起重机设计计算书.doc

桁架式双梁门式起重机 设计计算书 设计： 审核： 第一章 型式及主要技术参数一、 型式及构造特点 ME型桁架式双梁门式起重机，主要适用于大型料场、铁路货站、港口码头等装卸、搬运；还可以配以多种吊具进行各种特殊作业。正常使用的工作环境温度为-25+40范围内。安装使用地点的海拔高度不得超过2000m,超过1000m时，应对电动机容量进行校核。 整机主要由门架、小车、大车运行机构及电气控制设备四大部分组成：门架采用桁架结构，具有自重轻、用料省、刚度大、迎风面积小等特点。本机小车有两个吊钩，分为主、副钩，小车副钩可在额定负荷范围内，协同主钩进行工作（但决不允许两钩同时提放两个重物），物体的重量不得超过主钩的额定起重量。二、 主要技术参数和结构简图主要技术参数 工作级别：A5 、 操纵方式：地操、单边悬臂长：9.1m 起重量：主钩75t 副钩20t 跨度：27 m 起升高度：11/13m 主钩起升速度：3.7m/min 副钩起升速度：6m/min（1） 小车运行速度：27m/min 大车运行速度：34.1m/min 小车轮距：2800mm 小车车轮：4-500 小车轨距：3600mm 小车轨道：P43 大车轮距：10600mm 大车车轮：8-700 大车轨距：27000mm 大车轨道：QU80起重机总重：117067kg 其中：小车运行机构：22080kg 大车运行机构：12780kg 电气设备（含电缆卷筒）等：4120kg 门架金属结构部件重量： 主梁：2x24751=49502kg 支腿（）：2x2835.3=5670.3kg 支腿（）：2x2245=4490kg 联系梁：2x992.4=1984.8kg 马鞍梁： 2962.6kg 下横梁：2x4871=9742kg 电缆滑车架： 1332kg 梯子、平台、栏杆等：1720kg 电缆拖车自重： 1320 （2）三、结构简图 （见图1）（3）第二章 载荷计算一、风载荷 工作风压：q=25 kg/m2 非工作风压：q=80 kg/m2（一）、沿大车轨道方向风载荷计算1、单片主梁迎风面积 F梁风F梁风=F轮 式中：F轮起重机组成部分的轮廓面积在垂直于风向平面上的投影（m2）F轮=36.552.15=78.58 m2 充满系数 0.20.6，桁架式取=0.4F梁风=0.478.58=31.43m22、小车迎风面积 F小车风 F小车风=4.241.91=8.0984 3、货物迎风面积 F货物风 F货物风=364、沿大车轨道方向的工作风载荷为： P=CkqF梁风 式中：C体形系数.（桁架取 C=1.4）= 1.41.462531.43 （小车、货物取C=1.2）=1606 k高度修正系数.（本机取k=1.46）P= Ckq（ F+F） 式中： F=F= F=78.58 =1.41.4625（0.478.58+0.660.478.58） =2666.3 kg =0.4（4） 折减系数. （=0.909）查表 =0.66 点载荷=127 P小车风=1.21.46258.0984=354.7 P=1.21.462536=1576.8（二）、垂直大车轨道方向风载荷计算 迎风面积计算： F=2.1681.62=6.94 注：迎风面积按主梁与支腿连接处，主梁为矩形截面计算。充满系数 取=1F=4.031.91=7.7 F= F货物风=36垂直大车轨道方向风载荷计算 P=1.41.46256.94=354.6 P=1.21.46257.7=337.3P= P货物风=1576.8 支腿迎风面积计算（二个支腿）由于跨度为27m,后支腿不必考虑前支腿的遮挡。故；F=2F 式中：F=9.198=12.8772F=20.412.8772 =10.3P=1.41.462510.3=526.33（5）沿大车轨道方向风载荷 P=127 小车车轮侧向压力 P=（P小车风+ P） =（354.7+1576.8）=965.8 二、自重与货载计算 单片主梁自重：G=24751 马鞍自重：G=2963 栏杆自重：（包括：端部栏杆、栏杆、梯子平台、电缆滑车架） G=92.6+403+1720+1332=3547.6 主梁联系梁自重：G=992.4 电气设备自重：G=2800 小车自重：G=22080 P=（G+ G+ G） 式中：K起重机通过钢轨接缝或不平道路时的冲=（24751+3547.6+992.4） 击系数（冲击系数只与起重机自重相乘） =1534.3 K=1.1（6） 小车工作轮压（动载）计算：P= 式中：第二类载荷的动力系数。