10t电动单梁门式桥架结构的设计和支腿设计.doc

东华理工长江学院毕业设计 绪论 绪论1.门式起重机发展概述门式起重机是桥上起重机的一种变形。在港口，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。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，在港口货场得到广泛使用。其结构框架总图如下: 图11 单梁门式起重机结构框架图国内起重机发展动向:国内门式式起重机发展有三大特征：1） 改进机械结构，减轻自重国内门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。国外起重机发展动向:当前，国外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。 4） 机械化运输系统的组合应用国外一些大厂为了提高生产率，降低生产成本，把起重运输机械有机的结合在一起，构成先进的机械化运输系统。2.课题设计的内容课题设计的主要内容是主要设计的是10t电动单梁门式桥架结构的设计和支腿设计，其中包括断面形式，载荷，刚度和稳定性验算以及钢轨应力计算，对桥架主梁和支腿进行结构设计和力学分析，绘制桥架的结构图以及主梁，支腿的零件图。起重机的起重量为10吨，跨度S为29米，有效悬臂为7米，大车运行的速度为20米/分，在工作时，起升机构的起升高度能达到9米，起升速度为20米/分，在起升机构运动的同时，大车和下车可以同时进行直线运行，小车运行速度最大可以为20米/分，大车运行速度最大可以为20米/分，电动小车采用CD1型电动葫芦，起重机的工作级别为M5。0 东华理工长江学院毕业设计 主梁的设计 1.主梁结构的设计1.1电动单梁桥架结构简图 单梁葫芦起重机一般采用工字钢作为电动葫芦的运行轨道，电动葫芦沿工字钢下翼缘运行，主梁结构采用钢板焊接成形的U型槽钢，再与工字钢组成箱形实腹板梁，为保证起重机安全，正常地工作，主梁应满足强度，刚度和稳定性的要求。 图11主梁结构简图1.2主梁断面形式确定 主梁截面为U型槽钢与工字钢的组合，截面尺寸可按静刚度条件进行初选，对于移动载荷，应小车轮距较小，近似的按集中处理，根据电动葫芦的参数，选定30b工字钢。主梁初选高度：S为主梁跨度，S=29000mm取H=1450mm，上翼缘板厚度为14mm，腹板厚度为6mm，主梁宽度为650mm 图12 主梁断面形式 1.2.1主梁断面面积查得主梁断面面积计算公式如下，以下计算式均查自起重机设计手册起重机设计实例 =0.5（6520.6）+20.688.1+20.643+67.3111 =245.5cm21.2.2主梁断面水平行心轴XX位置 式中 主梁断面的总面积（mm2） 各部分面积对XX轴的静矩之和（mm2） Y1x各个部分面积行心至XX轴的距离（mm2） =480mm1.2.3主梁断面惯性矩 =6.3108mm4 1.3主梁载荷与内力计算 作用于起重运输机金属结构上的载荷，根据其不同特点与出现的频繁程度分为基本载荷、附加载荷及特殊载荷三类。本章主要结合，10T电动单梁门式起重机，对其计算载荷进行分析，选择载荷组合方式，确定各个计算载荷.1.3.1自重载荷与内力计算 对于有悬臂的门式起重机，其自重 PG门= Q起重量（吨），Q=10T L0主梁全长，L0=S+2L=29+27=43m H起升高度，H=9m PG门=43.4T 主梁自重为: g4.31049.8=4.2105N计算金属结构时，箱型梁的自重视为均布载荷，用q表示，跨度S=29m，有效悬臂长L=7m，主梁总长Lz=43m主梁自重的均布载荷：=4.2104/43=9800N/m 主梁自重引起的内力 图13 静载荷弯矩和剪力图 支反力： C、D处静载弯矩及剪力： 跨中静载弯矩：1.3.2移动载荷及内力计算龙门起重机的起升载荷常以小车轮压的形式作用于主梁上。进行轮压计算时，小车视为刚性支架。小车采用电动葫芦代替电动葫芦轮压的计算表达式： Pxc由于电动葫芦自重引起的轮压；由于吊重引起的轮压；、动力系数，可取或，可取、或N=+=9839.2+98000=1.110考虑动力载荷的作用,取，取。