20吨起重机单梁设计说明书.doc

1 2020 吨起重机单梁设计说明书吨起重机单梁设计说明书 1 设计规范及参考文献设计规范及参考文献 中华人民共和国国务院令 373 号 特种设备安全监察条例 GB3811 2008 起重机设计规范 GB6067 2009 起重机械安全规程 GB5905 86 起重机试验规范和程序 GB T14405 93 通用桥式起重机 GB50256 96 电气装置安装施工及验收规范 JB4315 1997 起重机电控设备 GB10183 88 桥式和门式起重机制造和轨道安装公差 JB T1306 2008 电动单梁起重机 GB164 88 起重机缓冲器 GB5905 86 低压电器基本标准 GB50278 98 起重设备安装工程及验收规范 GB5905 86 控制电器设备的操作件标准运动方向 ZBK26008 89 YZR 系列起重机及冶金用绕线转子三相异步电动机技术条件 2 2 设计指标设计指标 2 1 设计工作条件 气温 最高气温 40 最低气温 20 湿度 最大相对湿度 90 3 地震 地震基本烈度为 6 度 2 2 设计寿命 起重机寿命 30 年 电气控制系统 15 年 油漆寿命 10 年 2 3 设计要求 2 3 1 安全系数 2 3 1 1 钢丝绳安全系数 n 5 2 3 1 2 结构强度安全系数 2 载荷组合 n 1 5 载荷组合 n 1 33 2 3 1 3 抗倾覆安全系数 n 1 5 2 3 1 4 机构传动零件安全系数 n 1 5 2 3 2 钢材的许用应力值 N mm2 表 1 钢号厚度 s c 安全系数 16235176 7102 0265 0 16 40225169 297 7253 8 40 60215161 793 3242 5 60 100205154 189 0231 2 Q235 100 150195146 684 6219 9 1 33 16 345259 4149 8389 1 16 25325244 4141 1366 5 25 36315236 8136 7355 2 36 50295221 8128 1332 7 Q345 50 100275206 8119 4310 2 1 33 25785523 3302 1785 25 100540360207 854040Cr 101 300490326 7188 6490 1 5 45 355236 7136 6355 40CrNiMo835556 7321 4835 200 400200133 377 0200 230 450230153 388 5230 3 270 500270180103 9270 310 570310206 7119 3310 铸钢 ZG 340 640340226 7130 9340 s 钢材的屈服点 钢材的基本许用应力 钢材的剪切许用应力 c 端面承压许用应力 2 3 3 螺栓连接的许用应力值 N mm2 10 9 级高强度螺栓抗剪 350 2 3 4 焊缝的许用应力值 N mm2 对接焊缝 w 压缩焊缝 w 拉伸 1 2 级焊缝 w 0 8 拉伸 3 级焊缝 w 21 2 剪切焊缝 角焊缝 拉 压 剪焊缝 w 160 Q235 钢 200 Q345 钢 2 3 5 起重机工作级别 利用等级 U5 工作级别 A4 机构工作级别为 M5 3 3 设计载荷设计载荷 3 1 竖直载荷 4 3 1 1 起升载荷 额定起升载荷 20t 3 1 2 桥式起重机自重载荷 主梁 10 81t 端梁 0 88t 小车 包括电动葫芦 1 12t 电气装置及附件 电控箱 电缆 大车导电挂架等 0 15t 总计 12 96t 3 1 3 起升载荷基本值 20t 3 1 4 冲击系数 3 1 4 1 起升 制动冲击系数 1 起升速度 h 0 058m s 起动平均加速度 0 029m s2 起升 制动时间 t 2s 制动冲击系数 1 1 1 a g 式中 g 重力加速度 取 g 9 81 m s2 1 1 a g 1 0 029 9 81 1 003 3 1 4 2 起升载荷动载系数 2 根据 起重机设计手册 当起升速度 Vh 0 2 m s 时 2 1 1 3 1 4 3 运行冲击系数 起重机大车重载走行速度为 0 333m s 起重小车重载的走行速度为 0 