门机设计书正文.doc

10t/18m A型双梁门式起重机门架结构设计 摘要：本次设计为10t/18m A型双梁门式起重机门架结构设计；门式起重机实现港口货场装卸作业效率，减轻工人劳动强度，改善工人操作条件；是货场重要的起重运输机械。A型双梁门式起重机主要由双主梁 两刚支腿 两柔支腿以及下横梁组成门式起重机的主要金属结构。关键字：A型门式起重机, 结构，跨中 10t/18m A-type double-girder gantry cranegantry structure designAbstract：The design for the 10t a dual-beam structure design gantry crane；Gantry crane to achieve operating efficiency of the port loading and unloading freight yard，Workers to reduce labor intensity and improve conditions for workers to operate；Gantry crane was lifting the freight yard important transport machinery；A dual-beam gantry crane mainly from two main beam，two rigid outrigger，two flexible outrigger，two the saddle, rigid column ,and beams of top and bottom gantry crane of the main metal structure.Keyword： A dual-beam gantry crane， Metal structure Middle of span第1章 总体方案设计1.1 基本参数和已知条件起重量Q：10t跨度L：18m工作级别：A5起升高度（主/副）：10.5m小车重量: 3.1t起升速度（主/副）：10.45m/min运行速度（大/小）：60/44.5m/min左悬臂长=右悬臂长：6940mm有效悬臂长度：4500mm1.2 材料选择及许用应力 根据总体结构采用箱形梁，主要采用板材及型材。主梁、端梁均采用Q235-A钢，二者的联接采用螺栓连接。材料许用应力及性质： 取= 取= 取=1.3 门架的载荷计算1.3.1箱形结构门架自重箱形结构门架自重式中：额定起重量 ：主梁全长 ：起升高度1.3.2惯性力（一根主梁） (1) 大车制动时引起的水平惯性力 = 式中：大车运行速度 ：制动时间，取3.5s 大车制动惯性力应受到主动轮打滑的限制，即 式中：粘着系数，取0.15 ：大车主动轮轮压， (2) 小车制动时引起的水平惯性力 为了防止小车制动时打滑也应满足 式中：小车主动轮轮压，1.3.3风载荷 (1) 作用于货物的风载荷 式中：风力系数，取1.5 ：工作状态最大风压，取 ：货物迎风面积，当时， (2) 作用于小车上的风载荷 式中：小车的迎风面积，由小车防雨罩的尺寸确定， (3) 作用于主梁上的风载荷 式中：主梁长度方向迎风面积， 将主梁上的风载荷化为均布载荷 (4) 作用在支腿上的风力 式中：支腿迎风面积， 将支腿上的风载荷化为均布载荷 由于上述的各种载荷不可能同时作用于门架结构上，因此要根据门机的使用情况来确定这些载荷的组合。第2章 主梁的计算2.1 主梁的几何尺寸和特性2.1.1 主梁几何尺寸 高度 取腹板高度mm 翼缘板厚度mm 腹板厚度mm ; mm 主梁总高度主梁宽度mm , 腹板外侧间距取mm , 上下翼缘板不同,分别为及.主梁端部变截面长取2.1.2 主梁几何特性 面 积 形 心 惯性矩 截面模数 2.2主梁的内力计算2.2.1垂直载荷引起的主梁内力 (1) 移动载荷引起的主梁内力 一个偏轨箱形主梁上总的小车轮压，按下式计算 式中：起重机小车自重 ：起升载荷 ，：冲击系数， ：桥架主梁的根数 因此： 现分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力：小车位于跨中 最大弯矩作用位置 求得支反力 = 剪力 ：小车位于悬臂端 支反力 = = 剪力 弯矩 = (2) 均布固定载荷引起的主梁内力双梁门机半个桥架的单位长度重量载荷 式中：双梁门机桥架质量 ：主梁的总长度 支反力 剪力 弯矩 =(3) 小车制动惯性力引起的主梁内力 支反力 剪力 弯矩 2.2.2 水平载荷引起的主梁内力 当大车制动时，由惯性力和风载荷引起的主梁内力。在主梁水平面内，大车制动时产生的惯性力顺大车轨道方向，其中由主梁自重引起的和由满载小车自重引起的的计算值已于前述，顺大车轨道方向的风载荷为，（其值也列在前面）。他们引起的主梁内力见下图 小车在跨中 弯矩 式中 = = 小车在悬臂端 弯矩 = = = =2.3 主梁的强度验算2.3.1 主梁弯曲应力的验算 由上表可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯矩：小车在跨中时，跨中弯矩最大。小车在悬臂端时，支承处弯矩最大。现分别验算主梁跨中和支腿D处的弯曲应力。 跨中弯曲应力： = 支承处弯曲应力 . =2.3.2 主梁剪应力的验算 根据上述计算，小车在悬臂端时，主梁支承处剪力最大。主梁支承处垂直面内的剪应力由下式计算： 小车在跨中： 小车在悬臂端 剪应力 主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪应力一般较小，可忽略不计2.3.3主梁扭转剪应力的验算 对于偏轨箱形主梁受扭的影响，按纯扭转计算。