起重机设计手册

1、太原科技大学华科学院毕业设计说明书太原科技大学毕业华科学院设计（论文）任务书专业/方向：机械设计制造及其自动化(起机) 时间：2009 年3月16日学 生 姓 名(班级、学号)指 导 教 师杨 瑞 刚设计（论文）题目主要研究内容载荷分析及其组合；内力计算，按照不同的载荷组合计算各危险界面的内力，简化计算模型是必须考虑主、端梁之间相互约束的影响；在此基础上进行各截面的静强度、静刚度、动刚度、疲劳强度、局部稳定性和整体稳定性的验算，以及主、端梁的连接计算，最后确定结构的截面工程尺寸。研究方法在满足结构的强度，刚度，稳定性以及疲劳强度的情况下，减小结构的尺寸，做到经济性安全性最优组合。主要技术指标(

2、或研究目标)起重量 75t/20t, 工作级别 a6,跨度 22.5m，起升高度20m/22m，起升速度(m/min) 5.07/7.63,轨距(mm)主小车 4500 付小车2500教研室 意见教研室主任（专业负责人）签字： 年 月 日i- -目 录太原科技大学毕业华科学院设计（论文）任务书i摘 要iii第一章：总体方案设计11.1 基本参数和已知条件11.2 材料选择及许用应力11.3 总体尺寸设计1第二章 主端梁截面几何性质32.1 主梁截面性质计算32.2 端梁截面性质计算5第三章：载荷63.1 载荷组合的确定63.2 载荷计算6第四章 主梁计算124.1 载荷计算124.2 强度校核

3、174.3主梁疲劳强度校核194.4 刚度校核214.5稳定性校核24第五章 端梁计算305.1 载荷和内力305.2 强度校核335.3 疲劳强度校核355.4 稳定性385.5 端梁拼接39第六章 主梁和端梁的连接44第七章 桥架拱度计算46参考文献47致 谢48专业翻译49太原科技大学华科学院毕业设计说明书摘 要本设计为75t/22.5m通用桥式起重机结构部分的设计。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。它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。桥式起重机的机械部分有两大机构组成

4、:起升机构，运行机构。桥架的金属结构由主梁和端梁组成，双梁桥架由两根主梁组成。主梁和端梁刚性连接，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。在这次设计中，我采用了广泛应用的典型箱型结构，它具有制造工艺简单，机构安装检修方便等一系列的优点。关键字：桥式起重机，结构设计，箱型梁，计算 abstract the design is the 75t/22.5m general bridge type hoist crane structure of part of the design. bridge crane is a bridge in an elevated

5、track running on a bridge-crane, also known as crane. it widely used in indoor and outdoor storage, plant, material storage terminals and open market and so on.bridge crane can be divided into ordinary bridge crane, simple beam bridge crane and metallurgical bridge crane for three kinds. bridge cran

6、e has two main parts of the machinery comprising: lifting bodies, run institutions. bridge from the metal structure and main beam-beam composition, two-beam bridge formed by the two main beam. main beam and-liang gang of connection, beam ends with wheels. to support the overhead bridge on the run, t

7、he main beam welding a track, trolley for lifting operation. in this design, i use a wide range of a typical box-type structure, it has manufacturing process simple. installed to facilitate maintenance and a series of advantages.keyword: bridge crane, structural design, box beam, calculation iv第一章：总

8、体方案设计1.1 基本参数和已知条件起重量q：75t 跨度l：22.5m工作级别：a6 起升高度：20m大车车轮直径：900mm 小车车轮直径：400mm起升速度：5.07m/min 大车运行速度：79m/min小车运行速度：45m/min 小车轮距：2.7m小车轨距：3.2m 小车车轮数：4个1.2 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 总体尺寸设计1.3.1桥架尺寸的确定(1)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，梁的全长。(2)主梁

