少结构的超静定次数，改善受力，方便运输，选用六梁铰接式结构。结构框架如图(1)图(1)1.3 材料选择及许用应力根据总体结构，铸造起重机工作级别A8为重级，工作环境温度较高，设计计算时疲劳强度为其首要约束条件，选用Q235-A，考虑起重量较大，主/副梁均采用偏轨箱型梁。材料的许用应力及性能常数见表1、表2。表1.1 材料许用应力板厚正应力剪应力mm16370152.0167.9184.487.7696.94106.5370158.8175.4192.691.7101.3111.2表1.2 材料性能常数表弹性模量E剪切弹性模量G密度1.4各部件尺寸及截面性质1. 主主梁尺寸初选高度=12941571mm考虑大车运行机构安装在主梁内，且主主梁与副主梁的高度差必须满足一定得要求，故将主主梁取为大截面薄钢板的形式，以达到节省材料、重量轻的要求。因此取腹板高度mm。为了省去走台，对宽型偏轨箱型梁，主主梁腹板内侧间距取mm=440mm。上下翼缘板厚度mm，上翼缘板长2530mm，下翼缘板长2326mm，主腹板厚度 mm，副腹板厚度 mm。上下翼缘板外伸部分长不相同。有轨道一侧上翼缘板外伸长度mm，取250mm。其它翼缘外伸部分长度 mm。mm (焊缝厚度) 取=50mm。轨道侧主腹板受局部压应力，应将板加厚，由局部压应力的分布长度，设计离上翼缘板350mm的一段腹板板厚取为18mm。主主梁跨中截面尺寸如图(2)图(2)2主主梁跨端截面尺寸高度mm要确定主主梁跨端截面尺寸，只需确定其高度，取=1300mm，跨端下翼缘板厚度为18mm。主主梁跨端截面尺寸如图(3)3截面性质(1) 主主梁跨中 建立如图示的坐标系，计算形心位置 =1256.851257mm。 =1238.881239mm 计算弯心位置mm弯心近似地在截面对称形心轴上，其至主腹板中线的距离为1021mm。净截面面积 毛截面面积 计算惯性矩 对形心轴的惯性矩对形心轴的惯性矩(2) 主主梁跨端截面性质净截面面积 毛截面面积 建立图示的坐标系，计算形心位置计算惯性矩，对形心轴的惯性矩对形心轴的惯性矩二、副主梁尺寸1. 初选梁高 =12941571mm，取腹板高度 ，上下翼缘板厚度 ，腹板厚度：主腹板 ，副腹板厚度 ，副主梁总高 副主梁宽度 ，取腹板内侧间距 且 1100，主腹板一侧上翼缘板外伸长度 ，取外伸长 ，其余悬伸长大于1.5倍的焊缝厚度，取。其尺寸如下图图(4)2. 副主梁跨端截面尺寸的确定 确定其高度 ，取腹板高度为800 副主梁跨端截面尺寸如图(5)图(5)3. 截面性质( 1) 跨中 建立图示的直角坐标系，求形心位置净截面面积 毛截面面积 计算弯心位置A 弯心距主腹板板厚中线的距离为 计算惯性矩 对形心轴的惯性矩：对形心轴的惯性矩： 副主梁跨端截面性质 建立图示的坐标系，求截面形心位置净截面面积 毛截面面积 对形心轴的惯性矩：对形心轴的惯性矩：三、端梁截面尺寸考虑大车车轮的安装及台车的形状尺寸，端梁内宽取为600。初设截面尺寸如下图 图(6)形心即对称中心 对形心轴的惯性矩：净截面面积 毛截面面积 四、各截面尺寸及性质汇总表图(7)尺寸汇总表 1.3 单位：mm主主梁跨中181814122530232622002400跨端181814122530232622001264副主梁跨中16161081270118011001500跨端1616108127011801100800端梁12121010660660600776截面性质汇总表1.4净面积毛面积主主梁跨中123912571512085351034跨端12376751216722837066副主梁跨中629782662001681244跨端62442753600904944端梁33040031360480680第二章 桥架分析2.1 载荷组合的确定一、动力效应系数的计算1起升冲击系数 0.9 对桥式铸造起重机 2起升动载系数 主主梁 副主梁 3运行冲击系数 为大车运行速度 =73.5，为轨道街头处两轨面得高度差 ，根据工作级别，动载荷用载荷组合 进行计算，应用运行冲击系数。2.2 桥架假定 为了简化六梁铰结桥架的计算，特作如下假定：1 根据起重机的实际工作情况，以主、副小车一起工作为最不利载荷工况。2 主主梁、副主梁的端部与端梁在同一水平面内。3 由于端梁用铰接分成5段，故副主梁的垂直载荷对相互间受力分析互不影响。4 将端梁结构看作多跨静定梁，主主梁受力作为基本结构对副主梁无影响；副主梁受力作为附属部分对主主梁有影响。5 计算副主梁水平载荷时，将铰接点看成刚性连接。 2.3 载荷计算1主主梁自重 由设计给出的主小车轮压34500kg，选用车轮材料ZG35CrMnSi，车轮直径，轨道型号QU120，许用值38700kg。