金属结构设计

金属结构金属结构 课程设计说明书课程设计说明书 专业 起重运输机械设计与制专业 起重运输机械设计与制 造造 班级 班级 姓名 姓名 学号 学号 指导教师 安林超指导教师 安林超 日期 日期 2012 年年 10 月月 第一章 绪 论 桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机 又称天车 桥 式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行 起重小车沿铺设在桥架 上的轨道横向运行 构成一矩形的工作范围 就可以充分利用桥架下面的空间 吊运物料 不受地面设备的阻碍 桥式起重机广泛地应用在室内外仓库 厂房 码头和露天贮料场等处 桥 式起重机可分为普通桥式起重机 简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三 种 普通桥式起重机一般由起重小车 桥架运行机构 桥架金属结构组成 起 重小车又由起升机构 小车运行机构和小车架三部分组成 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两大类 一类为集中驱动 即用一台电 动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮 另一类为分别驱动 即两边的主动车 轮各用一台电动机驱动 中 小型桥式起重机较多采用制动器 减速器和电动 机组合成一体的 三合一 驱动方式 大起重量的普通桥式起重机为便于安装 和调整 驱动装置常采用万向联轴器 起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮 如果起重量很大 常用增 加车轮的办法来降低轮压 当车轮超过四个时 必须采用铰接均衡车架装置 使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上 桥架的金属结构由主梁和端梁组成 分为单主梁桥架和双梁桥架两类 单 主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成 双梁桥架由两根主梁和端梁 组成 主梁与端梁刚性连接 端梁两端装有车轮 用以支承桥架在高架上运行 主梁上焊有轨道 供起重小车运行 桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱 形结构 四桁架结构和空腹桁架结构 箱形结构又可分为正轨箱形双梁 偏轨箱形双梁 偏轨箱形单主梁等几种 正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式 主梁由上 下翼缘板和两侧的垂直 腹板组成 小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上 它的结构简单 制造方便 适于成批生产 但自重较大 偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上 下翼缘板和不等厚的主 副腹板组成 小车钢轨布置在主腹板上方 箱体内的短加劲板可以省去 其中 偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁 自重较小 但制造较 复杂 四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构 在上水平桁架表面 一般铺有走台板 自重轻 刚度大 但与其它结构相比 外形尺寸大 制造较 复杂 疲劳强度较低 已较少生产 空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁 由四片钢板组成一封闭结构 除主腹板 为实腹工字形梁外 其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口 形成一个 无斜杆的空腹桁架 在上 下水平桁架表面铺有走台板 起重机运行机构及电 气设备装在桥架内部 自重较轻 整体刚度大 这在中国是较为广泛采用的一种型式 桥式起重机分类 1 普通桥式起重机主要采用电力驱动 一般是在司机室内操纵 也有远距 离控制的 