9、尺寸：高度: 取腹板高度: 翼缘板厚度：腹板的厚度：主腹板 ，副腹板 主梁总高度： 主梁的宽度：（大起重量）腹板外侧间距取且根据偏轨箱形梁主梁轨道宽面的要求上、下翼缘板不相同，分别为：及。主梁端部变截面长度：，取1.3.2端梁尺寸高度：，取考虑到大车轮的安装，端梁内宽：，总宽：，翼缘板：，腹板：。1.3.3主、端梁的连接 主、端梁采用突缘法兰连接，端梁为拼接式。桥架结构与主、端梁截面如图1.1所示。 图1.1 双梁桥架结构第二章 主端梁截面几何性质端梁截面几何性质如图2.1所示： （a）主梁截面 （b）端梁截面 图2.1 主梁与端梁截面2.1 主梁截面性质计算主梁： 主梁截面性质计算如图2.2

10、所示： 图2.2 主梁截面性质计算图形心： = ； ；惯性矩： 偏心距：式中：、为箱形梁主副腹板的厚度； b为箱形梁腹板外侧间距。上翼缘板静矩： x轴以上截面静矩： 2.2 端梁截面性质计算端梁：形心： 端梁截面性质计算如图2.3所示： 图2.3 端梁截面性质计算图惯性矩： 端梁上翼缘板静矩： 端梁中轴以上截面静矩： 第三章：载荷3.1 载荷组合的确定3.1.1动力效应系数的确定:（1）起升冲击系数：，在此取。3.1.2起升载荷动载系数： 根据动态理论分析，起重机结构在物品悬挂点的动载系数按下式决定： 其中对桥式类型起重机，通常取简化式：。3.1.3运动冲击系数: 起重机沿轨道或道路运行时，由

11、于路面不平或轨道接头的影响，将对结构产生垂直方向的冲击作用，这时运行冲击系数乘以自重载荷来计算，对轨道起重机，=式中h为轨道接头的高低差，对桥式起重机h=1mm因为所以采用载荷组合。说明：由于铸造起重机一般不受风载荷影响，所以在设计过程中不考虑风载荷对桥机的影响，同时由于采用载荷组合故需计算偏斜侧向力的大小。3.2 载荷计算3.2.1固定载荷主梁自重载荷为： （计算载荷） （实际载荷）其中：为大副板重，为纵向加劲肋，3为轨道重。小车轨道重量：栏杆、导电架等重量：主梁的均布载荷： 3.2.2小车轮压根据主、副起升机构和运行机构的设计布置如简图5所示：作小车轮压计算简图，如图所示：图3.1 小车轮

12、压的计算起升载荷：其中：是起重量，=，为吊钩组质量。小车重量：满载小车静轮压： 空载小车轮压为： 满载小车的动轮压为： 空载小车的动轮压为： 3.2.3惯性载荷 大车4个车轮，小车4个车轮，其中主动轮、从动轮各占一半，按车轮打滑条件确定大、小车运行的惯性力： 一根主梁上的小车惯性力：大车车轮个数为4个，其中主动轮为2个，大车运行起，制动惯性力（一根主梁上）为：说明：主梁跨端设备惯性力影响小，忽略。3.2.4端梁总轮压计算：因为端梁之间采用螺栓连接，端梁只起连接作用，不受弯矩的影响，故不需要考虑偏斜侧向力对整个结构的影响，为计算方便，现做如下假定：1.主梁和端梁连接处采用销接，故只传剪力不传扭矩

13、；2.在垂直载荷作用下，可认为主梁刚度无限大，因而端梁的端头是刚性嵌固，不能转动；3.在计算端梁（大车）总轮压时，可认为端梁总长为实际端梁长与两个端梁连接处的主梁宽之和，并作为一个整体计算；4.假定车轮组间轮压均匀分布。具体布置简图如图3.2所示：图3.2 端梁总轮压计算取=2500mm，一根主梁质量为：一根端梁单位长度的重量为：一根端梁的重量为：一组大车运行机构的重量（两组对称布置）为：司机室及设备的重量（按合力计）为：(1)满载小车在主梁跨中央位置时（每个铰点为四个轮共同承担力）：左侧端梁总静轮压：则(2)满载小车在主梁左端极限位置满载小车在主梁极限位置左侧端梁总静轮压： 则 满足设计要求