（动力系数，只与= 额定起重量相乘，而起重机自重不需要乘动力系数） =26697 Q额定起重量， Q=75000 =1.1三、 惯性载荷计算 （沿大车运行轨道方向） （一）、大车起、制动时，沿大车轨道运行方向的每片主梁、栏杆、联系梁自重产生的惯性力计算 F= 式中：V大车运行速度 V= 0.57 = t大车制动时间 t=7s =243.4 g = 9.8 节点载荷：P=11.6 （二）、大车起、制动时，电气设备自重产生的惯性力计算F=23.3（三）、大车起、制动时，小车和货载自重产生的惯性力计算 F=806.6（7）小车车轮侧压力为：P P=403.3 水平桁架分布载荷P的计算 P=P+P=11.6+127=138.6 水平桁架移动载荷P的计算 P=P+P=403.3+965.8 =1369.1 （四）、小车起、制动惯性力（垂直大车运行轨道方向）的计算 1、小车起、制动时，小车自重和载重之和惯性力F的计算 F=（Q+G） 式中：n小车制动轮数 n=2 =（75000+22080） n小车车轮数 n=4 =6934.32、作用在斜桁架上节点分布载荷P的计算P= 式中：1482水平桁架自重之半 =409.7 1207.3花纹板自重 2183.6栏杆自重（不包括：梯子、平台） 992.4联系梁自重 777斜桁架自重 tg=0.8234 =39.5 cos39.5=0.772（8）根据以上计算，将以上计算载荷汇总如下：P=1534.3 （主梁自重分布载荷）P=26697 （75/20t小车和货载的工作轮压）P=11.6 （大车起、制动时，主梁、栏杆、联系梁自重之和惯性力）P=403.3 （大车起、制动时，75/20t小车和货载自重的惯性力）P=127 (沿大车轨道方向，主梁的风载)P=965.8 （沿大车轨道方向，75/20t小车和货载的风载）P=138.6 (沿大车轨道方向，主梁惯性力和风载)P=1369.1 (沿大车轨道方向，小车自重、载重之和的惯性力及其风载之和)P=167 (电缆拖车自重分布载荷) 计算见后面P=1481.5 (作用在一个支腿上的马鞍自重) 其一半重量分布在支腿的三个节点上。P=1720 (梯子平台自重) 作用在支腿附近的主桁架二节点上 P=409.7 (斜桁架上自重分布载荷)F=6934.3 (垂直大车轨道方向，小车自重、载重之和制动惯性力)（9）四、各桁架简图及内力图： （见图2图19） （10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17） （18） 第三章 主梁的设计计算一、四桁架主梁的结构主要由：主桁架、付桁架、上、下水平桁架、斜桁架等构成，主要材料为工字钢、槽钢、Q235B钢板等。用高强螺栓与支腿、马鞍梁相连接。 二、主梁截面尺寸 （见图20所示） （19）三、主梁的计算 四桁架式主梁是多次超静定空间桁架结构，可以把它分解成平面桁架进行分析、计算。(见图21、22、23、24) （20） （21） （一）、固定载荷 主桁架：自重、走台和水平桁架重量的一半，主梁联系架重 量的1/4。付桁架：自重、走台和水平桁架重量的一半，主梁联系架重 量的1/4和三个带工具人员的重量以及小车可拆换 零部件的重量。（二）、移动载荷 移动载荷对各片桁架的作用 （见图25） （22）小车运行时：Q=Q+P Q=PQ 式中：Q=.Q=Q=H P小车轮压 P=（不计动力系数和冲击系数 ） H= P=.P = P=PP = b、h桁架主梁的宽度与高度 I、I、I、I桁架的折算惯性矩小车不动时： Q=PQ 式中：k= k= Q= 重心坐标：x=b Q=0 、 Q=Q y=h 主桁架惯性矩 ： I= 式中：A、A主桁架的上、下弦杆截面积 = A=A=267.25+22.4=156.9 =20.6510 h主桁架的计算高度 h=185（23）付桁架惯性矩： 系数 （四桁架取 =1.3） I=8.8510 A=A=67.25 水平桁架惯性矩： b主桁架的计算宽度 b=140.7I=I=2.3810 A=A=215.692=31.384 =5.21 =0.76 Q = =0.225 tP=24270=24.27 t H=0.057 t P=24.27=16.989 t P=24.2716.989=7.281 t x=140.7=98.5 y=185=92.5 （24）小车运行时： Q=0.225+16.989=17.214 t Q=7.2810.225=7.056 tQ=Q=H=0.057 t小车不动时： k=2.33 k=8.68 Q=2.909 t Q=24.272.909=21.361 t Q=0Q=0.762.909=2.211 t经过上述分析，可知各弦杆的最不利工况是：对主桁架上弦杆和付 桁架下弦杆应取小车不动的工况；对于主桁架下弦杆和付桁架上弦杆则 应取小车运行的工况。实践表明，四桁架式主梁中主桁架上弦杆和付桁架下弦杆较易破坏， 而主桁架下弦杆和付桁架上弦杆破坏较少。各片桁架最不利工况时的载荷位置取小车位于跨中和悬臂极限两个位置。（三）、主桁架上弦杆的设计计算 主桁架上弦杆受力比较复杂，它承受的内力为： 1、由固定载荷引起的内力Np; 2、由移动载荷引起的内力No; （25）3、由移动载荷引起的局部弯矩M、M;4、小车运行制动载荷引起的内力N（小车不动的工况N=0）;5、大车运行制动时q引起的内力N（计算水平桁架时得到）;6、大车运行制动时，移动载荷Q的水平惯性载荷引起的内力N（计算水平桁架时得到）;7、大车运行制动时，移动载荷引起的局部弯矩M、M（计算水平桁架时得到）;8、工作状态风载荷引起的杆件内力N（计算水平桁架时得到）; （四）、内力计算由于主桁架，水平桁架的跨中节间为交叉腹杆，是一次超静定 桁架，按力法求解如下： 解内力典型方程式：x+ =0 = =桁架中各杆轴力（内力） 式中：N单位力=1产生的各杆轴力N=N+xN N荷重P产生的各杆轴力 l各杆长度 F各杆截面面积 E桁架杆件的弹性摸量 由于计算内力图较多，下面仅选垂直、水平桁架中间节间内力，计算各一示例，其余均将计算结果直接填入图中（见图26、27及表12）。（26）（1）、跨中受动载中间节间内力计算 （见图26） x=0.025P（2）、水平桁架分布载荷中间节间内力计算 见图15（1） 和（图27）x=- =-=0.258 t= 258 （27） （28） 四、主梁的强度计算 （一）、载荷组合、许用应力和计算方法 1、 载荷组合 组合甲：计算正常工作时的情况；即考虑静载荷、移动载荷 （包括动力系数）及工作状态下的风载荷. 组合乙：（1）、计算除组合甲中所考虑的载荷外，还考虑由于大车或小车起、制动时，所产生的水平惯性载荷。（2）、非工作时情况。即考虑静载荷（不计动力系数）及 非工作状态下的风载荷。2、 许用应力 对于所用材料为Q235B时： 组合甲 =1600 组合乙 =1800 3、 计算方法 作用于主梁各桁架的载荷分析为：1、 主桁架作用载荷 它由固定载荷，移动载荷，小车起、制动引起的纵向水平载荷 和主桁架承受的轮压引起的局部弯矩组成。其中，固定载荷包括 主梁自重、梯子平台重量和马鞍自重之半（因马鞍与主梁连接处 的断面为四桁架结构）。移动载荷包括小车自重，货载和电缆拖车 自重等。 （29）2、 水平桁架载荷 它包括风载荷，大车起、制动的惯性载荷和斜桁架垂直载荷在 水平方向的分力。3、 斜桁架上的载荷 斜桁架自重，水平桁架自重之半和栏杆自重总和在斜桁架平面 内的分力。（二）、主桁架强度、刚度及稳定性验算 图281、载荷组合 甲 （1）、上弦杆（双30b工字钢.