起重量可达五百吨 跨度可达 60 米 2 简易梁桥式起重机又称梁式起重机 其结构组成与普通桥式起重机类似 起重量 跨度和工作速度均较小 桥架主梁是由工字钢或其它型钢和板钢组成 的简单截面梁 用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车 小车一般 在工字梁的下翼缘上运行 桥架可以沿高架上面的轨道运行 也可沿悬吊在高 架下面的轨道运行 这种起重机称为悬挂梁式起重机 3 冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作 其基本 结构与普通桥式起重机相似 但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置 这种起重机的工作特点是使用频繁 条件恶劣 工作级别较高 主要有五种类 型 4 铸造起重机 供吊运铁水注入混铁炉 炼钢炉和吊运钢水注入连续铸锭 设备或钢锭模等用 主小车吊运盛桶 副小车进行翻转盛桶等辅助工作 5 夹钳起重机 利用夹钳将高温钢锭垂直地吊运到深坑均热炉中 或把它 取出放到运锭车上 6 脱锭起重机 用以把钢锭从钢锭模中强制脱出 小车上有专门的脱锭装 置 脱锭方式根据锭模的形状而定 有的脱锭起重机用项杆压住钢锭 用大钳 提起锭模 有的用大钳压住锭模 用小钳提起钢锭 7 加料起重机 用以将炉料加到平炉中 主小车的立柱下端装有挑杆 用 以挑动料箱并将它送入炉内 主柱可绕垂直轴回转 挑杆可上下摆动和回转 副小车用于修炉等辅助作业 8 锻造起重机 用以与水压机配合锻造大型工件 主小车吊钩上悬挂特殊 翻料器 用以支持和翻转工件 副小车用来抬起工件 在设计过程中 结合起重机的实际工作条件 注意了以下几方面的要求 整台起重机与厂方建筑物的配合 以及小车与桥架的配合要恰当 小车与桥架 的相互配合 主要在于 小车轨距 车轮中心线间的水平距离 和桥架上的小 车轨距应相同 其次 在于小车的缓冲器与桥架上的挡铁位置要配合好 小车 的撞尺和桥架上的行程限位装置要配合好 小车的平面布置愈紧凑小车愈能跑 到靠近桥架的两端 起重机工作范围也就愈大 小车的高度小 相应的可使起 重机的高度减小 从而降低了厂房建筑物的高度 小车上机构的布置及同一机构中各零件间的配合要求适当 起升机构和小 车平面的布置要合理 二者之间的距离不应太小 否则维修不便 或造成小车 架难以设计 但也不应太大 否则小车就不紧凑 小车车轮的轮压分布要求均匀 如能满足这个要求 则可以获得最小的车 轮 轮轴及轴承箱的尺寸 并且使起重机桥架主梁上受到均匀的载荷 一般最 大轮压不应该超过平均轮压得20 小车架上的机构与小车架配合要适当 为使小车上的起升 运行机构与小 车架配合得好 要求二者之间的配合尺寸相符 连接零件选择适当和安装方便 在设计原则上 要以机构为主 尽量用小车架去配合机构 同时机构的布置也 要尽量使钢结构的设计制造和运行机构的要求设计 但在不影响机构的工作的 条件下 机构的布置也应配合小车架的设计 使其构造简单 合理和便于制造 尽量选用标准零部件 以提高设计与制造的工作效率 降低生产成本 小车各 部分的设计应考虑制造 安装和维护检修的方便 尽量保证各部件拆下修理时 而不需要移动邻近的部件 总之 要兼顾各个方面的相互关系 做到个部分之 间的配合良好 本次设计为 8t 电动双梁桥式起重机设计 我在参观 实习和借鉴各种文献资料的基础 上 同时在老师的精心指导下及本组成员的共同努力下完成的 第二章 桥式起重机金属结构设计参数 起重量 8t 跨度 S 13 5 m 工作级别 A5 起升高度 8 m 小车轮距 1 4 m CB 小车轨距 b 1 8m 起升速度 8m min 小车运行速度 40 m min 小车工作级别 M 5 大车运行速度 90 m min 第三章 主要尺寸的确定 1 大车轮距的确定 K L 13 5 1 692 7m 取 k 4m 11 85 11 85 2 主梁的高度 H 0 75m 理论值 1 18 L 13 5 18 3 端梁的高度 0 40 6 H 0 30 45m 取 0 4m0H 0H 4 桥架端部梯形高度 C m 取 c 2m 1111 13 51 35 2 7 105105 L 5 主梁腹板高度 根据主梁计算高度 H 0 75m 最后选定腹板高度 