14、。其中为qv120轨道许用轮压。由，查得侧向力为： 3.2.5扭转载荷 偏轨箱形梁由和的偏心作用而产生移动扭矩（如图3.3所示），因为其它载荷、产生的扭矩较小且作用方向相反，故不计算偏心轨箱形梁弯心a在梁截面的对称形心轴上不考虑翼缘外伸部分弯心至腹板中线大的距离为：图3.3 扭转载荷计算 轨高： 移动扭矩为： 第四章 主梁计算主梁计算时分垂直载荷计算和水平载荷计算两种。在计算垂直载荷时按简支梁计算，在计算水平载荷时按刚结构铰点形式计算，在计算内力时对比较小的内力和影响小的内力可以忽略不计，但整个结构的分析要做到正确、严谨、简明和清楚。4.1 载荷计算(1)垂直载荷 计算大车传动侧的主梁，在固定

15、载荷和移动载荷作用下，主梁按简支梁计算，如图4.1所示：图4.1 主梁计算模型固定载荷作用下主梁跨中的弯矩为： 跨端剪切力为： 移动载荷作用下主梁的内力：1） .轮压合力与靠近的第二个车轮的距离为：，当靠近合力的第二个车轮位于处时，该车轮下梁截面产生最大弯矩和相应剪切力。（其中a=）式中=跨中内扭矩为：2） .满载小车在跨端极限位置时，小车左轮距梁端距离为：跨端剪切力为： 跨端内扭矩为：主梁跨中总弯矩为：主梁跨端总剪切力为：(2)水平载荷1).水平惯性载荷，在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算，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道构成新的水平刚架，这样比较符合实际，于是

16、: 水平刚架计算模型如图4.2所示：图4.2 水平刚架计算模型小车在跨中，刚架的计算系数为：跨中水平弯矩(与单梁桥架公式相同)为：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：在偏斜侧向力的作用下，桥架也按水平刚架分析（如图4.3所示），这时，计算系数为： 图4.3 侧向力作用下刚架的分析小车在跨中，侧向力为超前力为：端梁中点的轴力：端梁中点的水平剪切力为：主梁跨中的水平弯矩为： 主梁轴力为：主梁跨中总的水平弯矩为：小车在跨端。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：主梁跨端的水平弯矩为：主梁跨端的水平剪切力为：主梁跨端总的水平剪切力为：

17、小车在跨端时，主梁跨中水平弯矩与惯性载荷下的水平弯矩组合值较小，不需计算4.2 强度校核一般来说，在进行主梁校核时，需要计算主梁跨中截面危险点、点的强度。如图4.4所示：图4.4 主梁危险点(1)主腹板上边缘点的应力：主腹板边至轨顶的距离为：主腹板边的局部压应力为：垂直弯矩产生的应力为：水平弯矩产生的应力为：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。主梁上翼缘的静矩为：主腹板上边的切应力：点的折算应力为：(2)点的应力：点受到约束扭转的影响，常乘以简化系数（1.15）计算:(3)点的应力为：(4)主梁跨端的切应力为：主梁跨端截面变小，为便于主、端梁的连接和车轮安

18、装，取腹板高度等于端梁高度，跨端主要受剪切应力，故只需计算切应力大小。1).主腹板，承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为：主梁跨端封闭截面的面积为：代入上式：副腹板中两切应力反向，可以不计算。2).翼缘板，承受水平剪切力及扭矩。4.3主梁疲劳强度校核桥架工作级别为，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e的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中（轮压只在e点上）则：空载小车位于右侧跨端时（如图4.5所示）图4.5 主梁跨中（e）最小弯矩的计算左端支反力为： 其中：-主钩右极限位置，-两小车车轮中心到右轮的距离；。其

