机械毕业设计1198起重机总体设计及金属结构设计 (2).doc
机械毕业设计1198起重机总体设计及金属结构设计 (2)
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机械毕业设计1198起重机总体设计及金属结构设计 (2),机械毕业设计论文
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起重机总体设计及金属结构设计 龙门式起重机的总体设计包括以下内容：确定总体方案，选择主要参数，确定计算载荷，计算压轮和稳定性。 起重机的设计参数是指：起重量 Q(t)、跨度 L(m)起升高度 H(m)起升速度qV(m/min)、小车运行速度oV(m/min)和工作级别等。 起重机的设计参数是指：有无电源 (交流或直流 )、工作地点 (室内或室外 )、最大行程以及工作环境 (温度、湿度、有无煤气或酸气 )等。 其它要求：如起重机所占空间的限 制、司机室的型式 (敞开式或封闭式 )、司机室的位置 (在桥梁中间或一端 )、司机室的高度、操纵方式 (手动、电动，遥控 )等。 龙门起重机的总体方按和基本参数确定： 龙门起重机广泛用于各种工矿企业、交通运输和建筑施工。主要在露天贮料场、建筑构件加工场、船坞、电站、港口和铁路货站等处，用其装卸及搬运货物、设备以及建筑构件安装等。 一、门架的结构型式： 采用板梁结构。由于板梁结构制造方便，采用这种型式的门式起重机占多数。门架可制成双腿 (全门架 )，门架主梁与支腿的选择是刚性连接的。门架采用双梁。门架结构是板梁式箱形 结构。双梁箱形结构门架的支腿制成“八”字型。 二、门架的主要尺寸的确定： 箱行结构 箱行主梁的截面以矩形截面。门式起重机的主梁高度 LH )201151(：当采用两条刚性支腿时，取 LH )251151(， HB )3121(，采用单箱型时，取HB )132( 。 对于支腿，腿高 h 由所要求的门架净空尺寸确定。刚性支腿的上部连接按箱形结构宽度 Hb (主梁高度 )确定； 柔性支腿的上、下部和刚性支腿的下部连接按门架下横梁宽度及具体结果确定。 nts考虑到起 重机沿 大 车轨道方 向稳定 性 的要求， 门式起 重 机的轮距oLK )6141(，oL为主梁全长。 三、门式起重机的载荷及其组合： 1载荷 作用在门式起重机上的载荷有：起重载荷、门架自重、小车重量、电气设备及司机室等自重；小车惯性力 (由大、小车制动时产生的 )，大车惯性力 (大车制动时产生的 )、大车偏斜倾向力及风力等。 1)箱形结构的门架自重：箱形截面桥架自重 对于 75t 以下的普通门式起重机，桥架 (主梁 )自重按下式估算： 带悬臂 qG oo HQL5.0无悬臂 ooq HQLG 7.0式中 Q 额定起重量 (t )； oL 桥架 (主梁 )全长 (m )； oH 起升高度 (m )。 支腿自重：双梁门架的支腿单位长度自重常取为主梁单位长度自重的 0.2 0.4 倍单主梁门架的支腿单位长度自重取为主梁的 0.7 0.9 倍。 2)小车自重 对于双梁小车，单主梁小车自重xcG按下式估算： 当 tQ 165 时 )(7.2 tQG xc 对于 A7 工作类型小车，宜再乘以系数 1.15。 当 tQ 5020 时 )(5.33 tQG xc Q 大时，分母应取大值。对于 A7 级工作类型小车，宜再乘以系数 1.06。 3)惯性力 (惯性载荷 ) 机构起、制动时产生的惯性力和冲击振动引起的惯性载荷的确定。 大车制动时引起的水平惯性力dgP大车运行制动时引起的水平惯性力，对于主动轮仅布置在一侧的门式起重机，设 1 轮为主 动轮， 2 轮为从动轮，则大车制动惯nts性力dgP为： zdxczdqxcdgQdgqdgdg gtvGQgtvGPPPP )( 式中 qdgP 大车制动时，由桥架自重引起的水平惯性力； zdxcxcdgQdg gt vGQPP )( 由货重和小车自重引起的水平惯性力； pG、xcG、dv和 zt 等符号 但是，大车制动惯性力dgP应受到主动轮打滑的限制，即 1fVPdg 式中 f 粘着系数； 1V 大车主动轮轮压。 小车制动时引起的惯性力xgP小车运行制动时引起的水平惯性力xgP按下式计算： zxxcxg gt vGQP )( 式中 xV 小车运行速度。 4)大车运行偏斜侧向力 当门式起重机的运行速度与桥式起重机的运行速度相近时，可按下式计算侧向力： max1.0 VS 式中 maxV 大车的最大轮压。 当门式起重机的运行速度较低时，侧向力按照之腿由 于运行阻力不同时求出 LBWWS BA 2 )( 表示主梁由于侧向力引起的弯矩。