因大车运行速度V=20m/min60m/min，起升速度=7m/min，=1.1，=1.2PP=1.19839.2+1.298000=1.3105N 移动载荷引起的主梁内力（1） 移动载荷位于跨端有效悬臂处 支反力：剪力：弯矩： （2） 移动载荷位于跨中时 图14移动载荷弯矩和剪矩图支反力：剪力：当其中一个轮压P作用在跨中时，跨中剪力最大最大剪力为：弯矩：1.3.3风载荷及内力计算 露天工作的起重机金属结构应考虑风载荷的作用。视风载荷是可能作用于任何方向的水平载荷。对我们所讨论的常用起重机，只计算风压的静力作用，不考虑风压的动力效应。按照起重机在一定风力下能否正常工作，把作用于起重机金属结构的风载荷分为工作状态的风载荷和非工作状态的风载荷两类。工作状态的风载荷是起重机金属结构在正常工作情况下所能承受的最大计算风压；非工作状态的风载荷则是起重机金属结构不工作时能承受的最大计算风压。工作状态和非工作状态的风载荷按下式 风力系数，与金属结构的外形、几何尺寸等有关；风压高度变化系数； 风振系数（对常用起重机1.0）；结构或物品垂直于风向的迎风面积（）；计算风压（）， 迎风面的高度取 h=1.4，/43/1.4=31,根据起重机设计手册风力系数得C=1.7，主梁迎风面积 A=Lh=431.4=60.2m2 =1.7125060.2=25585N起升物品迎风面积，起重量Q=10T时，A=7m2起升物品受风载荷 设葫芦有效迎风面积，则葫芦上风载荷为 主梁上的均布风载荷为：1.3.4.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支反力：弯矩：1.4主梁强度计算主梁强度计算按第II类载荷进行组合，对活动载荷由于小车轮距很小，可近似按集中载荷处理，验算主梁跨中断面弯矩正应力和跨端断面剪应力,跨中断面弯曲正应力应包括主梁的整体弯曲正应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲应力两部分，合成后进行强度校核,梁的整体弯曲在垂直平面内按简支计算，在水平面内按刚接计算.1.4.1垂直载荷在下翼缘的弯曲正应力 式中 其中 Q额定起重量，Q=10103kg 电动葫芦自重，G=1004kg 动力系数，对中级工作类型=1.2 冲击系数，对操作室操纵室，=1.1 主梁下表面距断面行心轴XX的距离，y1=48cm Jx主梁下表面距断面对XX的距离，Jx=6.3104cm4 操作室重心到支点的距离， 操作室的重量，=400kg q桥架单位长度重量 q=1000FV+q其中 F主梁断面面积 ，F=245.5cm V 材料比重，对钢板V=7.85t/mq主梁横加筋板的重量产生的均匀布载荷，q=7.5kg/mq=10000.024557.857.5=200kg/m 图15垂直载荷在下翼缘的作用1.4.2主梁工字钢下翼缘局部弯曲计算（1）计算轮压作用点位置i及系数 I=+c-e式中，i轮压作用点与腹板表面的距离（mm） C轮缘同工字钢翼缘之间的间隙，取c=4mm =（b-d）/2=（12811）/2=58.5mm e=0.164R（mm），对普型工字钢，翼缘表面斜度为1/6 R葫芦走轮踏面曲率半径，可从葫芦样本查得 R=175mm e=0.164175=28.7mm所以i=58.5+428.7=33.8mm （2）工字钢下翼缘局部弯曲应力计算 图16工字钢下翼缘弯曲应力图14中1点横向（在XY平面内）局部弯曲应力为，由下式计算 式中翼缘机构型式系数，贴板补强取式取=0.9 K1局部弯曲系数，查图得K=2 t0=t+其中 t工字钢翼缘平均厚度，t=13.7mm 补强板厚度，=10mmt02=（13.7+10）=561.7mm图14中1点纵向（在YZ平面内）局部弯曲应力为，由下式计算 式中，K2局部弯曲系数，查图得K2=0.6 kg/mm图14中2点纵向（在YZ平面内）拒不弯曲应力，由下式计算 式中 K拒不弯曲系数，查得K=0.4 翼缘机构形式系数，贴板补强式取=1.5 （2）主梁跨中断面当量应力计算图中1点当量应力，查得其计算式为 图14中2点当量应力1.5主梁刚度计算单梁门式起重机应对主梁的垂直静刚度和水平静刚度进行验算并必须符合要求,而对动刚度一般可不验算,只有在使用提出特殊要求时,如高速运行或精确安装的起重机,尚需验算动刚度.1.5.1.