由轨道型号QU120查得轨道理论重量，主小车轨道重量 栏杆等重量 主梁的均布载荷 2主小车布置，两侧起升机构对称布置，重心位于对称中心。吊具质量 起升载荷 小车重量 因主小车吨位较大，采用台车形式八个车轮，可求实际主小车满载时的静轮压一根主主梁上空载小车轮压 3惯性载荷一根主主梁上小车惯性力主小车上主动轮占一半，按主动车轮打滑条件确定主小车的惯性力 大车起、制动产生的惯性力4偏斜运行侧向力一根主主梁的重量为 主主梁跨端焊接上两块耳板，与副主梁端梁连接，在计算时，按假想端梁截面进行计算。图(8)与主主梁连接的端梁部分（将超出轨距的一部分所假想而成的端梁截面尺寸） 其截面尺寸如下形心 对形心轴 的惯性矩：对形心轴的惯性矩：端梁净截面积 端梁毛截面积 一根端梁单位长度重量一组大车运行机构重量 司机室及其电气设备的重量 主主梁侧假想端梁重 (1) 满载小车在主主梁跨中左侧端梁总静轮压由下图(12)计算 由 查图3-8得，侧向力为 满载小车在主主梁左端极限位置左侧端梁总静轮压为 侧向力 6 扭转载荷偏轨箱型梁由和的偏心作用而产生移动扭转，其它载荷，产生的扭矩较小且作用方向相反，故不计算。偏轨箱型梁弯心A在梁截面的对称形心轴上（不考虑翼缘外伸部分），由前计算可知，弯心至主腹板中线的距离为，查可知轨高 移动扭矩 二、副主梁1自重 由设计给出的副主梁小车轮压 19640kg，查选用车轮材料ZG50MnMo，车轮直径，轨道型号QU70，许用值21800kg。查得轨道理论重量，副小车轨道重量 栏杆等重量 副主梁的均布载荷 2小车轮压小车布置如图(13) 主钩铅垂线中心通过小车中线的E点（按比例布置作用点位置）小车重心F点位置 起升载荷为 吊具质量 小车重量 按受载大的AB梁计算小车轮压，见图(14) 满载小车的静轮压空载小车轮压为3惯性载荷一根副主梁上小车的惯性力副小车上主动轮占一半，按主动车轮打滑条件确定副小车的惯性力 大车起、制动产生的惯性力4偏斜运行侧向力一根副主梁的重量为 一根端梁单位长度的重量 与副主梁焊接端梁重量 (1) 满载小车在副主梁跨中 见图(15)左侧端梁总静轮压为 由，查图3-8得(2) 满载小车在副主梁左端极限位置左侧端梁总静轮压侧向力 5扭转载荷偏轨箱型梁由和产生，弯心，查可知轨高 ，移动扭矩 2.4简化模型见图(16)大车主主梁端部有两个台车，可简化为一个滑动铰支座：（1.2.5.6）副主梁端部支撑车轮（3.4）简化为一个可动铰支座；简化模型见图（16）超静定次数 进一步简化：主主梁端部采用两个台车，只是增加了支撑装置，减小了轮压。将两个滑动铰支座分别用一个固定铰支座代替，约束一样，只是取消了对扭矩的抵制作用。将滑动铰支座换成固定铰支座。将此端梁结构看成多跨超静定梁，沿处拆分，主主梁（基本部分）+副主梁（附属部分）；主主梁受力对副主梁无影响；副主梁受力对主主梁有影响。在计算水平载荷时将铰四个铰点看作刚节点进行计算。将主主梁看作一个单梁桥架，副主梁对其影响在或处相当于加了一个可动铰支座。忽略副主梁对主主梁端部轴受力影响，使主主梁水平面内弯矩值偏大，设计可靠性增强，计算偏保守。主主梁水平刚架计算模型如图(19)副主梁水平刚架计算时，主主梁对副主梁相当于固定铰支座。2.5 垂直载荷一、主主梁在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算。见图(21)1 固定载荷作用下在主主梁跨中的弯矩为跨端剪切力为2 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侧台车轴线距离 跨中E点的剪切力 跨中内扭矩 (2) 满载小车在跨端极限位置小车左轮距梁端距离取为0.7跨端剪切力 跨端内扭矩为主主梁跨中总弯矩为 主梁跨端总剪切力为 二、副主梁在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算。1 固定载荷作用下在副主梁跨中的弯矩为跨端剪切力为2 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 跨中E点的剪切力 跨中内扭矩 (2) 满载小车在跨端极限位置小车左轮距梁端距离取为0.5跨端剪切力 跨端内扭矩为副主梁跨中总弯矩为 副主梁跨端总剪切力为 2.6 水平载荷如前面模型简化，将主主梁的一根梁看作单梁桥架，副主梁看作双梁桥架。