桥式起重机主体结构设计.pdf

桥式起重机主体结构设计桥式起重机主体结构设计 第 1 章 绪言 1 1 起重机的概述 工程起重机是各种工程建设广泛使用的重要起重设备 它对减轻劳动强度 节省人 力 降低建设成本 提高施工质量 加快建设速度 实现工程施工机械化起着十分重要 的作用 起重机作业是使物品沿空间的三个方向运动 其中作上下移动的起升机构是不 可缺少的 平面运动可以用两种不同的运动组合来实现 按照这种组合方式不同 起重 机可分为两大类型 桥式起重机和回转类型起重机 桥式类型起重机就依靠起重机运行机构和小车运行机构的组合使所搬运的物品在长 方形平面内运动 驱动起重机运动的是起升机构 运行机构 回转机构和变幅机构 为 了实现这些运动 安放这些机构并承受载荷 起重机必须有足够的强度和刚度的金属结 构 有驱动机构运动并实现运动控制的动力控制系统 以及 为保证起重机安全并可靠 运转的安全和信号指示装置 起重机的特点是 短周期的循环作业 一个工作循环包括 取物 起升并运行靠卸 货点 下降 卸料 然后空车返回原地 一个工作循环的时间一般只要几十秒种到几分 钟 最长的也不会超过一 二十分钟 这一特点对它的动力装置的选择及电气设备容量 的计算有较大的影响 经常起动 制动引起传动机构和金属结构的强烈冲击和振动 导 致产生较大的动载荷 由于这种载荷是非常平稳的 这使得强度和疲劳计算变得较为复 杂 此外 对于装卸散装物料的起重机 生产效率是一个很重要的性能指标 它不仅取 决于各机构的运动速度 而且也依赖装卸物料的辅助时间的大小 因此对于速度 加速 度值 运动的重叠程度 取物及卸货的自动化程度的选择等都应仔细考虑 双梁桥式起重机尤其适合室内重物的起升和搬运 所以广泛被工厂所采用 桥架结 构的设计好与坏对起重机的性价比 性能与价格的比 提高有很重要的意义 长期以来 机械设计工作者沿用类比的设计方法 这种设计过程可概括为 设计 分析 再设计 的过程 即首先根据设计任务及要求进行调查研究和收集有关资料 参照相同或类似任 务现有的 已经完成的较为成熟的设计方案 凭借设计者的经验辅以必要的分析计算 确定一个合适的设计方案 并通过估算初步确定有关参数 然后对初定方案进行必要的 分析及校核计算 如果某些设计要求得不到满足 则可进行设计方案的修改 设计参数 的调整 并再次的进行分析计算 如此多次反复 直到获得满意的设计方案为止 此方 法不仅需要花费较多的时间 增加设计周期 而且只限于在少数方案中进行分析比较 随着电子计算机技术的发展和应用 以线性规划与非线性规划为主要内容的新的数 学规划应用于工程设计问题 双梁桥式起重机桥架设计应用该优化方法 将迅速得到一 对相对很合理的截面参数 这不仅降低了设计者的工作强度 而且与提高了设计方案的 可行性 使得起重机金属结构的合理设计 对减轻起重机自重 提高起重性能 节约钢 材 提高起重机的可靠性都有重要意义 2 2 起重机发展趋势 对工程起重机 特别是大功率的工程起重机的需要量日以增加 随着现代科学技术 的发展 各种新技术 新材料 新结构 新工艺在工程起重机上得到广泛的应用 所有 这些因素都有里地促进了工程起重机的发展 根据国内外现有工程起重机产品和技术资 料的分析 近年来工程起重机的发展趋势主要体现在以下几个方面 1 广泛采用液压技术 液压传动具有体积小 重量轻 机构紧凑 能无级调速 操纵简便 运转平稳和工 作安全的优点 2 通用型起重机以中小型为主 专用起重机向大型大功率发展 为了提高建设工程的装卸和安装作业的机械化程度 工程起重机的发展 仍然是以 轻便灵活的中小型起重机为主 3 重视 三化 逐步过渡采用国际标准 三化是指 标准化 系列化 通用化 4 发展一机多用产品 为了充分发挥工程起重机的作用 扩大其使用范围 有的国家在设计起重机是重视 了 产品的多用性 5 采用新技术 