h 0 7m 6 确定主梁截面尺寸 m 取 c 2m 1111 13 51 35 2 7 105105 L 根据主梁计算高度 H 0 75m 最后选定腹板高度 h 0 7m 主梁中间截面各构件板厚根据表 4 1 推荐确定如下 腹板厚上下盖板厚6 mm 18 mm 主梁两腹板内壁间距根据下面的关系是来决定 750 214 3 53 5 13500 270 5050 H bmm L bmm 因此取 b 350mm 盖板宽度 B b 2 40 350 2C6 40 402mm 取 B 400mm 主梁的实际高度 H h 2 700 2C6 716mm1 同理 主梁支撑截面的腹板高度取 400mm 这时支撑截面的实际高度 20h0H 400 2C8 416mm 1 主梁中间截面和支撑截面的尺寸简图分别示于图 4 21 和图 4 22 7 加劲板的布置尺寸 为了保持主梁截面中受压构件的局部稳定性 需要设置一些加劲构件 参见图 4 7 主梁端部大加劲板的间距 h 0 7m 取 0 7mm a a 主梁端部 梯形部分 小加劲板的间距 1a 0 35 2 a m 主梁中部 矩形部分 大加劲板的间距 1 52 h 1 051 4m 取 1 4ma a 主梁中部小加劲板的间距 若小车钢轨采用轻轨 其对水平中心轴线 x x 的15P 最小抗弯截面模数 47 7 根据连续梁由钢轨的抗弯强度条件求得加劲minW 3 cm 板间距 此时连续梁的支点即加劲板所在位置 使一个车轮轮压作用在两加劲 板间距的中央 1a min 2 66 47 7 17000 1 41 40008000 1 15 4 W m p 式中 小车的轮压 取平均值 并设小车自重为 4000N P xcG 动力系数 由图 2 2 曲线查得 1 15 2 2 钢轨的许用应力 170MPa 因此 根据布置方便 取 0 7m1a 2 a 由于腹板的高厚比 h 700 6 117 160 所以不要水平加劲杆来保证腹板局 部稳定性 第四章 主梁的计算 1 计算载荷的确定 查图 4 11 曲线得半个桥架 不包括端梁 的自重 Gq 2 32000N 则主梁由于 桥架自重引起的均布载荷 23 7N cmlq q 2 G L 32000 1350 查表 4 3 得主梁由于集中驱动大车运行机构的长传动轴系引起的均布载荷 6 57N cm 取 6 7N cm yq 由表 4 3 查得运行机构中央驱动部件重量引起的集中载荷为 7300NdG 主梁的总均布载荷 32 7 6 7 30 4N cm qlqyq 主梁的总计算均布载荷 N cm 41 1 30 433 44qq 式中 1 1 冲击系数 由公式 2 5 得 4 作用在一根主梁上的小车两个车轮的轮压值可根据表 4 4 所列数据选用 32000 290001P2P 考虑动力系数的小车车轮的计算轮压值为 2 1 15 32000 36800N1P2 1P 1 15 29000 33350N1P2 2P 式中 1 15 动力系数 由图 2 2 中曲线查得 2 2 主梁垂直最大弯矩 由公式 4 12 计算主梁垂直最大弯矩 440 0 2 12 40 0 max 12 2 4 2 xcd G P LBqLGG l PP LL MG l PPq L 设敞开司机室的重量为 1000N 其重心距支点的距离为 280cm0l 将各已知数值代入上式公式计算可得 max G P M 2 6 1350 14033 4 1350 1 1 73001 1 10000 280 36800 33350 135021350 368003335033 44 4 13502 1 1 10000 28033 10 N cm 3 主梁水平最大弯矩 由公式 7 18 计算主梁水平最大弯矩 max max 0 8 GP g a MM g 式中 g 重力加速度 g 9 81m 2 s 大车起动 制动加速度平均值 68s q q v a t qt 则 2 75 0 150 2 60 68 am s 不计冲击系数和动载系数时主梁垂直最大弯矩 由下式算得 max GP M max GP M 0 0 2 12 0 0 12 2 4 2 xcdLBq LGG l PP LL G l PPq L 2 1350 14030 4 1350730010000 280 3200029000 