10030T四梁桥式铸造起重机结构设计_本科毕业设计(论文).doc

太原科技大学本科毕业设计（论文）100/30T 通用桥式起重机结构设计 10030T General bridge crane machine design学 院（系）： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化完 成 日 期： 2013 年6月10号 太原科技大学Taiyuan University of Science and Technology100/30T 通用桥式起重机结构设计摘要 用估计的桥式起重机各结构尺寸数据对起重机的强度、疲劳强度、稳定性、刚度进行粗略的校核计算，待以上因素都达到材料的许用要求后，画出桥架结构图。然后计算出主梁和端梁的自重载荷，再用此载荷进行桥架强度和刚度的精确校核计算。若未通过，再重复上述步骤，直到通过。由于桥架的初校是在草稿中列出，在设计说明书中不予记录，仅记载桥架的精校过程。设计中参考了各种资料, 运用各种途径, 努力利用各种条件来完成此次设计. 本设计通过反复斟酌各种设计方案, 认真讨论, 不断反复校核, 力求设计合本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对桥式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先理;通过采取计算机辅助设计方法以及参考前人的先进经验, 力求有所创新;通过计算机辅助设计方法, 绘图和设计计算都充分发挥计算机的强大辅助功能, 力求设计高效。 关键词: 通用桥式起重机; 校核; 许用应力10030T General bridge crane machine designAbstractFirst with the estimated size of crane structure data of the crane strength, fatigue strength, stability, rigidity for rough checking calculation, these factors have to be allowable material requirements, draw bridge diagram . Then calculate the main beam and side beams weight load, and then this load for bridge strength and stiffness of accurate checking calculation. If not passed, repeat the above steps, until the adoption. As the bridge of the primary sources listed in the draft, not in the design of manual record, record only the essence of the school bridge process. Design a variety of reference materials, using various means, to use a variety of conditions to complete the design of the appropriate design of a variety of designs through repeated, serious discussion, constantly re-checking, and strive to design and reasonable; through the adoption of computer-aided design and reference previous advanced experience, and strive to be innovative; by computer-aided design, drawing and design calculations are a powerful full computer accessibility, and strive to design efficient.Keywords:Bridge crane ; verification; allowable stress 目 录第一章 总体设计方案.11.1 基本参数11.2 总体结构尺寸11.3 材料的选择及许用应力11.4 各部件尺寸和截面性质.2 1.4.1 主梁尺寸.2 1.4.2 端梁尺寸.3 1.4.3 主梁截面性质.4 1.4.4 端梁截面性质.5第二章 桥架分析.62.1 载荷组合的确定.62.2 主梁载荷计算.6 2.2.1 主梁自重.6 2.2.2 主小车布置.7 2.2.3 惯性载荷.7 2.2.4 