新材料 新结构 新工艺 为了减轻起重机的自重 提高起重机的性能 保证起重机可靠地工作 现在都 多采用新技术 新材料 新结构和新工艺 第 2 章 起重机总体方案设计 2 1 起重机参数确定 1 室内工作 2 额定起重量 Q 10 吨 3 起升高度 H 12 米 4 起升速度 v 升 8 米 分 5 小车运行速度 v 小 40 米 分 6 大车运行速度 v 大 90 米 分 选跨度 L 16 5 米 机构工作类别 中级 JC 25 2 2 起重机总体方案 对于起重量为 10 吨的桥式起重机 可以设计成电动单梁葫芦式 即桥式起重机采用 单主梁结构 在主梁的下端焊接有工字钢来作为电动葫芦的运行轨道 起吊货物直接通 过电动葫芦完成 还可以采用双梁小车式方案 即采用双主梁结构 小车运行于安装在 主梁上的轨道上 起吊货物由小车起升机构来完成 对这两种方案都是可行的 同时也是现在比较通用的两个设计方案 经过认真比较 决定采用双梁小车式 首先 虽然现在起重量为 10 吨的电动葫芦已经大量生产 但还没 有实行标准化和系列化 设计资料相对残缺和稀少 而运行小车式桥式起重机设计资料 相对多一点 有利于进一步的设计和优化 其次 这次设计的起重机选用跨度为 16 5 米 如果采用单梁电动葫芦式 势必使主梁结构庞大 由于主梁大都采用箱形焊接结构 尺寸增大就会增加焊接难度 且增大焊接变形 再次 采用双梁小车式 设计制造安装 方便 设备维护和维修简单 双梁桥式起重机传动系统的设计 主要包括起升机构传动系统的设计 小车运行机 构设计及大车运行驱动机构设计 主要采用电力驱动 通过联轴器和减速器再把动力传 递到工作机构 对于这种传递系统 由于电动机 联轴器及减速器均以标准化 因而可 以选用标准件而简化设计 2 3 桥架主体结构方案 1 主梁采用正轨箱形结构 如图 1 a a 正轨箱形梁 b 偏轨箱形梁 c 半偏轨箱形梁 图 1 正轨箱形结构图 2 桥架为焊接结构 如图 2 图 2 箱形梁焊接图 第 3 章 起重机主体结构设计 3 1 起重机钢结构载荷情况 作用在起重机上的外载荷有 起升载荷 自重载荷 动载荷和风载荷等 1 起升载荷 起升载荷就是由起升机构吊起的货物和取物装置以及其它随同升降的装置重量之总 合 对起升高度很大的钢丝绳起升机构 起升载荷应包括挂着的钢丝绳重量 2 自重载荷 起重机本身重量包括机械部分 金属结构及电气设备等的重量 如果起重机上装有 运输机 则应考虑运输机及其上的货物的重量 自重在设计前一般是未知的 可参考同 类型参数接近的起重机的自重做初步选定 有些手册上列有各类起重机依照起重量或载 重力矩而定的自重表可供参考 自重的分配根据结构情况而定 机械及电气设备一般可 看作是集中载荷 箱形结构和连续运输机上的货物可看作是连续分布的 3 动载荷 动载荷是由运动速度改变而引起的质量力 即惯性力 在启动与制动期间 刚体做 平移运动时 它的质量产生加速或减速惯性力 4 风载荷 由于本设计是属于室内工作 故不存在风载荷 3 2 桥架金属结构计算 所计算是起重机桥架由两根用钢板焊接是箱形主梁组成 主梁固定在装有大车轮的 端梁上 此外 装有大车运行机构的辅助横梁和纵梁也固定在桥架上 桥架上设有栏杆 和走台在端梁头部装有缓冲器 桥架跨度 L 16 5 米 初定起重机轮距 B 4 5 米 初定小车轨距 K 小车 2 米 初定小车轮距 b 1 6 米 桥架为正轨箱形焊接结构 桥架材料选用 Q215 钢 GB700 88 3 2 1 主梁计算载荷 假定小车车轮轮压相等 则起重机在额定载荷下每一个车轮到轨道上的移动载荷为 P 1 K 动 4 Q 4 小车 G 1 2 4 10000 4 4800 4200 公斤 式中 K 动 动力系数 考虑货物提升或下降时的惯性力 K 动 1 1 1 2 1 3 相 应于轻级 中级和重级工作类型 