其中： LWWBSM BAL 2 nts式中 AW 和 BW 两支腿处的运行阻力，且 AW BW ； AT 和 BT 两支腿运行牵引力，且 BA TT 。 1）进行最大拉力验算： kNymyMTiixA 32)24521502552(2 245448502 2222m a x 2）计算受拉单栓 承载力 kNPN t 5.1221757.07.0 故 tA NT 验算通过。 2载荷组合 由于各种载荷不可能同时作用在门架结构上，因此要根据门式起重机的使用情况来确定这些载荷的组合。 门式 起重机的计算载荷组合通常考虑以下几种情况： 计 算 构 件 主梁 支腿 载荷情况及组合 IIaIIdIIbIIcIId门架自重 qG4 qG mG mG4 mG 起升载荷 Q2 Q2 Q2 小车惯性力 xgP 大车惯性力 dgP dgP 大车偏斜侧向力 S S S 门架支承横推 H H nts 1) 对于主 梁，考虑 小车位 于跨中 或悬臂端，小车满载下降制动，同时 大车平稳制动，风力平行大车轨道方向。称为计算情况 IIa。 2)对于支腿，分别考虑门架平面和支腿平面内的两种载荷组合： 在门架的平面内，大车不动，小车位于跨端或悬端，小车满载下降制动，同时小车运行机构制动，风力沿小车轨道方向，称为计算情况 IIb。 表 门式起重机的计算载荷组合 注：表中qG 桥架 (主梁 )自重；mG 门架 (包括主梁和支腿等 )自重， mFP 在门架平面内，沿小车轨道方向的风力； tFP 在支腿平面内，沿大车轨道方向的风力。其余符号同前述。 在支腿平面内，小车位于跨度端或悬臂端，小车满载下降制动，同时大车平稳制动，风力平行大车轨道。称为计算情况c。 3) 对于主梁和支腿，还应考虑非工作状态下的载荷组合，这时大车和小车皆不动，空载。仅作用有非工作状态的最大风载荷，称为技术情况d。 对于每种计算情况，由于其载荷组合出现的可能性不同，所以在设计计算时，对金属结构的许用应力值也各不相同。 四、箱形结构门架的强度验算 1主梁危险载面的强度验算 1）正应力的验算 根据公式计算的垂直弯矩同时作用在主梁上，并考虑约束弯曲和约束扭转的影响，主梁再面上的正应力可按下式叠加： 主梁跨中： 15.1)( 3 m axm ax2yzzxz WMWM力 风力 mFP FP tFP tFP FP 小车自重 xcG4xcGxcxcG4xcGnts主梁支承载面： 15.1)( m axm axysccxcz WMWM式中 maxzM、 szMmax 主梁跨中的最大垂直弯矩和水平弯矩； maxcM、 scMmax 主梁支承载面的最大垂直弯矩和水平弯矩； zxW、cxW 主梁跨中和支承载面 对 x 轴的载面摸数； yW 主梁对 y 轴的载面摸数 。 强度许用应力为： M P an s 45.18033.1240 1）确定应力循环特性 01.0150000015000m a xm in NNrAQ235 钢的强度许用应力为： M P an s 45.18033.1240 式中 n为载荷组合的安全系数。 2）剪应力的验算 箱形载面主梁支承载面处的剪力cQ在腹板上引起的剪应力按下式计算： )( 21 x xcx ISQ 式中 xS 主梁载面的一部分对中性轴的静矩； xI 主梁载面对 x 轴的惯性矩； 1 、 2 主梁的主、副腹板的厚度。 在水平载荷作用下，盖板上的剪应力： oyysy ISQ 2nts式中 sQ 支承处的水平剪力； yS 主梁载面的一部分对 y 轴的静矩； yI 主梁载面对 y 轴的惯性矩； o 上、下盖板厚度。 主梁受扭的影响。则按纯扭转计算，计算式为： 主腹板上 11 2 kM = 3.216301962 325 副腹板上 22 2 kM = 0.312361962 325 盖板上 oko M 2= 0.416391962 325 式中 KM 作用与主梁支承载面的扭矩； 主梁封闭载面的轮廓面积， bh 。 在主梁载面上，各种载荷在同一点引起的剪应力予叠加。 2、支腿危险载面的强度验算 对于单主梁箱形结构门架的支腿应分别选取几个载面进行强度计算。 强度验算式为： FNWMWM txtym m axm axm ax 式中 mMax 门架平面，支腿验算载面的最大弯矩； tMmax 支腿平面，支腿验算载面的最大弯矩； tNmax 支腿平面，支腿验算载面的轴向力； xW、yW 验算载面对 x 轴和 y 轴的载面模数； F 验算载面的面积。 