135021350 10000 280 320002900030 4 4 13502 29 38 因此得主梁水平最大弯矩 65 max 0 150 2 0 8 29 38 10 3 594 97 10 9 81 gMN cm 取 maxgM 5 4 10 N cm 4 主梁的强度验算 主梁中间截面的最大弯曲应力根据公式 7 19 计算 max max Gp G P g g xy MM WW 式中 主梁中间截面对水平中心轴线 x x 的抗弯截面模数 其近似值 xWmaxmax 120678 773 23 33280 2 0 6 MPa 主梁中间截面对垂直中心轴线 y y 的抗弯截面模数 其近似值 yW yW 1 3 40 0 8 70 0 6 351845 33 h Bbcm 因此可得 65 33 104 10 104 32201845 MPa 由表 2 19 查得 Q235 钢的许用应力为 1 33220 1 33165 4sMPa 故 主梁支撑截面的最大剪应力根据公式 7 20 计算 max max 2 G P xo QS I 式中 主梁支撑截面所受的最大剪力 由公式 7 13 计算 max G P Q 40 1240 max 2 1350 14033 44 1350 1 1 73001350280 36800333501 1 10000120678 135021350 xcd G P LBqLGLl QppG LL N 主梁支撑截面对水平重心轴线 x x 的惯性矩 其近 334 1 1 1 64 48X P L f EI 似值 000 10 4 232 40 0 641 6 40 0 8 4033280 32 xoxo HhH IWBh cm S 主梁支撑截面半面积对水平重心轴线 x x 的静距 其近似值 001 1 3 2 2422 40 0 640400 8 240 0 8 773 2422 hh sB cm 因此可得 max 120678 773 23 33280 2 0 6 MPa 由表 2 24 查得钢的许用剪应力为 3A 95 6 3 MPa 故 max 由上面的计算可知 强度足够 5 主梁的垂直刚度验算 主梁在满载小车轮压作用下 在跨中所产生的最大垂直挠度 可按照公式 7 23 进行计算 式中 2 1 5 29000 0 906 32000 140 0 1 1350 71 6 32201 2 10 22 xc xx p p B L H IW 因此可得 324 65 32000 1350 1 0 906 1 6 0 14 0 1 1 09 48 23 101 2 10 fcm 允许的挠度值由公式 7 22 得 1 93 700 L fcm 因此 ff 6 主梁的水平刚度验算 主梁在大车运行机构起 制动惯性载荷作用下 产生的水平最大挠度可按公式 7 25 计算 略去第三项 简化成简支梁 4 40 184536900 4 22 yy B IWcm 式中 作用在主梁上的集中惯性载荷gp 12 0 010 02 60 0 010 02 3200029000 7931586 80 gpv pp N 作用在主梁上的均布惯性载荷gq 80 0 010 02 0 010 02 30 40 40 79 60 gqvqN cm 4 40 184536900 22 yy B IWcm 由此可得 34 66 1586 13500 79 1350 0 104 48 23 1036900384 23 1036900 gfcm 水平挠度的许用值 0 675 2000 g L fcm 因此 由上面计算可知 主梁的垂直和水平刚度均满足要求 当起重机工作无特殊要求时 可以不必进行主梁的动刚度验算 主梁的局部稳定性验算从略 第五章第五章 端梁的计算端梁的计算 1 计算载荷的确定 设两根主梁对端梁的作用力相等 则端梁的最大支反力由公式 4 max G P Q 30 计算 参见图 4 17 2 max 2 G P xc A QLa R K 式中 大车轮距 200cm KK 小车轨距 xcL180 xcLcm 传动侧车轮轴线至主梁中心线的距离 取 70cm 2a2a 因此可得 N 120678 1802 70 193085 200 AR 2 端梁垂直最大弯矩 端梁在主梁支反力作用下产生的垂直最大弯矩由公式 4 