一、主主梁的水平惯性载荷模型如前面图(18) 1 小车在跨中，刚架的计算系数为跨中水平弯矩跨中水平剪切力 跨中轴力为2小车在跨端，跨端水平剪切力二、偏斜侧向力计算简图如(22)1 小车在跨中，侧向力 超前力为 B处轴力 B处水平剪切力 主梁跨中水平弯矩 主梁轴力 主梁跨中总水平弯矩为 2 小车在跨端侧向力为超前力 B端水平剪切力 主梁跨端水平弯矩 主梁跨端的水平剪切力为 主梁跨端总的水平剪切力为 三、副主梁副主梁求解水平载荷的模型，见图(23)在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算，因偏轨箱型梁与端梁连接面较宽，应取两主梁轴线间距代替原小车轨距构成新的水平刚架，这样比较符合实际，于是 1 水平惯性载荷(1) 小车在跨中，刚架的计算系数为跨中水平弯矩跨中水平剪切力 跨中轴力为(2) 小车在跨端，跨端水平剪切力二、偏斜侧向力在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平刚架分析，计算简图如(24)计算系数为 (1) 小车在跨中，侧向力 超前力为 端梁中点的轴力 端梁中点的水平剪切力 副主梁跨中的水平弯矩 副主梁轴力 副主梁跨中总水平弯矩为 (2) 小车在跨端侧向力为超前力 端梁中点的水平剪切力 副主梁跨端的水平弯矩 副主梁跨端的水平剪切力为 副主梁跨端总的水平剪切力为 第三章 主主梁计算3.1 强度校核1 需要计算主梁跨中截面危险点、的应力，见图(24)(1) 主腹板上边缘点的应力主腹板边至轨顶的距离为 主腹板边的局部压应力为 垂直弯矩产生的应力 水平弯矩产生的应力 惯性载荷与侧向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。主梁上翼缘的静矩为主腹板上边的切应力为点的折算应力 满足要求 点的应力满足要求(3) 点的应力下翼缘板与副腹板连接处的外侧表面应力满足要求(3) 主梁跨端的切应力1) 主腹板承受垂直剪力及，故主腹板中点切应力为满足要求2) 翼缘板 （承受水平剪切力）主梁跨端的水平剪切力 跨端内扭矩 3.2 主主梁疲劳强度校核桥架工作级别为A8，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应力求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中E点，则 空载小车位于右侧跨端时，见图(26)，左端支反力为1验算主腹板受拉翼缘焊缝的疲劳强度，见图(24) 应力循环特性 根据工作级别A8，应力集中等级及材料Q235，查得，焊缝拉伸疲劳许用应力为 合格2 验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处的疲劳强度应力循环特性 显然，相同工况下的应力循环特性是一致的。由A8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60mm，应力集中等级为，查得疲劳许用应力，拉伸疲劳许用应力为 合格3.3 主梁的稳定性1整体稳定性主梁高宽比 （稳定） 2 局部稳定性翼缘板，需设置两条纵向加劲肋。验算 （稳定）翼缘板最大外伸部分 （稳定）主腹板 副腹板 故需设置横隔板和一条纵向加劲肋，主、副腹板相同，隔板间距，纵向加劲肋位置 ，取550mm，其布置示于图(27)1) 验算跨中主腹板上区格的稳定性。区格两边正应力为 （属于不均匀压缩板）区格的欧拉应力为 区格分别受，作用时的临界应力为，板边弹性嵌固系数=1.2屈曲系数 则 ，故需修正，当区格受腹板边局部压应力 时，压力分布长 ，按计算，区格属双边局部压缩板，板的屈曲系数需修正，则当区格受平均切应力时：由，板的屈曲系数 故需修正 区格上边缘的复合应力为 ，区格的临界复合应力为 所以，区格的局部稳定性合格。2) 验算跨中副腹板上区格的稳定性 区格只受及的作用区格两边的正应力为 切应力 区格的欧拉应力 （属于不均匀压缩板）屈曲系数 则 ，故需修正，当剪应力作用时 故需修正 区格上边缘的复合应力为 ，区格的临界复合应力为 所以，区格的局部稳定性合格。2) 加劲肋的确定横隔板厚度 ，板中开孔尺寸为 ，镶边板厚 ，镶边板宽 ，其尺寸如图(28)翼缘板纵向加劲肋选用角钢， 纵向加劲肋对翼缘板与加劲肋接触面的惯性矩为 （合格）主、副腹板采用相同的纵向加劲肋 纵向加劲肋对腹板板厚中心线的惯性矩为 综上所述，选择的加劲肋合格。3.4 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，见图(28) 满足要求2桥架的水平惯性位移小车位于跨中，计算起动工况的跨中位移：3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 全桥架中点换算质量 起升质量 起升载荷 起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为 取，为吊具最小下放距离桥架跨中静位移为查选用倍率 ，由钢丝绳静拉力 选用型钢丝绳 起升钢丝绳滑轮组的静伸长 结构质量影响系数 桥式起重机的垂直自振频率4水平动刚度起重机水平动刚度以物品高位悬挂，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半刚架跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为桥式起重机的水平自振频率为3.5 桥架拱度主主梁的桥架拱度与副主梁的一样，见后面副主梁桥架拱度设置。