根据静强度和疲劳强度条件计算截面需要的面积： nts 2m ax 4.1108345.1802000000 mmNAj 2Im 4.2 0 7 3 235.721 5 0 0 0 0 0 mmNA rt axj 由计算结构知，杆件应根据疲劳强度条件确定截面积。杆件需要的最小截面积为20732.55 2mm 。 3、下横梁的强度验算 将 各种载荷作用在门架上引起的下横梁的弯矩叠加，然后按下式验算其强度，即弯曲应力： xWM 式中 M 作用在下横梁载面的总弯矩； xW 验算载面对 x 轴的载面模数。 五，箱型梁的约束弯曲计算 近年来，桥式起重机有采用宽翼缘箱形梁，这时薄壁箱形梁受弯曲时，在剪应力作用下，翼缘板和腹板产生了翘曲，梁的截面不在保持平面， 而有翘曲（图 b 中虚线所示）。由于这种翘曲受到了约束，因而破坏了正应力按平面分布的规律，这时正应力沿梁宽的分布不再是一个常数，沿着梁高的分布也不再符合线性分布规律（图 ），其中虚线表示自由弯曲应力。 图 薄壁箱形梁的计算 图 薄壁箱形梁 约束弯曲时剪应力分布 nts根据理论分析和实验验证，在薄壁箱型梁的角点上，最大约束弯曲正应力可近似取为： )1( o式中 o 自由弯曲正应力； LB75.1 考虑约束弯曲而使应力增大的系数； B 翼缘板宽度。 初选箱形截面腹板厚度 mcm 012.012662 31221422 323LECCQGAxc 3128528012.03132101.23 10004.11)4.02.14.1( 104.1 8.82 ,16027336.0182.81322 kNQkNBAQ 刚度是控制条件。 图 薄壁箱形梁约束弯曲时截面正应力分布 nts 图 腹板受轮压局部挤压计算 六，轮压产生的局部压应力 1） 当起重机小车的轮压直接作用在梁的腹板上时 （图 ），腹板边缘产生的局部压应力为：m= P式中 _m 局部压应力 2mmN； P 集中载荷 （ N）； 板厚（ mm）； 集中载荷分布长度，可按下式计算： 12h 式中 集中载荷作用长度，对车轮取 mm50 ； 1h -自构件顶面（无轨时）或轨顶（有轨时）至板计算高度上边缘的距离（ mm） . 2） 当起重机小车的轮压直接作用在梁的上盖板时，局部弯曲应力为：普通正轨或半偏轨道布置在两腹板中间的上盖板上，由轮压作用而使上盖板产生局部弯曲，此时上盖板应按被两腹板和相邻两筋板分隔成的矩形板计算，如图 所示。 箱型梁上盖板是超静定薄板。它支承在梁的腹板和横向 加筋板上。这种薄板的计算简图较复杂，再加上在小车轮压作用下，起重机箱型梁的盖板连同轨道一起承受局部弯曲，使其计算简图更加复杂。 为了简化计算，特作如 下假设： nts （ 1）把上盖板看作为是腹板和横向加筋板约束的自由支承的 薄板； （ 2） 轨道视为一根中部受集中载荷的梁； （ 3） 根据薄板受集中载荷作用来计算盖板挠度； （ 4） 计算应力时，假设轨道和盖板间仅在边长为 a 和 b 矩形面积上接触。此时，521 ph (cm), 1b 为轨道宽度， ph 为轨道高度。 图 上盖板的局部弯曲计算简图 对 于正轨和半偏轨箱型梁，由于集中载荷的作用点在板的中心或偏一距离，故应采用板壳理论计算。根据板壳理论，作用在受载面积中心（图）弯距： 8NMx )1)()1)(s in4ln2( vvdbb8NMx )1)()1)(s in4ln2( vvdbb式中 )(112121 babad 、nts 3321961 a IbkPN 在 此处 I-轨道的惯性矩； 上盖板的厚度； 1k 系数，取决于 ba 之间值，见表 。 表 系数 1k ba 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1k 0.127 0.138 0.148 0.162 0.171 0.177 0.180 轨道中心线至腹板的距离，正轨时， 2b ； ktgkkktg 11 11 ktgkkktg 11 11 11abk； v_波桑比； ， 系数，其值取决于 ab 和 a 的值（参见表 ）； 上盖板上的折算应力 按下式求得： 2)(z 折 zzax )(2= 1327103)213310(2136)235123( 22 式中 由垂直弯矩引起的正应力， ，x， z 应带各自的正负号代入。 nts 表 对于矩形板的因子 和 的值 0.10 0.20 0.3. 