偏斜运行侧向力.7 2.2.5 扭转载荷.9第3章 主梁计算.93.1 内力分析.93.1.1 垂直载荷.93.1.2 水平载荷.123.2 强度校核.17 3.3 疲劳强度校核.20 3.4 稳定性校核.23第四章 端梁计算.304.1 垂直载荷.304.2 水平载荷.314.3 强度校核.33 4.4 疲劳强度校核.35 4.5 稳定性校核.38 4.6 端梁的拼接.39第五章 刚度计算.44 5.1 桥架的垂直静刚度.45 5.2 桥架的水平惯性位移.45 5.3 垂直动刚度.45 5.4 水平动刚度.46第六章 桥架拱度.47第七章 结论与展望.49参考文献.50致 谢.51外文翻译.52- V -100/30T 通用桥式起重机结构设计 第一章 总体设计方案1.1 基本参数起重量：Q=100/30t；跨度：L=31.5m； 起重机重量：180t工作级别: A6； 起升高度(主/副):H=20/22m起升速度(主/副):5.02/9.34m/min； 运行速度(主/副):36.1/78.5m/min轮距:6.0mm； 轨距(主/副):2.0m小车轮压:50460kg； 大车轮压:56000kg；1.2 总体结构及尺寸根据已知参数,此桥式冶金铸造起重机采用四粱框架结构比较合理，如图1.1所示 图1.11.3 材料的选择及许用应力 根据总体结构,铸造起重机工作级别为A6，工作环境温度较高，起重量大，频繁起吊，设计计算时疲劳强度为其首要条件，选用对应力集中不敏感的Q235-A，考虑起重量较大，主梁采用偏轨箱型梁。 材料许用应力及性能常数见表1.1、表1.2 板厚 正应力 剪应力 mm 16370152.0167.9184.487.7696.94106.5 16370158.8175.4192.691.7101.3111.2表1.1 材料的许用应力表 表1.2 材料的性能常数表弹性模量剪切弹性模量比重206107.94 78501.4 各部件尺寸及截面性质 1.4.1 主梁尺寸初选高度=18532250mm考虑大车运行机构安装在主梁内，故将主梁取为大截面薄钢板的形式，以达到节省材料、重量轻的要求，取腹板高度。上、下翼缘板厚度取腹板厚度主梁总高度：主梁宽度：腹板外侧间距离取上下翼缘板外伸长部分不相同，分别为主梁尺寸如图1.2所示 图1.2 1.4.2 端梁尺寸大车轴距：根据小车轨距和偏轨箱形梁宽度以及大车运行机构的设置，取， 端梁全长8m 高度取考虑大车轮安装,端梁内宽总宽翼缘板厚，腹板厚8mm端梁尺寸如图1.3所示 图1.3 1.4.3 主梁截面性质 如图所示1.4 图1.4 主梁主截面形心：惯性矩计算： 1.4.4 端梁截面性质如图1.5所示 图1.5端梁:截面面积:形心： 惯性矩计算： 第二章 桥架分析2.1 载荷组合的确定 1起升冲击系数：，对桥式铸造起重机 2 起升动载系数：3 运行冲击系数： 其中，为大车运行速度 =78.5，为轨道街头处两轨面得高度差 ，根据工作级别，动载荷用载荷组合 进行计算，应用运行冲击系数。4.确定载荷组合根据此起重机的工作情况,动载荷适宜用组合II进行计算,应用运行冲击系数;但是由于原始参数只给了轮压而没有给小车的自重,所以小车自重无法确定，且小车各部分重量的偏心距也是未知量，为了安全起见选用、中最大者来计算动载荷。由以上计算知最大，按组合考虑由代替计算小车自重的动载荷，可不计算偏斜侧向力，这样计算偏安全。2.2 主梁载荷计算 2.2.1 主梁自重查表得主小车轮压55000kg，选用车轮材料2G35GrMnSi,车轮直径，轨道型号QU120，许用值38700kg，由轨道型号QU120查得轨道理论重量.主小车轨道重量：栏杆等重量:主梁的均布载荷： 2.2.2 小车轮压小车布置：两侧起升机构对称布置，重心位于对称中心吊具重量：起升载荷：小车重量：因小车吨位较大，采用台车形式八个车轮，课实际主小车满载时的静轮压为：空载小车轮压：一根主梁上 2.2.3 惯性载荷一根主梁上小车惯性力：小车上主动轮占一半，按主动车轮打滑条件确定主小车的惯性力：大车运行起，制动惯性力为 2.2.4 偏斜运行侧向力一根主梁的重量为：一根端梁单位长度的重量为：一组大车运行机构的重量（两组对称配置）为司机室及设备的重量（按合力计）为主梁侧假象端梁重：(1) 满载小车在主梁跨中左侧端梁总静轮压按下图2.1计算 图2.1由查3-9图得侧向力为：（2） 满载小车在主梁左端极限位置左侧端梁总静轮压为：侧向力为 2.2.5 扭转载荷 偏轨箱形梁由的偏心作用而产生移动扭矩，其他载荷，产生的扭矩较小且作用方向相反，故不计算。 偏轨箱形梁弯心A在梁截面的对称形心轴上（不考虑翼缘外伸部分），示图5，弯心至腹板中线的距离为：查表可知轨高移动扭矩为： 第三章 主梁计算3.1 内力 3.1.1 垂直载荷计算大车传动侧的主梁.在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算，如图3.1所示. 