333m s 轨道平顺程度良好 因此在运行中载荷的最大竖向冲击力将发生在轨道 接缝处 则运行冲击系数 5 3 1 10 0 058 h1 2 式中 h 轨缝高差 h 0 002m 3 1 10 0 058 1 57 0 0021 2 1 1041 以上计算的三个冲击系数不会同时发生 因此我们在检算结构和机构的强度和稳定 性时取起升载荷的冲击系数 1 1 3 2 水平载荷 3 2 1 运行惯性力 起重机或小车在水平面内进行纵向或横向运动起 制 动时 起重机或小车自身 质量和总起升质量的水平惯性力 按该质量与运行加速度乘积的 5倍计算 此时取 5 1 5 用来考虑起重机驱动力突变时结构的动力效应 起重机大车横向走行紧急制动时惯性力 制动时间取 t 6s 空载时 F 1 5 12960 20 60 6 1080 N 重载时 F 1 5 12960 20000 20 60 6 2747 N 小车纵向走行紧急制动时惯性力 制动时间取 t 4s 空载时 F 1 5 1120 20 60 4 140 N 重载时 F 1 5 1120 20000 20 60 4 2640N 4 4 总体设计总体设计 桥架尺寸的确定 4 1 大车轴距 B0 1 7 1 5 L 1 7 1 5 22 5 3 214 4 5m 6 取 B0 3 5m 端梁全长 4m 4 2 主梁尺寸 由于起重量和跨度都偏大 宜选用箱型截面主梁 主梁跨中部分截面的理论高度为 H1 h 1 14 1 17 L 1 14 1 17 22 5 1 607 1 323m 主梁两腹板外侧间距为 B h 3 0 44 0 55m 主梁翼缘板宽度取 B1 700mm 考虑箱形梁内部焊接的要求 两腹板外侧间距取 b 660mm 按主梁整体稳定条件 H1 3b 实取 H1 h 1500mm 取腹板高度 h0 950mm 翼缘板厚度 0 16mm 腹板厚度 1 2 8mm 主梁工字钢下翼缘补强板取 16 130 mm 4 3 端梁尺寸 高度 H2 0 4 0 6 h 600 900mm 取 H2 470mm 考虑大车轮安装取总宽 B1 220mm 跨中翼缘板厚度 1 16mm 腹板厚度 6mm 大车轮距 W 3500mm 端梁总长 L 4000mm 4 4 主 端梁连接采用突缘法兰螺栓连接 5 5 主 端梁截面几何性质主 端梁截面几何性质 热轧工字钢 45b 特性 截面面积 A 111 446cm2 1 114 104 mm2 7 惯性矩 Ix 33800cm4 3 38 108mm4 Iy 894cm4 8 94 106mm4 截面抗弯系数 Wx 1500cm3 1 5 106mm3 Wy 118cm3 1 18 105mm3 5 1 截面几何性质 5 1 1 主梁 截面面积 A 16 700 2 8 966 2 6 420 11140 16 130 44916mm2 0 044916m2 形心位置 x 350mm Y 16 700 1508 2 8 966 1033 2 6 420 408 111400 241 16 130 8 145176 426mm 惯性矩 Ix 9 81 109mm4 Iy I1 7 82 108mm4 截面抗弯系数 Wx 6 49 106mm3 Wy 4 87 106mm3 5 1 2 端梁 截面面积 跨中 A 6 464 2 6 208 16 230 10 450 14432mm2 0 01314 m2 形心位置 8 x 6 464 13 6 464 227 6 208 114 16 230 115 10 450 235 14432 158mm Y 6 464 232 6 464 232 6 208 13 16 230 472 10 450 245 14432 284mm 惯性矩 Ix 4 47 108mm4 Iy I2 1 48 108mm4 截面抗弯系数 Wx 2 83 106mm3 Wy 5 21 105mm3 6 6 主梁 端梁钢结构强度 刚度 整体稳定性计算主梁 端梁钢结构强度 刚度 整体稳定性计算 6 1 计算原则 根据这种结构形式的起重机的特点 可以不考虑水平惯性力对主梁造成的应力 及 其水平平面内载荷对主梁的扭转作用也可以忽略不计 主梁强度计算按第 类载荷进行组合 对活动载荷 由于小车轮距较小 可近似按 一集中载荷计算 