主梁截面弯心的位置如下图所示。 (1) 外扭矩 式中 (2) 主腹板上的剪应力 (3) 副腹板上的剪应力 (4) 盖板上的剪应力 2.4 主梁稳定性的计算主梁整体稳定性的计算 主梁高宽比： 稳定主梁局部稳定性的计算 翼缘板 需设置一条纵向加劲肋，不再验算。 翼缘板最大外伸部分 稳定主腹板 副腹板 故需设置横隔板及两条纵向加劲肋，主腹板，副腹板相同，布置见下图 。 隔板间距，纵向加劲肋位置，主腹板外侧设置短加劲肋与上翼缘板顶紧以支承小车轨道，间距 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厚度中线（1-1）的惯性矩为： = = 合格 主，副腹板采用相同的纵向加劲肋， 纵向加劲肋对主腹板厚度中线的惯性矩为： 合格第3章 支腿的计算 3.1 刚支腿的几何尺寸和特性 对于带马鞍的门机,在支腿两个平面都制成上宽下窄,通常其尺寸宽差率为； ； ;mm ,mm因此 mm , mm 截面 II-II截面 刚性支腿几何特性 I-I截面 II-II截面 折算惯性矩 3.2支腿的内力计算3.2.1 门架平面内的支腿内力计算 (1) 由主梁均布自重产生的内力 有悬臂时的侧推力为： 式中 其中 ：主梁绕x轴的惯性矩 ：支腿折算惯性矩， 为了安全起见，现将有悬臂门架当作无悬臂门架计算，即 弯矩： (2) 由移动载荷产生的内力 ：小车在跨中 当，时，侧推力为： 弯矩： B：小车在悬臂端，主钩在左极限位置， 侧推力为： = 弯矩： (3) 作用在支腿上的风载荷产生的支腿内力 侧推力： 弯矩： (4) 由顺小车轨道方向的小车制动惯性力和风载荷产生的支腿内力 侧推力： 弯矩： 3.2.2 支腿平面内的支腿内力计算 由起升载荷，自重载荷引起的支腿垂直载荷及引起的内力 = = = 弯矩： =3.3 支腿的强度验算由上述支腿的内力计算可知：在门架平面内，支腿上部弯矩较大向下逐渐减小。在支腿平面内，支腿上部弯矩较大向下逐渐减小。所以双主梁门机的支腿在两个方向的宽度可变化为变截面形状，见支腿截面图。对于支腿上部截面，当小车位于跨中时，可按门架平面的合成弯矩：和支腿平面弯矩：验算弯曲应力。刚性支腿：柔性支腿：3.4 支腿稳定性的计算 刚性支腿整体稳定性的计算 支腿的整体稳定性按下式验算 式中，：门架平面和支腿平面的计算弯矩 （常取距支腿小端处截面弯矩） ：支腿承受的轴力 ，：距支腿小端处截面的截面积和截面模数 ：压杆的许用应力折减系数，由支腿的长细比确定 其中： 查表得： 187 查表得： 回转半径 刚性支腿局部稳定性的计算 为了防止支腿的翼缘板和腹板发生波浪变形，应对支腿进行局部稳定性校核，否则可能导致结构过早损坏。 对于箱形截面支腿，其两腹板间的翼缘板宽度与厚度之比和腹板的计算高度与厚度之比应满足下式： 由支腿截面可得： ， 因此： 故需要设置纵向加劲肋（通常由钢板或扁钢制成），纵向加劲肋应成队布置，同时，为了增加支腿的抗扭刚度，必须设置横隔板。 劲肋的确定： 纵向加劲肋的宽度： 式中 = 8mm 纵向加劲肋的厚度： 横隔板的宽度：，取 横隔板的间距： 横隔板的厚度：，取， 第4章 下横梁和马鞍的计算4.1 下横梁的几何尺寸和特性下横梁是支腿架的基础梁，其截面主要由大车车轮的安装尺寸决定，今选用大车车轮D700，轨道型号QU70，车轮组宽度520mm。下横梁截面的几何尺寸如下图所示，截面的几何特性为： 4.2 马鞍的几何尺寸和特性小车最高点到轨面，导电架高，护栏高取，综上所述去马鞍高度。马鞍截面的几何尺寸如下图所示，截面几何特性为： 4.3 下横梁的内力计算下横梁承受支腿传来的垂直力和水平力（通过下法兰）以及自重和压重，在支腿法兰面和跨中截面都产生弯矩，但后者较大。在跨中由支腿水平力对下横梁引起的反向力矩将起减载作用，下横梁的跨中弯矩计算： = =式中 4.4 下横梁的强度验算 下横梁强度按下式验算： 4.5 下横梁稳定性的计算下横梁整体稳定性的计算 高宽比：，则不需要验算下横梁的整体稳定性，一般均 可满足。下横梁局部稳定性的计算翼缘板：，满足要求腹板：,因故需要设置横隔板，其间距布置通常为：，且不大于，因此：，不需要设置纵向加劲肋。 第5章 门机的抗倾覆稳定性校核起重机抗倾覆稳定性是指起重机在自重和外载荷作用下抵抗翻倒的能力。保证起重机具有足够的抗倾覆稳定性，是起重机设计中最基本的要求之一。对带悬臂的门机，需验算纵向（悬臂平面）工况1（无风静载）和工况2（有风动载）的稳定性，以及横向工况4（暴风侵袭）的稳定性。 (一)纵向工况1（悬臂平面，无风静载） 小车位于悬臂端，起吊额定载荷。其抗倾覆稳定性校和计算公式为： 式中，：自重和起升载荷的载荷系数； ，：桥架重心和小车重心到倾覆边的水平距离； (二)纵向工况2（悬臂平面，有风动载） 满载小车在悬臂端起（制）动，工作状态下的最大风力向不利于稳定 的方向吹。其抗稳定性校核计算公式为： 式中，：水平惯性力和风载荷的载荷系数； ：起重机轨道面至小车轨道面的距离； ，：起重机所受风载荷及其重心至起重机轨道的距离； ：作用在小车和货物上的风载荷； (三)横向工况（大车走行方向，暴风侵袭） 非工作状态的起重机受沿大车轨道方向的暴风侵袭。其抗倾覆稳定性 校核计算公式为： 式中：轴距或前后支腿间的距离； ，：非工作状态下，起重机所受风载荷及其重心至起重 机轨道的距离； 其中： 式中：风压高度变化系数；取 ：非工作状态计算风压；取 第6章 门架的刚度计算6.1 主梁静刚度校核取超静定门架简图计算(1) 小车位于跨中时。 