0.40 0.50 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.5 2.792 2.352 1.945 1.686 1.599 0.557 -0.179 -0.647 -0.852 -0.906 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 3.0 2.861 2.904 2.933 2.952 2.966 2.982 2.900 2.955 2.977 2.999 3.000 3.000 2.545 2.677 2.768 2.932 2879 2.936 2.966 2.982 2.900 2.955 3.000 3.000 2.227 2.433 2.584 2.694 2.766 2.880 2.936 2.966 2.982 2.900 3.000 3.000 2.011 2.259 2.448 2.591 2.698 2.836 2.912 2.953 2.975 2.987 2.999 3.000 1.936 2.198 2.399 2.533 2.669 2.820 2.903 2.948 2.972 2.985 2.999 3.000 0.677 0.758 0.814 0.856 0.887 0.931 0.958 0.975 0.985 0.991 0.999 1.000 0.053 0.240 0.391 0.456 0.611 0.756 0.849 0.908 0.945 0.968 0.998 1.000 -0.439 -0.229 -0.031 0.148 0.304 0.551 0.719 0.828 0.897 0.939 0.996 1.000 -0.701 -0.514 -0.310 -0.108 -0.080 0.393 0.616 0.764 0.858 0.915 0.995 1.000 -0.779 -0.605 -0.4.04 -0.198 0.000 0.335 0.578 0.740 0.834 0.906 0.994 1.000 nts 六，刚度计算 梁除了满足强度条件外，还需具有一定的刚度（限制变形）才能满足使用要求。用于起重机的梁只验算由有效载荷（移动载荷）产生的静挠度（不计动力系数），梁的这种变形是 弹性变形，外载荷消失后梁能复原，绝对不允许残余（永久）变形。 1， 静刚度 当两个不相等的移动集中载荷对称作用于梁的跨度中央时（图），其最大静挠度由下式确定： fllppf )75.0()( 221对于图 所示情况，梁的最大静挠度： flLllLlEI ppf )75.0()75.0(12 )( 2222212121允许静挠度值 f 分别推荐如下： 1） 桥式起重机、门式起重机的跨中挠度 Lf 1 0 0 017 0 01 式中 L 起重机的跨度。 2） 门式起重机的悬臂挠度 nts 13501 Lf 式中 1L _悬臂长度。 3） 桥式起重机跨中水平位移 Lffss 20001根据刚度条件，型钢梁需要的截面惯性矩为： 25533 1094.6101.248 70048 PLLPLfEPLI 式中 L 梁的跨度（ mm ）； f 型钢梁的许用挠度， 700Lf ； p 电动葫芦在额定起重量时的总轮压（不计动 力系数） 。按下式计算： hGQP 其中， Q 额定起重量 )(N ， hG 电动葫芦自重 )(N 。 2， 动刚度 在起重机小车卸载时，主梁在垂直方向将产生衰减振动，这种振动对结构强度的影响不大，但对于起重机的正常使 用以及司机的操作田间却是不利的，缓慢的衰减过程影响到起重机的生产率，因此，从现代化生产的要求出发（特别是对高速运行的起重机以及要求所吊运件能精确安装的起重机），起重机应保证一定的动刚度。 nts 图 梁的刚度计算 对于一般使用的起重机， 不必验算起动刚度。对于工艺上及生产率上有较高要求的桥式起重机，应验算动刚度，要求小车位于跨中时的满载自振频率 f 不应低于2HZ。 可按下列公式验算满载自振频率： 2)1()1(.6.0kmkmMKfss =0.6 32167821 =1367.1 式中 f _满载自振频率，（ HZ）； sk 主梁结构在跨中的刚度系数，其物理意义为使主梁在跨中处产生单位垂直静挠度 所需的集中力的大小 cmkN ；按表 计算； sM 主梁结构在跨中的换算集中质量与小车质量之和（对于双梁结构，如果小车质 量按整台小车计算，则sM近似等于一根主梁结构的质量）（ cmskN 2 ）；按表 计算； m sM 与额定起升载荷的质量 QM 之比，即QMMm ； K SK 与钢丝绳绕组的刚度系数 iK 之比，即ts KKk 。 