验算主梁跨中断面弯曲正应力和跨端断面剪应力 主梁跨中断面弯曲正应力包括梁的整体弯曲应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起 的局部弯曲应力两部分 合成后进行强度校核 梁的整体弯曲在垂直平面内按简支梁计算 在水平面内按刚接的框架计算 计算的 依据为 起重机设计规范 起重机设计手册 及 钢结构设计手册 6 2 载荷计算 6 2 1 主梁单位长度自重载荷 q K Ag 1 05 7850 0 044916 9 8 3628N m 9 式中 K 自重的动载系数 K 1 05 钢材比重 7850kg m3 6 2 2 葫芦小车集中载荷 轮距较小 按合力计 P 1120 20000 9 8 206976N 6 2 3 大车制动引起的主梁水平惯性载荷 qgd 1 5 10810 20 60 22 5 212N m 6 2 4 大车制动主梁所受小车水平惯性载荷 qgx 1 5 1120 20000 20 60 10560N 6 3 主梁钢结构强度 刚度计算及稳定性计算 6 3 1 主梁钢结构强度计算 主梁下翼缘在小车轮压作用下 将产生局部弯曲变形和局部弯曲应力 通常在翼 缘根部 轮压作用点和自由边都有较大应力 后两处更严重 许用应力 176 7 MPa 102 0 MPa 动力效应系数 1 1 1 2 1 0 0 7vq 1 0 0 7 3 5 60 1 041 4 1 1 0 058 vdh1 2 1 1 0 058 20 60 1 119 采用最大的 4 1 12 6 3 1 1 垂直载荷及应力 6 3 1 1 1 主梁跨中垂直弯矩 MXW 4 qL2 8 P L 4 1 12 3628 225002 8 1000 206976 22500 4 10 1 381 109Nmm 6 3 1 1 2 主梁跨中剪切力 F 1 2 4 P 1 2 1 12 206976 1 159 105N 6 3 1 1 3 主梁支承力 小车在跨端 为 FX 4 1 2qL P L c1 L 1 12 1 2 3436 22 5 206976 22 5 1 293 22 5 2 618 105N 6 3 1 1 4 主梁跨中弯曲正应力为 0 MXW Y IX 1 381 109 426 9 81 109 59 8 MPa 6 3 1 1 5 主梁跨端切应力为 0 1 5 FX A 1 5 2 618 105N 950 8 34 4 MPa 6 3 1 1 6 葫芦小车最大轮压 P K n 4 206976 1 45 4 1 12 206976 84032N 式中 K 轮压不均匀系数 取 K 1 45 n 葫芦小车车轮数 n 4 6 3 1 1 7 主梁工字钢下翼缘在轮压作用下的局部弯曲应力按下列公式计算为 翼缘根部 横向应力 gx KgxP t2 0 86 84032 342 62 5 MPa 纵向应力 gz KgzP t2 0 33 84032 342 24 0 MPa 轮压作用点 横向应力 px KpxP t2 1 2 84032 342 87 2 MPa 纵向应力 pz KpzP t2 0 5 84032 342 36 3 MPa 翼缘外边缘 纵向应力 bz KbzP t2 0 95 84032 342 69 1 MPa 11 式中 P 主梁工字钢下翼缘一边的最大轮压 P 84032N t 主梁工字钢斜坡翼缘的平均厚度与补强板厚度和 t 34mm c 轮压 P 作用线与腹板一侧的水平距离 c 35mm b 主梁工字钢下翼缘宽度 b 152mm d 主梁工字钢下部单腹板厚度 d 13 5mm Kgx Kgz Kpx Kpz Kbz 与比值 c 0 5 b d 有关的计算系数 Kgx 0 86 Kgz 0 33 Kpx 1 2 Kpz 0 5 Kbz 0 95 6 3 1 1 86 3 1 1 8 主梁工字钢下翼缘在垂直载荷作用下 同时产生整体弯曲应力和局部弯曲应力 主梁工字钢下翼缘在垂直载荷作用下 同时产生整体弯曲应力和局部弯曲应力 其复合 折算 应力为 其复合 折算 应力为 轮压作用点 轮压作用点 0 0 px px 2 2 gz gz2 2 0 0 px px gz gz 1 2 1 2 59 8 87 259 8 87 2 2 2 