图 3.1（1） 固定载荷作用下主梁跨中的弯距为： 跨端剪切力为 （2）移动载荷作用下主梁的内力 轮压合力与左轮的距离为.满载小车在跨中跨中E点弯矩为：则跨中点剪切力为：跨中扭矩为：.满载小车在跨端极限位置（）.小车左轮距梁端距离为：跨端剪切力为：跨端内扭矩为：主梁跨中总弯距为主梁跨端总剪切力（支承力）为 3.1.2 水平载荷（1） 水平惯性载荷. 在水平载荷及作用下，桥架按钢架计算，因偏轨箱形梁与端梁连接面较宽，应取两主梁轴线间距代替原小车轨距构成新的水平钢架，这样比较符合实际，于是水平钢架计算模型如图3.2所示 图3.2小车在跨中.钢架的计算系数为： 跨中水平弯距：跨中水平剪切力为：跨中轴力为：小车在跨端.跨端水平剪切力为（2） 偏斜侧向力. 在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平钢架分析，如图3.3所示 图3.3这时，计算系数为小车在跨中.侧向力为：超前力为：端梁中点的轴力为：端梁中点的水平剪切力为：主梁跨中的水平弯距为：主梁轴力为主梁跨中总的水平弯距为小车在跨端.测向力为：超前力为：端梁中点的轴力为：端梁中点的水平剪切力为：主梁跨端的水平弯距为：主梁跨端的水平剪切力为：主梁跨端总的水平剪切力为：小车在跨端时，主梁跨中水平弯距与惯性载荷下的水平弯距组合值较小，不需计算。3.2 强度 需要计算主梁跨中截面危险点1、2、3的强度，如图3.4所示 图3.4（1）主腹板上边缘点1的应力为主腹板边至轨顶距离为：主腹板边的局部压应力为：垂直弯距产生的应力为：水平弯距产生的应力为：惯性载荷与侧向力对主梁产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，故不计算.主梁上翼缘的静距为：主腹板上边的切应力为：点1的折算应力为：（2）点2的应力为：（3）点3的应力为（4）主梁跨端的切应力主梁跨端截面变小，为便于主端梁链接，取腹板高度等于端梁高度，跨端只需计算切应力.1） 主腹板.承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为：主梁跨端封闭截面面积为代入上式副腹板中两切应力反向，可不计算.2） 翼缘板.承受水平剪切力及扭矩.主梁翼缘焊缝厚度取，采用自动焊，不用计算.3.3 疲劳强度校核 桥架工作级别为6，应按载荷组合计算主梁跨中的最大弯矩截面（）的疲劳强度.由于水平惯性载荷产生的应力很小，为了计算简明而忽略惯性应力.求截面的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中（轮压在点上），则空载小车位于右侧跨端时，如图3.5所示 图3.5左端支反力为：（1） 验算主腹板受拉翼缘焊缝的疲劳强度，如图3.6所示 图3.6 应力循环特性根据工作级别A6，应力集中等级及材料，查得,.焊缝拉伸疲劳许用应力为：（2）验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处的疲劳强度显然，相同工况下应力循环特性是一致的.根据及横隔板采用双面连续贴角焊缝连接，板底与受拉翼缘间隙为,应力集中等级为，查得 .拉伸疲劳许用应力为由于切应力很小，忽略不计.3.4 稳定性校核（1）整体稳定性主梁高宽比：（2）局部稳定性翼缘板（稳定）翼缘板最大外伸部分： （稳定）主腹板：副腹板：故主腹板需设置横向加劲肋，间距mm，取.副腹板除设横向加劲肋，还需设置一条纵向加劲肋。纵向加劲肋宜设在腹板受压边处，取450mm如图3.7所示 图3.7 1）验算跨中主腹板上区格的稳定性，区格两边正应力为（属不均匀压缩板） 区格的欧拉应力为区格分别受 、和作用时的临界压应力为板边弹性嵌固系数屈曲系数则 需修正，则当区格受腹板边局部压应力时，压力分布长：，按计算.，区格属双边局部压缩板，板的屈曲系数为需修正，则区格平均切应力为板的屈曲系数为需修正，则区格上边缘的复合应力为区格的临界复合应力为2 区格的临界复合应力为 ，所以，区格的局部稳定性合格。3） 加劲肋的确定.横隔板厚度 ，板中开孔尺寸为.主、副板采用相同的加劲肋， ，纵向加劲肋对主腹板厚度中线的惯性矩为：综上所述，选择的加劲肋合格。 第四章 端梁的计算端梁计算工况取满载小车位于主梁跨端，大、小车同时运行起、制动及桥架偏斜4.1垂直载荷端梁按修改的钢架尺寸计算，=6m, a=1.3m, b=1.7 m, K=2b=3.4m, B=8.0 m, =0.5 m, =0.2 m, 主梁轴线与主腹板中线距离=0.3m主梁最大支承力=1532359N因作用点的变动引起的附加力矩为:端梁自重载荷为:端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图4.1，端梁支反力为图4.1 垂直载荷下端梁的计算截面1-1弯矩剪力 =0截面2-2弯矩: 剪力:截面3-3弯矩 =0剪力 截面4-4（沿着竖直定位板表面）剪力:4.2 水平载荷端梁的水平载荷有、等，亦按简支梁计算，如图所示4.2 图 4.2截面1-1因作用点外移引起的附加水平力矩为：弯矩：钢架水平支反力：剪切力:轴力:=1669984N截面 2-2在、水平力作用下，端梁的水平支反力为:=+=82207.5+149152+72103.5 =303463N水平剪切力=303463N弯矩为:截面3-3水平剪切力：其他内力小，不计算.4.3 强度校核截面1-1的应力计算需待端梁拼接设计合格后方可进行（按净截面计），如图4.3所示. 