钢丝绳绕组的刚度系数 Tk （其物理意义为使钢丝绳绕组在荷重悬挂处产生单位静伸长所需的力）可按下式计算： rrrt lFnEk = 128045 316321 式中 tK 钢丝绳绕组的刚度系数 cmkN ； n 绕组的分支数； rE 所用的钢丝绳的纵向弹性模数，与钢丝绳结构有关，一般取值 1.0 4102cmkN； nts rF 一根钢丝绳的钢丝截面积 2cm ; rl _钢丝绳绕组在相当于额定起升高度时的实际平均下放长度，可近似取为卷筒中心与上部固定滑轮中心之半处至吊滑轮中心的实际平均下放长度（ cm） ,见图 。 七，稳定性计算： 对于双梁箱形截面桥式和门式起重机以及单主梁门式起重机，一般不进行整体稳定性验算，但应进行腹板和盖板的局部 稳定性验算。 nts1， 桥式类型起重机梁的腹板可能在下列几种应力作用下丧失稳定性 1） 弯曲剪应力：在剪力作用下，梁的腹板会在 45 度方向受压而在斜向失去局部稳定性（图）； 2） 弯曲正（压）应力。这时，梁的腹板和盖板的受压区有可能在梁长方向失去局部稳定性（图）； 3） 弯曲正（压）应力和轴向压应力（如门式起重机的支腿）； 4） 作用在腹板上缘的载荷（如集中轮压等）产生压应力（如偏轨桥式和门式起重机），这时，腹板会因挤压应力 在竖向失去稳定（图和图）。 金属结构也可能在以上几种应力共同作用在梁的腹板上时丧失局部稳定。这时，腹板随着作用于其上的载荷性质不同翘曲各种曲面（图）。 图 腹板局部稳定的计算 表 垂直动刚度计算数据 nts 注：集中公式里的 q 整个桥架结构（不包括支腿及下横梁）单位长度重量； I 全部桥架结构的惯性矩； 1I 跨度一侧全部支腿的惯性矩； rcG 小车（带吊具）重量。 为了保证梁的腹板的局部稳定性，通常用加劲板或加劲杆来加固腹板，这样要比增加腹板的厚度经济些。加固的方式如下： 1） 在箱形截面梁整个高度上设置横向加劲板（图）； 2） 对于正轨箱形结构桥式起重机，除设置横向加劲板外，在箱形截面腹板受压区域设置短横向加劲板（图）； 3） 在跨度较大的桥式和门式起重机中。梁的高度比较大，这时，除设置横向加劲板外，常常在腹板的受压区设置一条纵向加劲线，如果需要，例如从工艺方面限制腹板旁弯和波浪形，在腹板受压区也设置 纵向加劲杆（图）。 nts2， 箱形截面梁腹板加劲的设计原则 1） 通常沿腹板全高设置横向加劲板（图和）加固腹板。当 100h时，横向加劲板之间的距离不应大于 2h 或 3m；当 100h时，不应大于2.5h。在跨度较大时横向加劲板的间距，在支座附近较小些，而在跨中较大些。考虑到实际生产中，为了限制腹板波浪度，一般取间距2.2 m。 2） 如果腹板仅在剪应力作用下；当 70h（对于低碳钢 ）或)6055(h （对于低合金钢）时，可不必设置横向加劲板，但是为了增加截面的扭转刚度，提高梁的整体稳定性，一般仍设置横向加劲板。 3） 如果腹板仅在正应力作用下，当 1h（对于低碳钢）或)145135(h （对于低合金钢）时，可不必加固。 5） 对于高度较大的梁，必须在腹板受压区设置纵向加劲条（图的 3），且设置在离受压翼缘板（ 0.20.25） h 处（图 ）；当 240h（对于低碳 钢）或 220h（对于低合金钢）时，一般只加一根纵向加劲条，如果因梁高很大，而必须用两根纵向加劲条来加固腹板时，则第一根纵向加劲条离受压边缘距离为（ 0.150.20） h ，第二根离受压边缘距离为（ 0.350.40）h。纵向加劲条截面必须的惯性矩见表 3-6。 图 箱形主梁加劲板的设置 nts6） 若腹板仅仅只用横向劲板加固时，对于箱形截面梁，横向劲板宽度取为等于两腹板间距 b，若梁宽 B 较大，横向加劲板中部可开孔，但应保证)4030( hb f mm，加劲板厚度不应小于 jb151 。 7） 在有纵向加劲条的情况下，横向劲板的惯性矩为： 33hJh纵 向加劲条所需的惯性矩根据比值 hh1 确定（表 ） 8） 当梁的上翼 缘 作用有集中载荷（例如正轨箱形结构桥式起重机）时，一般在腹板上须设置短横向加劲板（图 ），其高度 hh 3.01 或 11 4.0 h 。 如果腹板上有纵向加劲条，则短横向加劲板应与纵向加劲条相连，短横向加劲板的间距 )5040(1 。 八，腹板局部稳定性的验算 表 3-6 纵向加劲条必须的惯性矩 zI 对于偏轨箱形梁，腹板同时受弯曲正应力，剪应力和集中轮压作用在腹板上缘产生的压应力。 根据板的弹性稳定理论，结合工程实际，可将工字型截面的腹板看作是由上下翼缘板支承着的弹性嵌固 板，但有水平位移的可能。弹性嵌固起提高腹板屈曲系数的作用，能水平位移，有降低抗屈曲能力的作用，所以可以偏安全地认为腹板的上下支承是 只能转动的简支支承，不考虑其嵌固影响。 nts在有较强翼缘板的情况下，工字型截面的腹板弹性嵌固支承影响系数可以取x=1.5。 