36 3 36 3 2 2 59 8 87 259 8 87 2 36 3 36 3 1 2 1 2 56 8 56 8 MPaMPa 翼缘外边缘 翼缘外边缘 0 0 bz bz 59 8 69 1 128 9 59 8 69 1 128 9 MPaMPa 6 3 1 2 水平载荷及应力 大车运行起 制动产生的水平惯性力按大车主动车轮打滑条件确定 6 3 1 2 1 主梁均布惯性力为 P q 2 7 3628 14 259N m 6 3 1 2 2 小车载荷集中惯性力为 P P 2 7 206976 14 14784N 6 3 1 2 3 小车位于跨中时 桥架内力按水平刚架模型计算 计算系数为 r1 1 2ab 3 a b L I1 I2 12 1 2 1 75 1 75 3 1 75 1 75 22 5 7 82 108 8 12 107 1 214 6 3 1 2 4 主梁跨中水平弯矩为 MW P L 4 1 1 2 r1 P L2 8 1 2 3 r1 1478 22 5 1 1 2 1 214 259 22 52 8 1 2 3 1 214 26548 Nm 6 3 1 2 5 主梁跨中水平剪切力为 PF 1 2 P 14784 2 7392N 6 3 1 2 6 小车在跨端左侧极限位置 L1 1 293m 处 跨端水平剪切力为 PC 1 2 P L P 1 L1 L 245 22 5 2 14784 1 1 293 22 5 16690N 6 3 1 2 7 小车在跨端左侧极限位置 L1 1 293m 处 跨端水平剪应力为 C 1 5 PC A 1 5 16690 700 16 2 2 MPa 6 3 1 2 8 考虑主梁应力组合 将小车置于跨中 这时一侧端梁总静轮压为 Pm1 qL P 2 q1B 3436 22 5 206976 2 1061 4 146224N 6 3 1 2 9 端梁单位长度自重载荷 q1 K Ag 1 05 7850 0 01314 9 8 1061N m 式中 K 自重的动载系数 K 1 05 钢材比重 7850kg m3 A 端梁截面面积 A 0 01314m2 6 3 1 2 10 由 L B 22 5 3 5 6 43 查得 0 16 起重机偏斜运行侧向力为 PF1 1 2 Pm1 1 2 146224 0 16 7311N 13 6 3 1 2 11 跨中水平弯矩为 MW1 1 2 PF1B0 1 2 7311 3 5 12794Nm 6 3 1 2 12 跨中水平弯矩之和为 M MW MW1 26548 12794 39342 Nm 6 3 1 2 126 3 1 2 12 主梁工字钢下翼缘在水平载荷作用下 主梁工字钢下翼缘在水平载荷作用下 下翼缘轮压作用处的应力为 下翼缘轮压作用处的应力为 M M M M c d 2c d 2 I Iy y 39342 1000 35 13 5 2 39342 1000 35 13 5 2 9 81 109 81 109 9 0 20 2 MPaMPa 下翼缘外边缘的应力为 下翼缘外边缘的应力为 b b M152 2 IM152 2 Iy y 39342 1000 152 2 39342 1000 152 2 7 82 107 82 108 8 3 8MPa 3 8MPa 6 3 1 36 3 1 3 主梁跨中的合成应力主梁跨中的合成应力 主梁工字钢下翼缘在车轮轮压作用处和外边缘产生最大组合应力主梁工字钢下翼缘在车轮轮压作用处和外边缘产生最大组合应力 轮压作用处轮压作用处 0 0 M M pz pz 2 2 px px2 2 0 0 M M pz pz px px 1 2 1 2 59 8 0 2 36 3 59 8 0 2 36 3 2 2 87 2 87 22 2 59 8 0 2 36 3 59 8 0 2 36 3 87 2 87 2 1 2 1 2 92 1 92 1 MPaMPa 176 7 176 7 MPaMPa 翼缘外边缘 翼缘外边缘 0 0 b b bz bz 59 8 3 8 69 1 132 7 59 8 3 8 69 1 132 7 MPaMPa 176 7 176 7 MPaMPa 工字钢翼缘外边缘应力较大 须在工字钢下表面纵向加一道补强板 宽度 130mm 厚度 16mm 6 