图4.3截面 2-2截面角点：腹板边缘：翼缘板对中轴的静矩为：折算应力为：截面3-3及4-4端梁支承处两个截面很近，只计算受力稍大的4-4端梁支承处为安装大车轮角轴承箱座而切成缺口并焊上两块弯板（14 mm130 mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8 mm,支承处高度400 mm，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板（16 mm90 mm460 mm）,弯板参与端梁承载工作，支承处截面（3-3及4-4）如图所示4.4图4.4 端梁支承处截面形心= = =194.9 mm=205.1mm惯性矩为：中轴以上截面静矩 S=981965 mm3上翼缘板静矩 =702512 mm3下翼缘板静矩 =721084 mm3截面4-4腹板中轴处的切应力为= =93.4MPa0可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据A6和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=122MPa翼缘板拉伸疲劳需用应力为= =217.1MPa若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些腹板应力较小，不再计算 4.5 稳定性校核 整体稳定性：（稳定）局部稳定：翼缘板 ： （稳定）腹板 ：故只需对着主梁腹板位置设置四块横隔板，=8mm 4.6 端梁的拼接 端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板8 mm440 mm460 mm及8 mm370 mm460 mm腹板用单面拼接板8 mm460 mm960 mm,精制螺栓选用M20 mm,拼接构造及螺栓布置如图4.5所示 图4.5（1）内力及分配满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为=1475452.1N.m，剪力 =0=93734.55N.m，=111160.5N=1669984N端梁的截面惯性矩为：腹板对x和y轴的总惯性矩为：翼缘对x和y轴的总惯性矩为：弯板分配： 腹板 =330071.8N.m翼缘 =389424.7 N.m： 腹板 = =5297.8N.m翼缘 = =8704.8N.m水平剪切力分配剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为= =55580.25N轴力分配轴力按截面积分配一块翼缘板受轴力=6036.45N一块腹板受轴力=12912.75N=7872 mm2=3680 mm2A=23104 mm2（2）翼缘拼接由产生的翼缘轴力为=392565.2 N一块翼缘板总的轴力为=+=398601.7 N拼接缝一边翼缘板上有8个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为= =49825.2 N由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为=1986.65 N.m拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为= =3，可按窄式连接计算=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2翼缘板角点螺栓的最大内应力为= = =2980 N角点螺栓顺梁轴的内力和为=+ =2980+49825.2 =52805.2 N水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为=2980 N角点螺栓的合成内力为= = =52884.2 N选精制螺栓M20 mm，孔21mm, =8mm一个螺栓的许用承载力为剪切= = =96981 N承压 = =2181.8 =52920 N3，属窄式连接 =840 mm, =1102+3302+5502+7002=2016000 mm2腹板角点螺栓的最大内力为= =42716.6 N腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为=+ =4702+42716.6 =47418.6 N单剪螺栓的许用承载力=10.8175 =48490.6 N1.05=50915 N （仍属合格）净截面1-1的因拼接处螺栓孔减少了截面惯性矩，需用净截面验算强度同一截面中各板的螺栓孔对x和y轴的惯性矩为= =2188（500-4）2+4（602+1802+3002+4202） =5.3386108 mm4= =1.07805108 mm4端梁拼接处净截面惯性矩为=- =2.763109-5.3396108 =2.2291109 mm4=- =6.899108-1.07805108 =5.821108 mm4全部板材的螺栓孔截面积为=218=4032 mm2拼接处净截面积为=A- =23104-4032 =19072 mm2端梁拼接处强度为= =146.45 MPa （合格）显然，垂直载荷产生的应力是主要的。端梁计算中，载荷齐全，个别取值偏大，如小车运行惯性力仅由一侧端梁承受等，实际上要比计算结果小些。 第五章 刚度计算5.1 桥架的垂直静刚度 满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为：5.2 桥架的水平惯性位移 5.3 垂直动刚度 起重机垂直动刚度以满载小车位于桥架跨中的垂直自振频率来表征，计算如下：主梁质量：全桥架中点换算质量为：起升质量=+=100000+50000=105000kg起升载荷:=(+)g=1030050N起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为=22+2-2=22m桥架跨中静位移为:查表选用倍率：m=6, ,由钢丝绳静拉力：，选用6w(19)+77型，钢丝绳起升钢丝绳滑轮组的静伸长为：结构质量影响系数为= 桥式起重机的垂直自振频率为：= （合格） 5.4 水平动刚度 起重机水平动刚度以物品高度悬挂，满载小车位于桥架跨中的水平自振频率来表征。半桥架中点的换算质量为：半钢架跨中在单位水平力作用下产生的水平位移为：桥式起重机的水平自振频率为= （合格） 第六章 桥架拱度 桥架跨度中央的标准拱度值为:考虑制造因素，实取，跨度中央两边按抛物曲线设置拱度，如图6.1所示：距跨中的点距跨中的点距跨中的点 图6.1 桥架的拱度至此，桥架结构设计全部合格。第八章 结论与展望 通过近三个月的毕业设计，我在许多方面都有了很大的提高，了解到了很多方面知识。首先，此次毕业设计次设计是我们大学四年来进行的最综合、最大型、最全面且用时最长的一次设计，它几乎汇聚了我们大学期间所学科目的所有知识点，是把大学四年来的理论知识复习、总结并应用于实践当中，是对大学所学课的一次大总结，让我们对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，进而使所学知识得到巩固与提高。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。通过做本次设计，我得出如下结论：现在工厂里多用双梁桥式起重机，因此我们所能接触到的关于此类设计方面的资料较多，而本次设计的通用桥式起重机，其设计过程则主要是先估算各截面的尺寸，然后再对其进行强度、刚度、稳定性以及疲劳强度的验算，通过反复修改，直至满足为止，但是，通过本次设计我对此类起重机设计时各梁截面尺寸的选取有了一个大的范围，希望对大家以后的设计能有所帮助。除此之外，对于偏轨箱形梁来说，主腹板与上翼缘板连接处的应力是比较复杂的，在一些大型企业中为了避免此处的应力验算采用进口的T型钢，但是对于大多数企业来说只能用增加主腹板板厚来解决这一问题，但同时带来了自重大，应力集中等问题。鉴于此，此次设计中采用了对主腹板加厚的方法，这样既可解决上述问题，又无需进口T型钢，而且工艺上也同使用T型钢类似，从而节约了成本，适合一般企业使用。通过此次设计，我不但有了很大的收获，丰富了自己的理论知识，提高了实践的能力，为今后在工作岗位中从事设计行业打下了坚实的基础，更让我深刻感觉到相互协作的团体精神和老师指导的重要性。由于我的经验比较缺乏，理论知识不够全面和深入，设计中还存在许多的缺点和不足，希望能够得到各位老师的批评和指正,为以后的工作积累经验。 参考文献1 起重机设计手册编写组编.起重机设计手册S .北京：机械工业出版社，1980. 2 陈道南，盛汉中主编.起重机课程设计M .北京：冶金工业出版社，1993.3 徐格宁主编.机械装备金属结构设计M .太原科技大学内部资料，20084 严大考，郑兰霞主编.起重机械M .郑州：郑州大学出版社，20035 起重机械M . 太原科技大学内部资料，20086 倪庆兴，王殿臣主编.起重输送机械图册（上册）M . 北京：机械工业出版社，19927 李廉锟主编.结构力学（上册）M 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起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。 起重机运行机构的驱动方式可分为