主梁在跨中的垂直下挠度按下式计算： = =(2) 小车位于悬臂端时。 主梁在悬臂端的垂直下挠度按下式计算： = =6.2 主梁动刚度校核主梁的动刚度，可以按下式验算主梁满载自振频率来控制式中：满载自振频率（HZ） ：主梁结构在跨中的刚度系数 ：主梁结构在跨中的换算集中质量与小车质量之和 ：与额定起升载荷的质量之比，即 ：与钢丝绳绕组的刚度系数之比，即 (1) 小车在跨中时 = 因此： = = 式中：绕组的分支数 ：钢丝绳的纵向弹性模量 ：单根钢丝绳的横截面积 ：钢丝绳绕组在相当于额定起升高度时平均下放长度 因此： (2) 小车在悬臂端时 = 因此： = = 因此： 所以： 皆大于2HZ，满足要求 6.3门架水平静位移 满载小车位于悬臂端时，超静定门架水平静位移按下图模型计算 式中：主梁截面对横轴的惯性矩 ：静载荷， ：门架许用水平静位移，推荐 第7章 主梁的翘度和拱度 为了使小车正常运行，门机的主梁也需要在跨间设置拱度，在悬臂设置翘度。主梁跨中央上拱度可取为：，即 悬臂端的翘度可取为：，即 其它部分按二次抛物线变化，考虑制造误差和可能引起的变化，允许将拱度和翘度值增大（减小）。 第8章 连接部分计算8.1 刚性支腿与主梁连接处的螺栓强度验算此次设计所用的螺栓均采用高强度螺栓，高强度螺栓连接是靠连接板之间的摩擦来传力的，连接时连接板件（构件）的表面需要清污喷丸处理，以提高其摩擦力，螺栓直径与孔径的间隙不大于，高强度螺栓用力矩扳手拧紧，能使每个螺栓达到均匀的预紧力值。每个高强度螺栓抗剪切许用承载力为： 式中：安全储备系数 ：传力摩擦面数； ：摩擦因数；（喷丸钢） ：高强度螺栓预紧力； 螺栓布置如下图所示：门架平面内的弯矩： 支腿平面内的弯矩： 支腿轴向力： 距轴最远处的一个螺栓的拉力为： 式中：轴向力至轴的距离； ：左边列至轴的距离； ：各螺栓至轴距离的平方和； 距轴最远处的一个螺栓的拉力为： 该螺栓所受合力： 对于高强度螺栓： 合格8.2 刚性支腿与下横梁连接处的螺栓强度演算 螺栓布置如下图所示： 门式起重机支腿与下横梁连接，同时受压，弯，剪的栓接。 剪切力由精制螺栓平均承受，如水平扭矩由精制螺栓承受，螺栓最大内力的计算如前面所述。 所有螺栓均受拉力，假设法兰板足够刚度，在弯矩M作用下，法兰板绕右边螺栓线x轴旋转，使左边列螺栓受压最大拉力。 距x轴最远的一个螺栓的拉力为： Pl= 2（M-Ne）y1/ yi2 Pl 式中：M ,N -连接所受弯矩和压缩力。 e-压缩力至x轴的距离。 y1=左边列出至x轴的距离。 yi =某个螺栓至x轴的距离。 yi2 =各螺栓至x轴的距离平方和。 2-个螺栓预紧力不均匀系数。(1)刚性支腿：1：M取为：300KNN=955KN采用M30的螺栓，按其扳手间距布置螺栓分布： 刚支腿下截面尺寸长900mm 宽600mm所以：再向其截面外扩张80mm。共采用22个M30螺栓连接。2：连接计算校核：y1=1080mm=1.08m e=540mm=0.54m所以： 刚支腿与下横梁连接计算结束，同时，在刚支腿与下横梁法兰连接处的法兰上，每个螺栓连接之间加上小的劲肋-增强其连接可靠性（必须在保证扳手空间距离的前提下）-适当加劲肋。参考文献 1. 徐格宁起重运输机金属结构设计 M.徐格宁主编2起重机设计手册编写组.起重机设计手册M.北京:机械工业出版社，19803张质文 等.起重机设计手册M.北京:中国铁道出版社，19974陈道南,盛汉中.起重机课程设计M.北京：冶金工业出版社,19835起重机械，太原重型机械学院6起重运输机金属结构设计，太原重型机械学院 20077国家机械工业委员会西安重型机械研究所.重型机械标准S.北京：国家机械工业委员会重型机械局，19878濮良贵、纪名刚. 机械设计(第七版). 北京：高等教育出版社, 20019. 张质文, 包起帆等. 起重机设计手册. 北京：北京中国铁道出版社，200110.起重机设计手册编写组编。北京：机械工业出版社198011. 杨长揆, 傅东明. 起重机械(第二版). 北京：机械工业出版社, 198512. 唐增宝, 何永然，刘安俊. 机械设计课程设计（第二版）. 武昌：华中科技大学出版社, 199913.起重输送机械图册（上册）倪庆兴主编，北京：机械工业出版社1992致谢通过近2个月的设计，我对桥式起重机的设计步骤、内容和方法有了深入的了解，同时巩固了已学的金属结构及相关知识，为以后的工作学习打下了坚实的基础。在设计过程中遇到了许多问题，如强度验算和疲劳验算以谁为主，连接板的焊接应力等等。经过老师的知道使我明白了在高工作级别（、）的起重机设计中，要以疲劳强度验算为主，这就为以后工作、科研积累了经验。借此机会我要感谢老师对毕业设计的指导。在毕业设计中，老师对我的设计给予了很多的建议，让我知道了在做设计时应多方面考虑问题，同时，老师认真、负责的工作态度，让我在此次设计路上走的更为平坦，衷心的感谢老师，您辛苦了！最后，感谢所有参加答辩得老师们！