3 1 46 3 1 4 主梁跨端的剪切应力主梁跨端的剪切应力 0 0 C C 34 4 34 4 2 2 36 6MPa 2 2 36 6MPa 102 0 102 0 MPaMPa 14 6 3 2 主梁钢结构刚度计算 6 3 2 1 主梁垂直静刚度 满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为 yL P L3 48EIx 206976 225003 48 2 1 105 9 81 109 23 84mm L 700 32 14nm mm 式中 P 葫芦小车集中载荷 P 206976N L 起重机跨度 L 22500mm E 钢材弹性模量 碳钢 E 2 1 105N mm2 Ix 主梁惯性矩 Ix 9 81 109mm4 6 3 2 2 主梁水平静刚度 满载小车位于跨中时 由大车运行起 制动对主梁跨中产生的惯性位移 Xg P L3 48EIY 5 P L4 384EIY 14784 225003 48 2 1 105 7 82 108 5 245 1000 225004 384 2 1 105 7 82 108 21 36 4 98 26 34mm Xg L 2000 11 25mm 主梁跨中产生的水平惯性位移过大 6 3 3 主梁整体稳定性计算 箱形梁的宽度宜大于 L 60 22500 60 375mm 主梁实际宽度 660mm 主梁的高宽比 h b 3 1516 660 2 29 时 主梁的整体稳定性不需验算 6 3 4 主梁钢结构局部稳定性计算 在剪应力 弯曲应力 局部正应力及它们的共同作用下 有时会使主梁腹板局部 失稳 在压应力作用下 使得翼缘板 盖板 失稳 防止局部失稳的通常方法是设置 纵向筋及横向筋 15 6 3 4 1 翼缘板的局部稳定性计算 B0 644 16 40 25 60 纵向加设一道角钢 L75 75 6 满足要求 不再验算 6 3 4 2 腹板的局部稳定性计算 H0 950 8 118 75 80 160 应配置 横向隔板 纵向加劲肋 按规定配置腹板加劲肋和横向隔板 间距 a 1000mm 2 H0 1900mm 不必验算 隔板中 间不需开孔 每侧腹板设置二道纵向加劲肋 加劲肋采用 L50 50 5 的角钢 详见主梁截面图 6 4 端梁钢结构强度 稳定性计算 6 4 1 端梁钢结构强度计算 在端梁的计算中 端梁主要承受主梁及载荷对它的垂直压力和起重机运行时对它 产生的水平歪斜侧向力 主要验算端梁中央断面的弯曲应力和支承车轮处断面的剪切 应力 端梁承受垂直载荷和水平载荷作用 按简支梁计算 6 4 1 1 垂直载荷和内力计算 6 4 1 1 1 满载小车在跨端极限位置 L1处时 主梁支承力为 FX 2 618 105N 6 4 1 1 2 端梁自重载荷为 q1 K Ag 1 05 7850 0 01314 9 8 1061N m 6 4 1 1 3 端梁跨中垂直弯矩为 MZ FXB0 4 4 q1 B02 8 2 618 105 3 5 4 1 12 1061 3 52 8 16 229075 1819 230894 Nm 6 4 1 1 4 支承车轮处断面剪切力为 FY FX 2 4 q1 B0 2 2 618 105 2 1 12 1061 3 5 2 130900 2079 132979N 6 4 1 2 水平载荷和内力计算 6 4 1 2 1 满载小车在跨端 L1 1 293m 处时 由大车运行起 制动的惯性力产生的端梁跨中 水平弯矩为 Mdy b a b r1 P L2 12 P L1 L L1 2L 1 75 3 5 1 214 245 22 52 12 14784 1 293 22 5 1 293 2 22 5 7967Nm 6 4 1 2 2 满载小车在跨端 L1 1 293m 处时 近侧端梁总静轮压为 Pd P 1 L1 L 1 2qL q1B 206976 1 1 293 22 5 1 2 3436 22 5 1061 4 195081 38655 4244 237980N 6 4 1 2 3 侧向力为 Pd1 1 2 Pd 1 2 238400 0 2 23840N 6 4 1 2 4 端梁跨中水平弯矩为 Md Pd1a 23840 1 75 41720Nm 6 4 1 