薄板在各种载荷情况和各种支承情况下的局部稳定的临界屈曲应力公式可写成如下通式： Ecr xk 1Ercr xk Emmcr xk 、 式中 cr1、cr、mcr 分别为 x 方向正应力、剪切应力和 y 方向局部压应力作用下的临界屈曲应力 2mmN； x 板 边支承情况影响系数，也称嵌固系数，两非承载边简支支承时取 1，弹性嵌固时取 1.21.5，详见表 ； k、 rk 、mk 分别为简支支承板在受 x 方向正应力、剪应力和 y 方向局部应力时的屈曲系数，其值参见表 ； E 板屈曲的欧拉应力 2mmN，可按下式计算： 222222 10019)1(12 bbEbDE =163.31 式中 D=)1(12 23E 板的单位宽度弯曲刚度； 板厚； b _垂直于正应力方向的板宽，验算腹板时为腹板的计算高度； a_垂直于局部压应力方向的板长，验算腹板时为横向加劲板间的距离； E 弹性模数 2mmN； 波桑比。 nts板在压应力 1 剪应力 和局部压应力m共同作用时的等效临 界复合应力可按下式 、 22111121221,43413crm c rmcrcrmmcrd 、 = 3.7411.2493402.1311033451336 2 式中， 为板边两端应力之比 12， 1 为板边最大应力， 1 、 2 各带自己的正负符号；其它符号同前。 当临界应力超过 0.75s时，按式（ ）求得折减临界复合应力cr： crtsscr,3.51 式中 s 材料的屈服点 2mmN。 表 示出局部区格板的屈曲系数。 薄板局部稳定性的验算是以屈曲临界应力为极限应力的。只要作用在板上的载荷应力（ 在非均布应力时取最大的应力值 ） 小 于极限应力（或许用应力），板是稳定的，其验算公式如下： cr11 或 ncrcr 11 cr或 ncr mcrm 或 nmcrmcr 式中 n 安全 系数，其值与强度安全系数一致，按载荷组合分别取 1.5、1.33、和 1.15； crcr 1 和 mcr 分别为正应力、剪应力和局部压应力作用下的许用屈nts曲临界应力。 当板受压应力，剪应力和局部压应力同时作用的等效复合应力按式（ ） 计算时，板的屈曲安全系数可以取得小一些，一般可以减小 百分之十 。 九，加肋板的稳定性计算： 在工程设计中，为了满足公式（ ），有 时不得不增加板厚，这常常要增加钢材用量。而在板的受压部位加上几根加劲条或加强肋则可以提高板的抗屈曲能力，而且相比之下要经济些。刚性的加强肋（加劲条）能起到支承作用，将板分割为若干区格，改变了板在计算稳定性时的宽度 b 和 a 的值。而且，区格板的屈服系数与 aba有关，屈曲临界应力与宽（ b）平方成反比。但要注意的是刚性加强肋要有足够的弯曲刚度，要能起到支承板的作用。加强肋的刚度以 EIs的乘积表示。 sI是加强肋绕被加强板板厚中心线的面积惯性矩。 加强肋的弯曲刚度和该板的弯曲刚度比称为加强肋的刚度比，常以 表示，即 bsbsbs IEEIDEI3223112112= 21.3721032.1 316.112 2 式中 b, 为板的宽度和厚度。对于刚性加强肋而言，有最小刚度比 min ，亦即当刚性加强肋使区 格板的屈曲临界应力小于（最多是等于）这块加肋整板的屈曲临界应力时，此加强肋的刚度比即为最小刚度比。这时，板的屈曲只能限于区格板内，也就是说区格板的屈曲将先于整板。当加强板刚度不够时，加肋板仍以整板屈曲模态 失稳。 此时的加强肋称为柔性加强肋。带柔性肋板的屈曲系数可按 公式计算。 在求得刚性肋的最小刚度后，即可计算刚性肋的面积惯性矩。所有刚性肋的面积nts惯性矩（sI）必须大于此值。 当桥式类型起重机主梁腹板被纵向肋分格为上，下两区格，并受有 y 方向的局部压力m时，则上区格板（图 ）的局压屈曲系数 按表 mm kk 8.0计算 ，而下区格板则按 1a 或 31 a 。此时上区格板的验算公式应为改写的式（ ），即 nImcrm 下区格板的局部验算公式则为： 0.4 nmcrm 式中， Imcr和 mcr分别为上区格板和下区格板的屈曲临界应力。 对于普通桥式起重机，由于梁的受压翼缘板属于均匀受压情况，只要合理选取板宽 B 和厚度 的比值（表 ），则勿需用纵向加劲条加固梁的受压翼缘。根据满足局部稳定性条件，图 3-11 列出了受压翼缘尺寸比例关系。对于偏轨宽翼缘桥式类型起重机，其主梁截面较宽，而翼缘板厚 相对较薄（ b-两腹板间距； 1 -上翼缘板厚度），因此受压翼缘板必须根据局部稳定性布置纵向加劲条。 当 60（ 50） 1001201 b 时（括号内数字用于低合金钢），应设置一条纵向加劲条，纵向加劲条的惯性矩： 13112.0 bI z 4cm 式中 1 -系数，按表 3-11 选用。 