19、中(1)验算主腹板受拉翼缘焊缝的疲劳强度。如图4.5所示：图4.5 主梁截面疲劳强度验算点应力循环特性：根据工作级别，应力集中等级及材料q235，查得，。焊缝拉伸疲劳许用应力为：（合格）。（2）验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处显然，相同工况下的应力循环特性是一致的。根据及q235，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50mm，应力集中等级为，查得。拉伸疲劳强度许用应力为：（合格）。4.4 刚度校核（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： 其中：， （2）桥架的水平惯性位移 （3）选钢丝绳按下式计算钢丝绳的最大静拉力：式中：-起升载荷，= -吊具自重载荷， m-

20、滑轮组倍率，m=68，取m=8 x-绕上卷筒的钢丝绳分支数，x=2 -滑轮组效率，取=0.98按下式计算钢丝绳直径d：式中：c-选择系数，单位为选用钢丝绳根据及值查表得c=0.109选用不松散瓦林烙钢丝绳直径d=46mm，其标记为：6w(36)-46-17-i-光-右交查起重机手册，钢丝绳断面积（4）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：主梁质量为：全桥架中点换算质量为：起升质量为：起升载荷为：起升钢丝绳滑轮组的最大下放长度为：桥架跨中静位移为：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)水平动刚度起

21、重机水平动刚度以物品高位悬挂、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：半刚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）。4.5稳定性校核(1) 整体稳定性主梁宽高比：(稳定）(2)局部稳定性翼缘板：。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：故需设置横向加劲肋外，还需在腹板最大受压设置一条纵向加劲肋，把腹板分隔成上、下两个区格，其布置如图4.6所示：图4.6 主梁加劲肋设置及稳定性计算隔板间距：纵向加劲肋的位置：，取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

22、力为：(）区格分别受、和作用时的临界压应力为：嵌固系数：，屈曲系数：则：需修正，则：腹板边局部压应力为：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：由，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：(合格)。主腹板外侧设置短加劲肋，与上翼缘板顶紧以支撑小车轨道，间距：2).验算跨中副腹板上区格的稳定性。副腹板上区格只承受及的作用，区格两边的正应力为： 切应力为：区格的欧拉应力为：（属于不均匀压缩板）板的屈曲系数为：需要修正，则：板的屈曲系数为：需要修正，则：复合应力为：，区格的临界复合应力为：3).加劲肋的确定。横隔

23、板的厚度：，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心线的惯性矩为： = （合格）。 （合格）。至此主梁校核完毕。 第五章 端梁计算端梁截面以初步选定，现进行具体计算。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5.1 载荷和内力(1)垂直载荷:端梁按修改的刚架尺寸计算：，主梁轴线与主腹板中线距离为：主梁最大支承力为： 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5.1所示：图5.1 垂直载荷下端梁的计算端梁支反力为：截面1-1的弯矩为： 剪力截面2-2的弯矩为：剪力为：截面3-3的弯矩为：剪力为：

24、截面4-4（沿着竖定位板额的表面）的弯矩为：剪力为：(2)水平载荷端梁的水平载荷有，等，亦按简支梁计算，（如图5.2所示）：截面1-1因作用点外移引起的附加水平力矩为：弯矩为：支反力为：剪切力为：轴力为：图5.2 水平载荷下端梁的计算截面2-2在，及水平力作用下，端梁的水平反力为：水平剪切力为：弯矩为：截面3-3水平剪切力为：其它内力小，不计算。5.2 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）。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，只计算受力较大的截面4-4。端梁支承处为安装大车轮角形轴

25、承座而切成缺口并焊上两块弯板，端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取，支承处高度，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板，弯板参与端梁承载工作，支承处截面3-3及4-4如图5.3所示：图5.3 端梁支承处截面（3-3及4-4）形心： 惯性矩为： =中轴以上截面静矩为：上翼缘静矩为：下翼缘（弯板）静矩为：截面4-4腹板中轴处的切应力为： 因,可只计算靠上翼缘板的腹板边的折算应力，该处正应力为：切应力为：折算应力为：（合格）假设端梁支承水平剪切力只由上翼缘板承受，不计入腹板。上翼缘板切应力为：端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度比腹板厚度大，故焊缝不需验算。截面4-4的水平弯矩较小，忽略不计。5.3 疲劳强