夹立筋）甲、上弦杆截面性质计算（不计入小车轨道，因其未焊在主 梁上），（见图28） （30）截面积：F=267.254+22.4=156.9Z=8.31XX轴的截面惯性矩： I=2II 其中： I=25.61.4425.61.44151.127.1227.121.16.69=1.14610 =21.146100.66910 I=0.830300.814.28=2.96110 =0.66910YY轴的截面惯性矩： I=2II 其中：I=1.4425.627.121.1=0.201610 =20.202101.19510 I=280.8 =1.59910 =1.19510 W=3563.2 W=1365.1 W=1249.2 i=13.74 i=10.1乙、上弦杆强度、刚度及稳定性验算 杆件ef（悬臂受载）（31） N=6.364P9.216P11.26P7.78P0.258 =6.36426.6979.2161.534311.260.127 7.780.96580.258 =193.2417t=193241.7强度验算： = =1231.6=1600 杆件kl（跨中受载）N=-4.411P-4.257P-5.806P-5.78P-0.551 =-4.41126.697-4.2571.5343-5.8060.127 -5.780.9658-0.551 =-131.1627t=-131162.7集中轮压引起的局部弯矩，对跨中节间可按下面近似公式计算 M=Pl 式中：l=200 cm =26697200 =889900 M=Pl=965.8200 =32193.3 验算：= =- =-1111.5=1600 （32）稳定性验算： = 式中：查表得=0.9 =- =-1204.4=1600 刚度验算： =19.8=120 式中：l=200 cmm=0.031 = 式中：查表得=0.7 =- =-1444=1600 （2）、下弦杆与上弦杆相同（计算略） （3）、直杆强度、刚度及稳定性验算 甲、直杆采用槽钢12，对扣焊接，节点板厚=10。 其截面性质为： F=215.362=30.724 I=692 I=74.8 i=4.75 i=1.56 W=115.4 W=20.4 乙、直杆强度、刚度及稳定性验算（悬臂受载）计算式同上 （33） N=PP=-26.697-1.5343=-28.2313t=-28231.3 =-=-918.9=1600 =42.1=150 式中：查表得=0.7 . l=200 cm=-=-1332.2=1600 考虑电缆拖车作用时 N = PPP =-1.5343-26.697-0.167=-28.3983t=28398.3 M=2712 （计算见后） m=0.025 =- 式中：查表得=0.67 =-1400=1600 对于弯矩作用平面外稳定计算 =137.8=150 式中： l=215 cm 按= 式中：查表得=0.78 C=0.85 = =-1414.8=1600 （4）、斜杆采用槽钢10，交叉焊接。节点板厚=10。斜杆与直杆计算方法相同 （略）（34）2、 载荷组合 乙 第一种：计算大车或小车起、制动时的情况，考虑静载荷、移动 载荷（包括动力系数），惯性载荷及工作状态下的风载荷。 对于主桁架，仅上弦杆须另行验算。（1）、上弦杆ef（悬臂受载） N=6.363P9.216P0.28511.26P7.778P1.07 =6.36326.6979.2161.53430.28511.260.1386 7.7781.36911.07 =204.866t=204866 =1305.7=1800 （2）、上弦杆kl（跨中受载） N=-4.411P-4.257P-0.551-5.806P-5.78P-1.982 =-4.41126.697-4.2571.5343-0.551-5.8060.1386 -5.781.3691-1.982 =-135.543t=135543 局部弯曲计算： M=Pl 式中：l=200 cm =26697200 =889900 M=Pl=1369.1200 =45636.7 （35）=- =- =-1150.2 =1800 =19.8=120 式中：l=200 cm =- 式中：查表得=0.9 =- =-1214 =1800 m=0.042 = 式中：查表得=0.8 = =1329.6 =1800 载荷组合乙第二种情况，由于计算值较小，故不予计算。3、由于电缆拖车自重载荷作用，验算主桁架如下杆件 电缆拖车自重为1320,全长为19m.