英文翻译Aluminium tube hydraulic forming numericalsimulation research AbstractTube hydroforming is a process of manufacturing lightweight components, especially automotive parts. The typical failure modes such as folding back, wrinkling, buckling and fracture often occur due to the unreasonable selection of internal pressure and axial feeding. Most previous papers draw the conclusion that wrinkling is a failure mode. However, according to research carried out by the authors of this paper, not all wrinkles are defects. Accumulation of materials in main deformation areas through wrinkles is an alternative method for obtaining a perfect part. The key point is to obtain “useful” wrinkles instead of “dead” wrinkles. An investigation has been conducted on how to control the shape of the wrinkle waves and its effect on thickness distribution after hydroforming by using finite element simulation. To explore the effect of bending and unbending, a 2D simulation software, LS-DYNA2D, was used. It was found that the results from FEM can be used effectively of modelling of the main process parameters.Keywords: Tube hydroforming; Aluminum tube; Wrinkles; Simulation; Experiment1. IntroductionUsing liquid as forming media gains wide application fields in the world. And hydroforming can be divided into three types: shell hydroforming, sheet hydroforming and tube hydroforming. By using liquid pressure, a tube blank can be formed into hollow structures with different shapes; this is called the tube hydroforming technology. This process can be used in the fields of automotive and aerospace parts, etc. Although this technology can be traced back to the 1940s when Grey et al. 1 manufactured some seamless copper fittings with T branches, many application backgrounds have in recent years been explored following the development of automatic control technology and high-pressure technology 26. The machine studied and developed at the Harbin Institute of Technology has an independent control of axial feeding, internal pressure, and this will be discussed in details in the following parts 7.In recent years, some countries have practised this technology in the large volume production of automotive parts 8, 9. In general, the liquid pressure for forming is 400 MPa, sometimes a liquid pressure beyond 1000 MPa is needed for manufacturing of some special parts with small corner radius, very thick walls or high strength materials, etc. Main applications can be found in the fields of automotive and aerospace industries as well as for sanitary use. In the automotive applications, the formed parts can be divided into