第四章 副主梁校核4.1 强度校核1需要计算主梁跨中截面危险点、的应力，见图(30)(1) 主腹板上边缘点的应力主腹板边至轨顶的距离为 主腹板边的局部压应力为 垂直弯矩产生的应力 水平弯矩产生的应力 副主梁上翼缘的静矩为主腹板上边的切应力为点的折算应力 满足要求 点的应力满足要求(3) 点的应力满足要求2副主梁跨端的切应力1) 主腹板承受垂直剪力及，故主腹板中点切应力为满足要求2) 翼缘板 （承受水平剪切力）主梁跨端的水平剪切力 跨端内扭矩 主梁翼缘焊缝厚度 ，采用自动焊。4.2 副主梁疲劳强度校核桥架工作级别为A8，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应力求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中E点，则 空载小车位于右侧跨端时，见图(31)，左端支反力为1验算主腹板受拉翼缘焊缝的疲劳强度，见图(25) 应力循环特性 根据工作级别A8，应力集中等级及材料Q235，查得，焊缝拉伸疲劳许用应力为 合格2验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处的疲劳强度应力循环特性 显然，相同工况下的应力循环特性是一致的。由A8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50mm，应力集中等级为，查得疲劳许用应力，拉伸疲劳许用应力为 合格4.3 副主梁的稳定性1整体稳定性主梁高宽比 （稳定） 3 局部稳定性翼缘板，需设置一条纵向加劲肋。验算 （稳定）翼缘板最大外伸部分 （稳定）主腹板 副腹板 故需设置横隔板和一条纵向加劲肋，主、副腹板相同，隔板间距，纵向加劲肋位置 ，取350mm，其布置示于图(31)1) 验算跨中副腹板上区格的稳定性 区格只受及的作用区格两边的正应力为 切应力 区格的欧拉应力 （属于不均匀压缩板）屈曲系数 则 ，故需修正，当剪应力作用时 故需修正 区格的复合应力为 ，区格的临界复合应力为 所以，区格的稳定性合格。2) 加劲肋的确定横隔板厚度 ，板中开孔尺寸为 。翼缘板纵向加劲肋选用角钢， 纵向加劲肋对翼缘板与加劲肋接触面的惯性矩为 （合格）主、副腹板采用相同的纵向加劲肋 纵向加劲肋对腹板板厚中心线的惯性矩为 综上所述，选择的加劲肋合格。4.4 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，见图(33) 满足要求2桥架的水平惯性位移小车位于跨中，计算起动工况的跨中位移：3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 全桥架中点换算质量 起升质量 起升载荷 起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为 取，为吊具最小下放距离桥架跨中静位移为查选用倍率 ，由钢丝绳静拉力 选用型钢丝绳 起升钢丝绳滑轮组的静伸长 结构质量影响系数 桥式起重机的垂直自振频率4水平动刚度起重机水平动刚度以物品高位悬挂，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半刚架跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为桥式起重机的水平自振频率为4.5 桥架拱度桥架跨度中央的标准拱度值考虑制造因素，实取跨度中央两边按抛物曲线 设置拱度，如下图(34)距跨中为 的点，距跨中为 的点，距跨中为 的点，第五章 端梁校核5.1 主主梁端部耳板设计计算主主梁跨端结构受力，工况：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垂直载荷主梁最大支承力 因作用点的变动引起的附加力矩为按假想端梁计算自重 计算简图(35)端梁支座反力如图，截面1-1 弯矩 剪力 截面2-2 弯矩 剪力 2水平载荷端梁的水平载荷有，亦按简支梁计算，见图(36)因作用点外移引起的附加水平弯矩为弯矩 截面1-1 剪切力 截面2-2在，水平力作用下，2-2处水平