其车轮布置如下（见图29） 电缆拖车车轮布置图29 （36） 车轮数：n=7,则平均轮压P为：P=188.6 考虑动力系数=1.1 则： P=P=1.1188.6=207.5 电缆拖车相应于主梁的节点载荷如下： P=151.7 P=P=1.1151.7=167 下面验算杆件 电缆拖车支架BE、EC杆件均采用L50506角钢 （1）、杆件AD（即主桁架中h8）验算：（见图30） 图30 （37）N=PPP =1.534326.6970.2075=28.4388tM=0.091P1.436=0.02712tm=2712 杆件AD（h8）采用212槽钢 F=215.362=30.724i=4.75 i=1.56 W= 115.4=45.3=137.8=150 l=215 cm 弯矩平面内的验算 m=0.025 =- 式中：查表得=0.67=1381.5=1600 （2）、杆件EC验算 采用L50506角钢 F=5.69 i=0.97 l=37 =52.3 cm=54=200 N=0.763P=0.763207.5=158.3 式中：查表得=0.854= =32.6=1600 （38）（3）、杆件EB验算 采用L50506角钢M=0.46P4.5=0.46207.54.5=429.5N=0.54P=0.54207.5=112.05 W=3.7= =135.8=1600 （三）、水平桁架强度、刚度和稳定性计算1、主桁架中的上弦杆已验算过，下面仅验算另一弦杆。 （1）、组合乙 甲、杆件 采用30b工字钢 F=67.254 i=11.8 l=140 cm N=-（6.819P5.56P） P=P =138.6235.3 式中：1482水平桁架自重之半 =373.9 1207.3花纹板自重 N=-（6.819373.95.561369.1） 2184栏杆自重（不包括：梯子、平台） =-10162 992.4联系梁自重 777斜桁架自重 tg=0.744 （39）=-151.1 =1800 =12.7=150 式中：查表得=0.57 . l=150 cm=265.1 =1800 乙、杆件 验算 N=4.751P4.954P =4.7511369.14.954373.9 =8356.9=124.3 =1800 2、水平桁架斜杆验算 （1）、杆件e 采用12槽钢 F=15.362 i=4.75 l=212.6 cm N=-5.98P-2.99P=-5.98373.9-2.991369.1 =-6329.5 =-=-412 =1800 =44.8=200 =-588.6 =1800 （2）、杆件g验算 当小车中心停在柔性腿中间时，则R=2P N=-2.99P-7.474P=-2.991369.17.474373.9 =-6888.2 （40） =-448.4 =1800 =44.8=200 =-640.6 =1800 3、水平桁架直杆验算 采用212槽钢 F=215.362=30.724 i=4.75 l=160 cm N=PP=-373.9-1369.1=-1743 =-56.7 =1800 =33.7=200 =123.3 =1800 式中：查表得=0.46 由于组合乙计算值较小，故载荷组合甲和载荷组合乙的第二种工况均不必另行验算。 （四）、斜桁架杆件验算 由于弦杆已在主桁架和水平桁架中验算过，下面仅验算斜杆1、 斜杆6验算 采用10槽钢 F=12.748 i=3.95 l=306 cm （41） N=-6.075P=-6.075409.7=-2489=-195.3=1600 =77.5=200=-849.1 =1600 式中：查表得=0.23五、 主梁静刚度、上拱和动刚度计算 （一）、主梁静刚度计算四桁架式主梁的总体刚度，用动载荷作用下主桁架跨中和悬臂端的弹性变形（称静挠度）来衡量。 主桁架在小车轮压（不考虑动力系数和冲击系数）作用下，（即小车位于跨中或悬臂端）引起的挠度可按莫尔公式计算；对于校核性计算，可用下面的公式计算。计算时将主桁架及和主桁架位于同一平面的支腿，都转换成实体结构，然后按箱形龙门起重机相类似的刚度计算公式计算挠度。 （1）、小车位于跨中，主桁架跨中的挠度为： f=（） f= （2）、小车位于悬臂端，主梁悬臂的挠度为： f=（l+L） f= 式中：P小车轮压 P=24270 （不计动力系数和冲击系数 ） （42） L跨度 L=2700 l有效悬臂长度 l=600 k系数. k=.I= 其中：H支腿的投影高度 H=919.8 = 变截面支腿的计算长度折算系数 =1=8.9310 I将主桁架视为实体梁时，梁的折算惯性矩 I=I=20.6510 k=. I将桁架支腿视为实体构件时，支腿的折算惯性矩。 = 由于支腿和主桁架连接的两个肢截面积相等，I可 =0.79 用下式计算：I= 这里：A桁架支腿和主桁架连接的一个肢的截面积 A=21.316 h支腿和主桁架连接处，两个肢之间的距离。h=330 系数. 查表得：=1.3f=（）=()=1.17 =f=（43）f=（l+L） =(600+2700) =1.27 =f= （二）、主梁上拱度计算方法及计算值 1、计算方法 根据规范规定： 跨中上拱度， f= 悬臂上拱度， f= L悬臂总长度 跨中各节点的上拱值按下式计算 f=f1 悬臂端各节点的上拱值按下式计算 f=f() 跨中自重挠度计算 f=(P) P= 悬臂距支腿轴线6m处自重挠度计算 f=(P)（44） 制造时主梁各节点上拱值应包括自重下挠度 跨中：f=ff 悬臂：f=ff 2、主梁上拱计算值 （1）、跨中 f=2.7 f=(P) P=1347.6 = =519 （计算 略） =0.33 故： f=2.7+0.33=3.03 （2）、悬臂 f=1.82 L=910 f=(P) =302 （计算 略） = =0.19 故： f=1.82+0.19=2.01 拱度在桁架长度方向的变化应该是均匀的（认为支腿和主桁架连接 处上拱值为零），各节点的上拱值按正弦曲线变化，这里就不在计算了。 （45） （三）、主梁动刚度计算 1、小车空载位于跨中时，垂直方向的自振周期T计算 T=2T=0.3 秒 M =(0.5qL+G) 式中：M大车及小车的换算质量（S/） q = = q主桁架单位长度重 （/m） = 677.2 /m 36.55主梁全长 （m） M =(0.5677.22722080) =31.86 S/ K = K桥架在垂直平面的刚度 （/） 式中：J=8.110 K=4.1510/ 故：T=23.14=0.174T=0.3 秒 2、小车空载位于有效悬臂处，垂直方向的自振周期T计算 T=2T=0.3 秒 M =(0.3q l +G) =(0.3677.2622080) =23.77 S/（46） K= K=4.310/ 故：T=23.14=0.15T=0.3 秒第四章 支腿计算支腿计算，主要分析门架平面内和支腿自身平面内的内力，一般按 平面系统计算。另外计算中采用了折算惯性矩，把变断面的支腿和桁架 主梁都近似简化为承受弯矩的实体结构。实践证明，此方法计算上比较 简单，作为选定构件尺寸还是可行的。一、 支腿的载荷和内力计算 （一）、支腿的载荷 小车和货载的工作轮压 P=26697 单片主梁自重分布载荷 P=1534.3 马鞍自重（作用在一个支腿上） P=1481 梯子平台自重（作用在支腿附近的主桁架二节点上）P=1720 风载（沿小车轨道方向）P计算： P =（PPP）P =（354.6337.31576.8）526.33 =1660.7 小车制动惯性力 F=6934.3 （47）（二）、门架平面内支腿内力计算 当小车位于有效悬臂6m位置时，支反力最大。故支腿计算时仅 取该位置进行计算。 门架平面内所受载荷为P、P、P、P、P和F 按力法求解如下：（外力一次静不定） 主梁的折算惯性矩J（半侧数据） 支腿折算惯性矩J（半侧数据）支腿折算惯性矩J（半侧数据）1、 自重（主梁）作用时，约束反力x的计算（见图31） 以下计算中，只考虑构件的受弯，而略去轴力、剪力、扭转力矩 =() =-()正则方程： x= 0 x=（48） 图31（49）2、 移动载荷作用于有效悬臂6m处，反力x计算（见图32） 图32 =PLhL x=-=（50）3、 水平载荷作用反力x计算（见图33） 图33 =-（QhLQh） x=-= - （三）、惯性矩折算 1、主梁的折算惯性矩J J= I=21.78102、支腿的折算惯性矩J 顶部和底部断面尺寸 （见图34） （51） 图34 F=621.316=127.896 Z=1.67 J=621.31633621.31