three types: frame systems, chassis systems and exhaust systems.Tube hydroforming has several advantages compared to the conventional manufacturing method which uses a combination of stamping and welding. These advantages can be concluded as part integration, weight reduction, improved structural strength and stiffness, lower tooling cost, fewer secondary operations, high accuracy and high materials utilization. Despite the many advantages, this technology also has some disadvantages such as slow cycle time, expensive equipment and lack of extensive knowledge 1012. Many factors influence tube hydroforming and it is not easy to find the optimum process parameters for control of the tube forming process. Because the dies are closed during tube forming, the material flow and forming process cannot be observed directly and traced easily by use of sensors. A lot of experiments must be done to find suitable process parameters. Nowadays, the numerical simulation provides an effective way of solving this problem.In tube hydroforming, tools and process development is costly due to the lack of an extensive knowledge base about this technology. Numerical simulation can simulate virtually the tube forming process accurately, predict the failure types and wall thickness distribution in time and display the final calibration. Furthermore, the parameters can be changed freely and quickly to study the different parameters effect on the forming of a tube so that the optimum parameters can be obtained. Based on the results from numerical simulation, the optimum experiment parameters can more easily be obtained and therefore the method has been widely used in the world 1315. The antirust aluminum alloy variable-diameter union tube which is usually used for deliver of pressurized liquid and air-conditioner cooling liquid is one important component in the aerospace and automotive industries. So, the properties of formed parts should be excellent. Especially the mechanical properties including the strength limitation and the fatigue limitation should be good enough, and the reduction of the wall thickness should be very small and can thus meet the needs of mechanical properties after forming (the limitation of wall thickness reduction must bewithin 15%). The hot pipe-expanding process followed by welding is normally used in conventional stamping