本设计采用中级工作类型 假定大车运行机构的重量均匀地作用在一根梁上 则双梁桥架半边的重量和运行机 构自重所产生的均布载荷为 q 梁 480 1 1 5 16 2200 5000 5 0 c K L G G 机 桥 公斤 米 式中 桥 G 5 0 半边焊接箱形双梁桥架自重 不包括端梁 近似为 桥 G 5 0 5000 公 斤 如图 3 机 G 大车运行机构重量 近似为 机 G 2200 公斤 c K 考虑起重机运行时振动的系数 当 v 起 秒 米 1 时 c K 1 0 当 1 5 米 秒 v 起 秒 米 1 时 c K 1 1 当 3 米 秒 v 起 秒 米 5 1 时 c K 1 2 图 3 双梁桥架焊接箱形重量曲线图 司机室和电气设备重量产生的集中载荷为 p 2 c K G 司 1 1 2000 2200 公斤 式中 G 司 司机室和电气设备的重量 G 司 2000 公斤 集中驱动的大车运行机构装在与主梁相连的悬臂横梁上 其扭矩为 M 1 机 G e M 2200 0 75 1650 公斤 米 式中 e M 为大车运行机构重心至主梁截面中心的水平距离 根据计算经验 当起动和制动时起重机的加速度为 0 25 米 秒 2 和 0 5 米 秒 2 而 当猛烈起动或制动时 假定加速度增加一倍 即 0 5 米 秒 2 和 1 0 米 秒 2 根据车轮和 轨道的粘着条件 最大加速度为 4 2 8 9 2 0 max 总 驱 n n g a 0 98 米 秒 2 因此 猛烈制动时 max 制 a 0 98 米 秒 2 桥架猛烈制动时在水平面内引起的横向均 布惯性载荷为 max max 5 0 制 机 桥 制 惯 a gL G G a L m q 44 98 0 5 16 8 9 2200 5000 公斤 米 猛烈制动时 由司机室重量在水平面内引起的横向集中惯性载荷为 98 0 8 9 2000 max 1 制 司 惯 a g G p 200 公斤 猛烈制动时 小车自重和吊重在水平面内引起的横向集中惯性载荷为 98 0 8 9 2 10000 4800 2 max 2 制 小车 惯 a g Q G p 740 公斤 根据计算经验 起动和制动时 小车的加 减速度为 0 1 米 秒 2 和 0 25 米 秒 2 当猛烈起动和制动时 小车的加速度可为 0 2 米 秒 2 和 0 5 米 秒 2 根据车轮和轨道的 粘着条件加速度值可达 0 98 米 秒 2 因此 小车猛烈制动时 a 制 max 0 5 米 秒 2 当负 载小车猛烈制动时 在水平面内的纵向集中惯性载荷为 5 0 8 9 2 10000 4800 2 max 3 制 小车 惯 a g Q G p 378 公斤 3 2 2 主梁截面尺寸的选择 桥架中部箱形主梁的高度 H 20 1 16 1 L 20 1 16 1 16500 1030 825 毫米 取 H 900 毫米 支承处的梁高为 H 1 0 6 0 7 H 0 6 0 7 900 540 630 毫米 取 H 1 600 毫米 变截面倾斜长度 L c 0 1 0 2 L 0 1 0 2 16500 1650 3300 毫米 取 L c 2000 毫米 上 下翼缘板宽度 B 0 5 0 33 H 0 5 0 33 900 450 297 毫米 此外 翼缘宽度应满足条件 B 330 50 16500 50 L 毫米 取 B 350 毫米 初算时取腹板厚度 6 1 毫米 而上 下翼缘板厚度 8 2 毫米 图 4 a 跨中 b 支承附近 图 4 桥架主梁横截面 第 4 章 主体结构各承载部分的计算与校核 4 1 主梁主要截面计算 上 下翼缘的截面积 F 1 2 56 8 0 35 厘米 2 腹板的截面积 F 2 2 106 6 0 4 88 厘米 2 截面总面积 F F 1 F 2 56 