静刚度的验算 式中f _主梁垂直刚度（厘米）P_静载荷 P=Q+G=1004+10103=11004KgL_跨度，L=2900cmE_材料弹性模量，对3号钢E=2.1106Kg/cm2Jx_主梁断面垂直惯性矩，Jx=6.3104cm4 许用垂直静挠度，取 1.5.2.水平静刚度式中 _主梁水平静挠度（厘米） P1 _水平惯性力 P1=P/20=（Q+G）/20=5502Kg Jy_主梁断面水平惯性矩 Jy=6.5103cm4许用水平静挠度取综上验算,主梁刚度合格1.6稳定性计算（1）整体稳定性计算箱形截面主梁抗扭转的刚性比较大，而且在水平方向也有一定的抗弯刚性，所以可不计算整体稳定性（2） 腹板局部稳定性计算主梁筋板的布置原则，当 腹板只加垂直筋板，当腹板应布置垂直横筋板还要加一道水平纵向筋 此时采用纵向加筋板离腹板受压力边缘高度：h1=（0.20.5）h0=（0.20.5）1450，取h1=32cm， 图17主梁纵筋板布置图横向加筋板设计，横向加筋板的间距按下式计算 式中3,4 _系数，按选取,取3=1031,4=2700 h2_计算梁高 h2=h0h1=14.2 _腹板局部挤压应力 P_小车计算轮压P=6500N H_腹板上边缘到轨顶的距离,h=14.2cm _腹板厚度=0.8cm因为为正值,所以=2(h-h)=226,取=240,短的横向加劲板的间距=/4=60cm横向加劲板的外伸宽度：厚度：劲=b劲/15=6cm1.7钢轨应力计算小车钢轨活动弯曲应力应满足 式中P_指小车最大轮压,P=130000N, 1_主梁垂直加劲板之间最大的距离,=60cm Wx_钢轨对自身水平轴线的断面模数,W=1.6103cm3 所以,钢轨应力满足要求东华理工长江学院毕业设计 支腿的计算2.支腿的计算 门式起重机支腿的内力分析按门架平面和支腿平面分别进行。门架平面的支腿内力,对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静定龙门架简图进行内力计算；带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处，为计算龙门起重机支腿内力的最不利工况。2.1断面形式确定支腿在龙门架平面，根据其受力特点，为提高支腿与主梁的连接刚性，通常做成上宽下窄，上端连接宽度推荐取与主梁高度相同的尺寸，下端宽度与下横梁的宽度相同，下横梁的宽度与大车运行机构的构造有关，支腿平面，根据受力特点和构造要求，通常做成上端尺寸下而下端尺寸大的形式，上端尺寸根据支腿与主梁的连接计算确定。 图21 支腿结构简图对于支腿上端面的宽度可以根据主梁的宽度来确定，取b=500mm， 图22 支腿上端面截面 图23 支腿下端面截面截面的几何性质 b=500mm，h=500mm，1=10mm，2=6mm上截面： A=（200010248062）=45760mm2 Z2=500210=290mm下截面： A=（500102+48062）=15760mm2Z2=500244=256mm2.2 支腿载荷及内力计算箱形门式起重机支腿的内力分析按门架平面和支腿平面分别进行。对于龙门架平面，考虑小车在悬臂端时产生最大内应力。同时要考虑的载荷有，起升载荷，自重载荷，风载荷，以及惯性载荷分别引起的内力。2.2.1门架平面的支腿内力对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静定龙门架简图进行内力计算；对于带柔性支腿的龙门起重机按静定龙门架简图进行内力计算。带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处，为计算龙门起重机支腿内力的最不利工况。1.由主梁均布载荷产生的内力 图24 主梁自重载荷引起的弯矩图有悬臂时的侧推力，为安全起见，将有悬臂门架当无悬臂门架计算：12080N弯矩 MC=MD=Fh=120805=60400Nm 2.移动载荷产生的内力移动载荷产生的内力分为小车在跨中和在有效悬臂处：（1）小车在跨中 侧推力： 弯矩 MC=MD=Fh=551805=275900Nm（2）小车在悬臂端： 吊钩左极限位置L0=7侧推力:弯矩: MC=MD=Fh=697855=348925Nm3.