27 计算 max G P Q 6 max 1193085 509 65 10 zAMR aN cm 式中 导电侧车轮轴线至主梁水平中心线的距离 50cm 1a1a 3 端梁水平最大弯矩 端梁因车轮在侧向载荷作用下而产生的最大水平弯矩由公式 4 27 计算 1 max P Ms a 式中 S 车轮侧向载荷 由公式 2 6 计算 S P 侧压系数 由图 2 3 查得 0 08 P 车轮轮压 即端梁的支反力 P AR 因此 1 max 0 08 193085 50772340 A P MR aN cm 端梁因小车在起 制动惯性载荷作用下而产生的最大水平弯矩由公式 4 32 计算 2 1 max 2 xgxc P PLa Ma K 式中 小车惯性载荷 由公式 7 8 计算 xgP 132000 4571 77 xg p PN 因此 max 4571 1802 70 50365680 200 p Mcm 比较和两值可知 应取其中较大值进行强度计算 maxP M maxp M 4 端梁截面尺寸的确定 端梁长 L 14mm 根据表 4 2 推荐 选定端梁各构件的板厚如下 上盖板18mm 中部下盖板18mm 头部下盖板212mm 腹板6mm 按照查得车轮组的尺寸 确定端梁盖板宽度和腹板高度时 首先 4 400 应配置好支撑车轮的截面 图 4 23a 其次再决定端梁中间截面尺寸 图 4 23b 如图 7 23 配置的结果 车轮轮缘距上盖板底面 32mm 车轮两侧面距支撑处 两下盖板内边为 10mm 因此车轮与端梁不致磨损 同时腹板中线正好通过车轮轴 承箱的中心平面 最后 要检端梁中部下盖板与轨道面的距离 如图 4 23b 所示此距离为 60mm 合适 6 端梁的强度验算 端梁中间截面对水平重心线 x x 的截面模数 3 1 4 1 3 384 0 6 30 0 8 38 41217 33 40 121724340 22 30 0 8 38 4 0 6 18 6577 33 x XX y h WBhcm H IWcm B Whbcm 端梁中间截面对水平重心线 x x 的惯性矩 4 40 121724340 22 XX H IWcm 端梁中间截面对水平重心线 y y 的截面模数 1 3 30 0 8 38 4 0 6 18 6577 33 y B Whbcm 端梁中间截面对水平重心线 x x 的半面积距 1 1 3 2 242 19 2 2 19 2 0 630 0 8 19 6691 2 x hhh sB cm 1 1 3 2 242 19 2 2 19 2 0 630 0 8 19 6691 2 x hhh sB cm 端梁中间截面的最大弯曲应力由公式 7 34 计算的得 端梁中间截面的剪应力 max 0 120678 691 28 224340 2 0 6 G P X x QS MPa I 端梁支撑截面对水平重心线 x x 的惯性矩 截面模数及面积距的计算如下 首先求水平重心线的位置 水平重心线距上盖板的距离 1 2 12 4 0 6 0 5 12 40 4 2 7 1 2 0 4 12 40 6 5 81 30 0 82 12 4 0 62 7 1 2 Ccm 水平重心线距腹板中线的距离 25 81 40 5 12 40 79Ccm 水平重心线距下盖板的中心线的距离 3 12 40 40 6 5 817 59Ccm 端梁支撑截面对水平重心线 x x 的惯性矩 32 0 4 32 324 1 30 0 830 0 8 5 81 2 1 212 40 62 12 4 0 6 0 79 12 1 27 1 22 7 1 2 7 591981 12 x I cm 端梁支撑截对水平重心线 x x 的最小截面模数 3 00 2 3 11 1981248 4 640 6 2 xx WIcm C 端梁支撑截面水平重心线 x x 下部半面积距 3 0 7 590 6 2 7 1 2 7 59 7 590 6 0 6142 2 x Scm 端梁支撑截面附近的弯矩 193085 101930850 ZAMR dN cm 式中 d 即图中 7 23 中 H 尺寸 参见图 4 17 断裂支撑截面的弯曲应力由公式 4 36 计算 0 1930850 77 248 Z x M MPa W 端梁支撑截面的剪应力由公式 4 37 计算