26、度校核端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用1).弯板翼缘焊缝验算截面4-4的弯板翼缘焊缝满载小车在主梁跨端时，端梁截面4-4的最大弯矩和剪切力为： 空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为： = 这时端梁截面4-4响应的弯矩和剪切力为“ = = 弯板翼缘焊缝的应力为： 根据和q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查得 焊缝拉伸疲劳许用应力为：按查得，取拉伸式（合格）2).端梁中央拼接截面根据端梁拼接设计，连接螺栓的布置形式已经确定，可只计算受力大的翼缘板拼接截面1-1的内力为：空载小车位于跨中不移动时，主梁跨端的支承力为： 这时端梁支反力为：端梁拼接截面1-1的弯矩为： = =平均应力按毛截面计算为

27、：传递的内力为：端梁拼接处截面上布置有的螺栓孔，净截面积为：应力：显然，相同工况下的应力循环特性是一致的。根据a6及q235及带孔板的应力集中等级查得。翼缘板拉伸疲劳许用应力为： (合格)故切应力很小，忽略不计。5.4 稳定性整体稳定性：(稳定）局部稳定性：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，。5.5 端梁拼接端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板及，腹板用单面拼接板，精制螺栓选取，拼接构造及螺栓布置如图5.4所示：图5.4 端梁拼接构造及，腹板用单面拼接板，精制螺栓选取，拼接构造及螺栓布置(1)内力及分配满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为：

28、 , 端梁的截面惯性矩为：腹板对和轴的总惯性矩为：翼缘板对和轴的总惯性矩为：弯矩的分配： 腹板 翼缘： 腹板 翼缘水平剪切力的分配：剪力由上、下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受剪切力为：轴力分配：轴力按截面面积分配：一块翼缘板受轴力为：一块腹板受轴力为：(2)翼缘拼接计算由产生的翼缘轴力为：一块翼缘板总轴力为：拼接缝一边翼缘板上有12个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为：由上、下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为：拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为：翼缘板角点螺栓的最大内力为：角点螺栓顺梁轴的内力和为：水平剪切力由接缝一边翼缘板上螺栓平均承受，一个螺栓的受力为：角点螺栓的合成内力为：选精制螺栓，

29、孔一个螺栓的许用承载力为：剪切：承压：，（合格）(3)腹板拼接计算由对腹板产生的轴力为：一块腹板总轴力为：接缝一边腹板螺栓平均受力，一个螺栓受力为：腹板垂直弯矩由两腹板承受，一块腹板的弯矩为：拼接缝一边腹板上螺栓的布置尺寸为：，属窄式连接。腹板角点螺栓的最大内力为：角点螺栓顺梁轴的内力和为：单剪螺栓的许用承载力为： (合格)(4)端梁拼接净截面1-1的强度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和轴的惯性矩为： 端梁拼接处净截面惯性矩为： 全部板材的螺栓孔截面积为：拼接处净截面面积为：端梁拼接处强度为：（合格）显然，垂直载荷产生的应力是主要的。端梁计算中，载荷

30、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。第六章 主梁和端梁的连接（1）.主、端梁采用承载板高强度螺栓连接。突缘法兰用及两块板制成，顶部留有宽的承载台阶和突缘，法兰板及螺栓布置见图6.1。(a) (b) (c)图6.1 主梁与端梁的突缘法兰连接计算(a) 主、端梁连接 (b) 主梁与法兰板焊缝截面(c) 突缘法兰螺栓计算突缘法兰连接承受主梁支承，垂直弯距和水平弯距作用（小车在跨端）。主梁支承力：垂直弯距：水平弯距： （为端梁跨中水平弯距的两倍，不计）（2）. 法兰连接螺栓的计算法兰连接螺栓受拉力，根据法兰板螺栓布置，两列间距，最下边螺栓至突缘的距离，各螺栓至突缘距离的平方和： 下边角点螺栓的最大拉力为： 共采用50个高强度螺栓，孔径，单个螺栓的许用拉力为：故（合格）。上述计算均忽略主梁轴向力，突缘端面承压应力和切应力都不大，不再计算。第七章 桥架拱度计算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7.1所示：距