because of the bad formability in cold working for the material of antirust aluminum alloy. The technical requirement for some special variable-diameter union tubes cannot be reached. And, by using the tube hydroforming process, it is possible to obtain a uniform wall thickness distribution and the reduction of wall thickness can be minimised. In this paper, the hydroforming process for antirust aluminum alloy variable-diameter union tube was studied by using numerical simulation and the concepts of useful wrinkles and harmful wrinkles have been proposed. For the purpose of displaying the material and exploring the bend-ing and unbending effects, LS-DYNA2D software is used 16 (Fig. 1).2. Parameters for simulation and experiment2.1. Geometric descriptions of part, tool setup and material properties The part dimensions are shown in Fig. 2. The diameter of the original tube blank is 65 and should be expanded to 88. So, along the circumferential direction, the total needed elongation is 33.4%. This shows that the deformation ratio is very large in the middle of the expanding area. The original tube wall thickness is 1.5mm. The variation of wall thickness must be within 15% of the initial tube wall thickness, which means the permitted wall thickness is from 1.275 to 1.725mm. The material LF2M (China brand) was used in the simulation and experiment. The tensile test curves for the material used in this paper are shown in Fig. 3, they prove that in an uni-axial tensile test, there is only a total elongation of about 14% along the axis direction and in the circumferential direction only about 15%. To meet the practical conditions, after the specimens used for the uni-axial tensile test were cut from the tube and then flattened, the annealing process was used to remove the hardening effect. There is a larger elongation along the circumferential direction, which will be helpful in the part forming. The other material parameters used in simulation and experiment are shown in Table 1.2.2. Finite element modelIn this paper, the FEM code of LS-DYNA2D was used to simulate the tube hydroforming. The reason for using LS-DYNA2D was that the 2D software can show the bending and unbending effects of the tube wall on the tube forming. The LS-DYNA software 16 is one of the famous softwares which can be used in the research field of sheet metal forming