作用在支腿上的风载荷产生的内力作用在支腿上的风载荷：化为均布载荷：侧推力：弯矩： Mc=FBh=39695=19845Nm最大弯矩：4.小车制动力和风载荷产生的内力小车制动力和风载荷产生的支腿内力侧推力： =（2640+638+2925）/2=3102N弯矩： MC=MD=Fh=31025=15510Nm2.2.2支腿平面的支腿内应力分析对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静定龙门架简图进行内力计算；对于带柔性支腿的龙门起重机按静定龙门架简图进行内力计算。带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处，为计算龙门起重机支腿内力的最不利工况。在支腿平面内，支腿下端为危险截面。所以，取支腿下端截面计算。 计算系数：支反力： （1）水平载荷作用在支腿顶部水平载荷有，合力：支反力： 弯矩： （2）风载荷作用在支腿平面内作用在支腿上的风载荷：化为均布载荷：支反力： 弯矩： （3）支腿轴向力计算主梁自重对一个支腿产生的轴向力：支腿自重N0=0.9N1=0.937290=33561N满载小车位于有效悬臂处，支腿最大轴向力：单根支腿承受最大轴向力：按刚架反对称屈曲失稳计算支腿端约束长度系数：门架平面内：支腿平面内：取支腿的毛截面的最小回转半径：长细比： 对于箱型支腿，板件宽厚比大于20, ,按b类受压构件查得稳定系数，则支腿名义欧拉临界力：2.3.支腿强度计算 强度合格2.4支腿整体稳定性计算（1）整体稳定性计算整体稳定性合格（2）支腿局部稳定性计算为了防止支腿的腹板和翼缘板发生波浪变形，应对支腿进行局部稳定性校核，否则有可能导致结构过早损失：对于截面支腿，其腹板的高度与厚度和截面两腹板间的翼缘板宽度与其厚度之比应满足下式： 式中：为支腿柔度，可由轴稳定系数查询在刚性腿有：=10mm =1750mm =20mm因此： 要加纵向劲杆，纵向劲通常由钢板或者扁钢制成，纵向加劲应成对布置，其宽度 （腹板或翼缘板的厚度，即6mm），厚度劲3/4（为腹板或翼缘板的厚度）为增加支腿的抗扭刚度，必须设横向加劲板，横向加劲板间距通常为（2.53）或者 图25支腿加劲板布置简图 1横向加劲板 2纵向加劲板所以 纵向加劲的宽度为：b=106=60mm 加劲的厚度： =3/410=7.5mm 横向加劲的宽度为： 取横向加劲的宽度： b2=105mm横向加劲板厚度： 劲b2/5=105/15=7m 结 论通过此次毕业设计，让我了解到了很多方面东西。首先，此次毕业设计把大学四年来的理论知识复习、总结并应用于实践当中，让我们对工程机械特别是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。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。现代单梁门式起重机设计是在学完起重机械相关内容之后的一个重要实践性教学环节。其目的在于通过单梁门式起重机设计，使学生在起重机结构方案、结构设计和装配、制造工艺以及零件设计计算、机械制图和编写技术文件等方面得到综合训练；并对已经学过的基本知识、基本理论和基本技能进行综合运用。从而培养学生具有结构分析和结构设计的初步能力；使学生树立正确的设计思想、理论联系实际和实事求是的工作作风。本论文的内容上，我主要设计是的是起重机的主梁结构和支腿结构两大部分，其中很多地方都是按照前辈所总结的经验一步步来做，但依然存在很多缺陷，因此对于各方面学习是很有必要的。 限于本人的学识水平，文中难免有疏漏和不当之处，敬请批评指正。 东华理工长江学院毕业设计 致谢 致 谢 毕业设计是我在校期间的最后一次作业，是我毕业前的一次重要考核，在这大学四年的最后一个学期里，我学到了很多东西。不管是学习方面还是工作态度思想方面，受益匪浅。对我以后走向工作岗位有很大的帮助。 在这次毕业设计过程中，指导老师起到了很大的作用，在此，我对黄伟莉老师表示衷心的感谢，感谢你辛勤的教诲，感谢你对我设计的关心和帮助。本次设计是我大学所学知识的一次考核，锻炼我运用所学知识的能力。通过这次设计，理论知识得到了进一步的掌握和巩固。独立思考和综合运用知识的能力有了很大的提高。学会了理论联系实际，实践和理论相结合。本次设计使我认识到自