表 3-10 受压翼缘板的宽厚比 nts板的长边支承特性 不大于1b钢 235Q 低合金钢 一边简支，一边自由 15 12 一边嵌固，一边自由 30 25 两边简支 60 50 两边嵌固 70 60 当 )1 5 0(1 5 0)1 0 0(1 2 01 b时，应设置两条纵向加劲条，纵向加劲条的惯性矩： 423112.0 cmbI z 式中 2 系数，按表 选用； b 两腹板间距。 图 受局部压力的区格板 图 受压翼缘的尺寸比例 十，受扭构件的计算 1， 自由扭转和约束扭转的概念 起重机金属结构中的梁为非圆截面直杆，而且是开口薄 壁（工字形截面等）后闭口薄壁（箱形截面）结构。 非圆截面直杆受扭时，其横截面不再保持平面而产生翘曲现象。如果所有的截面都自由翘曲，则在截面上不会产生正应力，这称为自由扭转，这时，杆件所有截面的翘曲量相同。因此 ，在横截面内只产生与外扭转相平衡的剪力。这种情况只有当等截面直杆的两端作用大小相等而方向相反的力偶，且无任何约束时才会产生。 图 a 为工字形截面杆件两自由端受两个力偶作用而产生自由扭转，图 a 为变形后的情况，平行于杆轴的纵向直线（例如翼缘）仍保持直线，截面 ABCD 已有翘曲不再成平面，由于各截面 均能自由翘曲，且翘曲量相同，故纵向纤维长度不改变，截面上就不会产生正应力。 nts 表 系数 1 值 0.5 0.6 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.05 0.10 0.15 0.20 3.40 3.69 3.97 4.25 5.59 6.11 6.22 7.13 8.05 8.55 9.65 10.45 10.75 8.55 9.65 10.45 10.75 11.89 13.04 14.18 13.58 15.14 16.70 18.26 16.67 18.72 20.77 22.32 19.90 22.48 25.07 27.65 22.36 26.56 29.76 32.96 26.95 30.83 34.72 38.61 30.28 35.43 40.03 44.63 30.28 36.72 43.72 51.28 30.28 36.72 43.72 51.28 注： ba ，式中 a 箱形梁横向加劲板间距； b 两腹板间距。 2.01 bAz ，一般可先取 1.0 试算，式中 zA 一条纵向加劲条的面积 2cm . 表 系数 2 值 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.05 0.10 0.15 0.20 7.39 8.04 8.68 9.33 11.53 12.68 12.83 14.98 16.30 18.10 19.90 21.70 21.70 24.29 26.88 29.48 27.55 31.07 34.60 35.12 33.99 38.60 43.21 47.82 40.93 46.76 52.59 58.40 48.30 55.46 62.62 69.79 56.00 64.70 73.40 82.10 64.38 74.75 85.12 95.90 72.97 85.13 97.30 109.47 82.04 96.16 110.28 124.28 91.54 107.74 123.94 140.14 注：集中 和 的意义同前表。 nts 图 3-12 杆件的自由扭转 如果杆件受扭时截面不能自由翘曲，也即由于支座的阻碍或其它原因的 限制，这称为约束扭转。 当杆件产生约束扭转时，由于各截面的凹凸不相同，因此杆件的纵向纤维将产生拉伸活压缩变形，杆件单位长度的扭角也沿杆长变化。由于纵向纤维的轴向应变，就使得截面上不仅存在着扭转剪应力，还存在发向应力，又因为各纵向纤维的法向应力不一定相同，就导致杆件产生弯曲（图 ） ，所以约束扭转也常称为弯曲扭转。 另一方面由于杆件弯曲必将产生弯曲剪应力，这一系列情况，就使得杆件的约束扭转问题比自由扭转问题复杂得多。 如图 中的工字 梁右端刚性固定，左端自由，并作用着扭 转，于是也将产生约束扭转。工字梁的翼缘不保持直线而产生弯曲，而且这种弯曲是在其自身平面内作相反方向的弯曲。因此在翼缘上产生了正应力（如图 a ），同时由于弯曲变形，又产生了附加剪应力 （如图 b ），这种附加剪应力 只能平衡一部门外扭转，剩下的外扭转将由纯扭转剪应力 k（图 c）来达到平衡。由此可知，开口薄壁 截面受扭转时，截面上将产生三种应力，即约束扭转正应力 ，约束扭转剪应力 和纯扭转剪应力 k。