2 5 端梁跨中总的水平弯矩为 My Mdy Md 7967 41720 49687 Nm 6 4 1 36 4 1 3 端梁应力端梁应力 跨中正应力 跨中正应力 M Mx xy Iy Ix x M My yx Ix Iy y 230894 1000 284 4 47 10230894 1000 284 4 47 108 8 49687 1000 158 49687 1000 158 17 1 48 101 48 108 8 116 3 53 1 169 4 116 3 53 1 169 4 MPaMPa 176 7 176 7 MPaMPa 支承车轮处断面剪切应力 支承车轮处断面剪切应力 1 5 1 5 F FY Y 2 2 h h0 0 1 5 132979 2 276 5 16 22 5 1 5 132979 2 276 5 16 22 5 MPaMPa 102 0 102 0 MPaMPa 6 4 2 端梁稳定性计算 6 4 2 1 整体稳定性 h b 470 240 1 9 3 满足要求 6 4 2 2 局部稳定性 翼缘板 b0 0 240 6 40 60 腹板 h0 464 6 77 80 满足要求 为增加腹板稳定性 配置八块横隔板 7 7 主 端梁连接计算 主 端梁连接计算 主 端梁连接采用承载突缘法兰板普通螺栓连接 突缘法兰板用 20mm 900mm 470mm 及 20mm 900mm 230mm 两块钢板制成 承载面积为 900mm 230mm 突缘法兰连接承受主梁支承力 垂直弯矩和水平弯矩作 用 因突缘法兰板承载台阶足够大 所以主 端梁连接不作载荷计算 8 8 桥架拱度 桥架拱度 桥架主梁跨度中央的标准拱度值为 f0 L 1000 22 5mm 考虑制造因素 实取 y0 1 4 f0 31 5mm 18 跨中央两边按曲线 y 1 4 f0 1 4a2 L2 设置拱度 9 9 主要技术参数 主要技术参数 9 1 起升机构 额定起重量 20t 起升高度 9m 起升速度 3 3 0 35m min 工作级别 M4 运行速度 14m min 9 2 大车运行机构 运行载荷 20t 运行速度 20m min 工作级别 M4 车轮直径 400mm 最大轮压 12 8755t 跨度 22 5m 轮距 3 5m 轨道型号 P43 电动机 YES100Z1 4 功率 2 2KW 转速 1380r min 传动比 58 95 制动转矩 30 4Nm 转动惯量 0 280 Kgm2 1 10 0 大大车车运运行行机机构构的的设设计计计计算算 10 1 运行阻力的计算 大车在轨道上稳定运行的静阻力 Fj由摩擦阻力 Fm 坡道阻力 Fp和风阻力 FW三项组成 Fj Fm Fp FW 19 10 1 1 大车满载运行时的最大摩擦阻力 Fm PQ G 式中 PQ 起升载荷 PQ 196000N G 起重机的重力 G 12960 9 8 127008N 摩擦阻力系数 0 020 Fm 196000 127008 0 020 6460N 10 1 2 大车满载时的最大坡道阻力 Fp PQ G i 196000 127008 0 001 323N 式中 i 与坡度角有关 i 0 001 10 1 3 风阻力的计算 FW 0 稳定运行的静阻力为 Fj Fm Fp FW 6460 323 6783N 10 2 电动机的选择 10 2 1 电动机的静功率 Pj Fj V 1000 m 式中 Fj 起重机运行静阻力 Fj 6783N V 大车运行速度 V 20m min 0 333m s 机构传动效率 0 9 m 电动机台数 m 2 Pj 6783 0 333 1000 0 9 2 1 26KW 10 2 2 考虑到起动时的惯性影响的功率计算 P Kd Pj 1 2 1 26 1 51 KW 式中 Kd 考虑到电动机起动时惯性影响的功率增大系数 取 Kd 1 2 20 选择电动机型号 YES100Z1 4 2 2 2KW 1380r min 10 3 电动机的过载校验按下式验算 Pn 1 m mq Fj V 1000 J n2 91280tq 式中 Pn 基准接电持续率时电动机额定功率 Pn 2 2KW m 电动机台数 m 2 mq 平均起动转矩标幺值 绕线型异步电动机取 mq 1 7 Fj 起重机运行静阻