106 162 厘米 2 对 x x 轴的截面惯性矩 翼缘 I 2 3 1 4 0 2 44 8 0 35 12 8 0 35 2 x 111400 厘米 4 腹板 I x 2 68080 12 4 88 6 0 2 3 厘米 4 截面总惯性矩 I X I x 1 I x 2 111400 68080 180480 厘米 4 对 x x 轴的截面模数 W x 4011 45 180480 1 Z I x 厘米 3 对 y y 轴的截面惯性矩 翼缘 I y 1 5717 12 35 8 0 2 3 厘米 4 腹板 I 2 3 2 3 0 5 15 6 0 4 88 12 6 0 4 88 2 y 26483 厘米 4 截面总惯性矩 I y I y 1 I y 2 5717 26483 32200 厘米 4 对 y y 轴的截面模数 W y 1840 35 3220 2 2 B I y 厘米 3 4 2 主梁支承附近截面的计算 上 下翼缘的截面积 F 1 56 厘米 2 腹板的面积 F 2 2 70 6 0 4 58 厘米 2 截面总面积 F F 1 F 2 56 70 162 厘米 2 对 x x 轴的截面惯性矩 翼缘 I 2 3 1 4 0 2 29 8 0 35 12 8 0 35 2 x 49068 厘米 4 腹板 I x 2 19918 12 4 58 6 0 2 3 厘米 4 截面总惯性矩 I X I X 1 I x 2 49068 19918 68986 厘米 4 对 x x 轴的截面模数 W x 2300 60 68968 2 1 H I x 厘米 3 对 y y 轴的截面惯性矩 翼缘 I y 1 5717 12 35 8 0 2 3 厘米 4 腹板 I 2 3 2 3 0 5 15 6 0 4 58 12 6 0 4 58 2 y 17496 厘米 4 截面总惯性矩 I y I y 1 I y 2 5717 17496 23213 厘米 4 对 y y 轴的截面模数 W y 1326 35 23213 2 2 B I y 厘米 3 按额定载荷时桥架和小车同时猛烈制动的最不利载荷情况计算主梁 此外 也考虑 由大车运行机构和司机室重量对梁引起的载荷 对主梁 0 0 轴 如图 5 的扭矩 图 5 扭矩计算图 M 35 740 16500 160 200 15 5 16 44 2 2 1 3 1 h p M l p Le q 惯 惯 惯 扭 33490 公斤 厘米 当改变力 惯 q 和 2 惯 p 的方向时 对主梁 0 0 轴的扭矩为 160 200 15 5 16 44 16500 35 740 3 1 1 2 2 l p Le q M h p M 惯 惯 惯 扭 490 公斤 厘米 取最大值 扭 M 33490 公斤 厘米 作为扭矩计算值 求由固定载荷和移动载荷在 垂直和水平内产生的主梁最大弯矩 当跨度中心至载荷p 1 的距离与跨度中心至合力R 的 距离相等时 即主梁跨中至载荷 p 1 之间的距离为 4 b 时 两个移动载荷在左边车轮下面的 梁截面内产生最大弯矩 在垂直面内主梁的支承反力 由固定载荷的作用 如图 6a 图 6 主梁计算图 a 和 b 分别为由固定载荷和移动载荷在垂直面内的作用 c 和 b 分别为有固定载荷和移动载荷的惯性力在水平面内的作用 e 由于扭矩的作用 公斤 梁 5860 5 16 2 5 16 480 25 2 5 16 2200 2 2 2 2 L L q l L p R k B 公斤 梁 4260 5 16 2 5 16 480 25 2 2200 2 2 2 2 L L q l p R K A 由活动载荷的作用 如图 6b 公斤 3996 5 16 4 6 1 2 5 16 4200 2 4 2 2 1 L b L p R B 公斤 4403 5