由 合成内扭矩 记为 M，称为约束扭转力矩；由 k合成的内扭矩记为 hM，称为自由扭转力矩。根据 静力平衡条件得： nts 图 杆件的约束扭转 图 约束扭转的截面应力 0 dFF nh MMM 十一，开口薄板构件的扭转计算： 1， 自由扭转 开口截面薄壁 构件自由扭转时，在截面上产生的最大剪应力力按下式计算（图 ）： maxmax kkIM 式中 hM 纯扭矩 cmN ； max-计算截面中最大壁厚； 1kI-截面的扭转惯性矩，由矩形窄条组成的 截面（ T 字形，工字形。槽形）， 其扭转惯性矩 1kI，按下式计算： 1b 、 1 -矩形窄条相应的宽度和厚度（ cm） 1k -修正系数，对于各种截面的 值列出如下： nts 轧制 L 形截面 1k 1.00 轧制 T 形截面 1k 1.20 轧制 I 形截面 1k 1.20 开口截面剪应力沿截面上的分布如图 所示。 图 3-15 开口薄壁构件的自由扭转计算简图 单位长度的相对扭转角，按下式计算： 111 cmGIMkk=4.5732.64 3960=362.4 2，约束扭转 开口薄壁构件约束 扭转引起的法向应力 和剪应力 的计算比较复杂，可参看起重机设计手册。 开口薄壁构件约束扭转引起的应力很高，有时甚至超过构件受自由弯曲时的应力 ，必须予以重视。 十二， 闭口薄壁构件的扭转计算 闭口截面 由于截面外形所具有的特征，它在纯扭转时，纯扭转剪应力的分布与nts开口截面中不相同（图 ），它沿壁厚是按常量分布的，因此中间层上的剪应力并不等于零，这是闭口与开口截面的最主要区别。 闭口截面纯扭转剪力流由于在整个截面上环行封闭，因而其扭抗能力特别强，这是它的主要 优点， 因而得到广泛应用。闭口截面的纯扭转剪力流已单独平衡外扭矩，而约束扭转剪力流在截面上是自相平衡的。 闭口截面薄壁构件自由扭转时，在截面上产生的最大剪应力按下式计算： 2m i nm a x cmNM k = 71.933245288.0 102.16 式中 -截面轮廓中线所围成的面积的两倍； min -截面中最小壁厚（ cm） ; kM-作用在所计算截面的扭矩（ cmN ）。 剪应力的分布示意图 中。 闭口截面薄壁构件单位长度相对扭转角按下式计算： 122 cmGIMkh=5.32417295=2238.1 式中 dskI k222， 2k -系数，对焊接构件 12 k ：对铆接构件 3.02 k ； nts ds-对截面闭合轴线全积分。 偏轨双梁桥式 起重机和单主梁门式起重机的箱形主梁属于闭口薄壁构件受约束扭转，理论分析和计算以及实验说明，闭口截面的抗扭能力很强，其约束扭转法向应力 很低，一般只有构件受自由弯曲时的法向应力的 5% 左右，因此在实际计算时，可以取 005.0 ，在此，0为自由弯曲法向应力。 约束扭转剪应力 约为自由弯曲剪应力Q的 1020 % ，而 比自由扭转剪应力 k小得多，在实际计算时，可以忽略 而只按自由扭转计算剪应力。 十三，连接的计算 由于设计，制造，安装和运输等方面的要求，金属结构通常是用型刚（或钢板）彼此用连接件连接成独立杆件，各杆件又用连接件互相连接起来，组成各个结构物以承受外力作用。结构物的各安装，运输单元之间 也是用连接件互相连接构成整体，由此可见，连接方法及其可靠性对于金属结构的正常工作有着重要影响。金属结构的连接方法主要有焊接，螺接和铆接。 下面介绍两种常用的连接方法 -焊接和螺接。 图 闭合截面薄壁构件的扭 转计算 十四， 焊接 焊接是把连接金属局部加热成液态或胶体状态，用压力或填充金属，是金属结合成一个整体的方法。 起重机金属结构应用的焊接主要有电焊和气焊两类。电焊又可分为 电弧焊，电阻焊（用于焊钢筋，薄板等）和电渣焊（用于焊厚度和截面特大的构件），其中以电弧焊应用最广。 电弧焊是借电弧产生的高温（ -3600 度）来熔化焊件与焊条进行焊接的。电弧焊是金属结构焊接的主要方法，它又可以分为手工焊，埋弧自动焊气体保护焊三种。埋弧自动焊质量较高，生产率比手工焊大 10-40 倍，所以自动焊在工业中得到nts广泛应用。而手工 焊 因设备简单，工作方便，不受结构型式限制（如桁架结构不能用自动焊），所以在焊接中，手工焊仍占重要地位。气体保护焊是一种提高焊接质量的新工艺，即利用氩气或 2co 作为电弧区保护介质的电弧焊。 气焊也叫氧炔焊，它是利用氧和乙炔气体燃烧发热来熔化焊件与焊条进行焊接，通常多用来切割 金属或焊接薄板。 焊接本身也存在着不少缺点。如焊缝质量检查方法较费事，焊接需要
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