造船用门式起重机主梁设计说明书

1、P）港+.母机械结构实践课程设计说明书姓名宛敏超学号1310321学院机械与能源工程专业机械电子工程、人刖百本次机械结构实践课程中，我的任务是造船用设计门式起重机的主梁结构。由于起重机总体尺寸以及总体重量相当之大，而且它需要承受大的载荷作用，因此需要在满足其强度、刚度等条件的前提下，尽量减小其重量，以节约成本。本设计说明书中主要包括设计依据的数据，主梁的金属材料选取,主梁截面以及尺寸的选取，主梁载荷计算，主梁内力计算，主梁强度、刚度、稳定性验算，加劲肋的设置，主梁翼缘板与腹板的连接等内容。由于在大型起重机的设计上缺乏经验，设计说明书中可能存在不妥之处，恳请读者批评指正。、，、.前言一、给定数据

2、1.二、主梁设计计算1.1. 金属材料选择22. 主梁几何尺寸和几何特性23. 主梁载荷计算54. 主梁内力计算105. 主梁强度、刚度、稳定性验算166. 主梁翼缘板和腹板的连接25参考文献28、给定数据起重量mQ：300t；起升高度H：50m；跨度S：100m；悬臂长度L：30m；支腿轴距B：20m；额定起升速度v：4.5m/min；q运行速度：大车vy1=36m/min，小车vy2=33m/min；工作级别：A5。造船用门式起重机各结构的质量：主梁：mz=450t;刚性支腿：ma=200t；柔性支腿：mr=200t；zgr下横梁：m=100t；小车：m=150t；吊具：md=7t；司机室

3、：m=3t；xxcs行走机构：mxz=150t;电气集中质量：mdq=20t。二、主梁设计计算造船用门式起重机金属结构可以做成箱型实腹结构，也可以做成桁架结构。虽然桁架式结构质量较轻，但是它存在制造工作量大、维修保养不便等缺点，箱型金属结构的门式起重机得到了广泛应用。本设计中采用箱型实腹金属结构,做成单梁结构。1 .金属材料选择由于造船用门式起重机的载重量大、跨度大，为了减轻结自重，同时提高结构的承载能力，选择高强度结构一般选用Q345或高强度船用钢板DH32。Q345因环境温度不同，分为B、C、D、E等级别，其屈服强度因板厚而异，但是其中等厚度板常存在夹渣、夹层等缺陷。因此此设计中选用高强度

4、船用钢板DH32（GB712-88）（中国船级社标注为ZCD32）,这种材料的屈服强度为315N/mm2,抗拉强度0b为460L590N/mm2,其对应的焊条牌号为：手工焊E5015;埋弧自动焊H10Mn2G（焊丝）+HT331（焊齐。2 .主梁几何尺寸和几何特性主梁采用组合梁的形式，此设计中选择箱形截面，它由腹板和翼缘板组成，其截面如图1所示。主梁几何尺寸图1主梁截面造船用门式起重机的主梁高度由静、动刚度条件来确定。通常，梁高取为112将S=100m带入上式，得h主（12.5口8.3）m,取h=8.3m对于腹板，按经验公式决定板厚：=7+3h（mm）将数据带入上式，可得、=7+38.3=31

5、.9mm式（2）算出的板厚偏大，设计中取：=30mm箱形梁翼缘板的宽度（两腹板间距）按照整体稳定和水平刚度要求确定，取为鸟之h/3,带入数据得b0之8.3/3m,取b0=3.4m,则翼缘板的总宽度为：b=b。+26+40mm,带入数据，得b=340023040=3500mm受压翼缘板的厚度按照局部稳定条件确定：0-Vs50:235代入数据，得60之78.72mm，取60=80mmc因此，翼缘板间距h°=h一20代入数据，得h0=8300-280=8140mm主梁几何特性截面面积:S= 2(b ° h。、)静矩：Sx xSy=2 父(350父 8+814父 3)2=11504

6、cm2 350 8 (814 -)5532800cm3二 2h0a2)=2 814 3 (340 3、2)=1012536cm3惯性矩:Ix12h03 2 112 b 03(h02)2 0b 2123 8143 2 12350 83 (814 8、a)8 350 21854101419cm4Iy1210b3 2 12h03(b02)2A2128 3503 2 123340 3 2814 33 ()222抗弯截面系数:3 814 2230821018cm43.主梁载荷计算主梁单位长度重量WyIxymax18541014198301854101cm31yxmax230821018350二 6594

7、88cm3q。=mzgS 2L4501039.8100230=27562.5N/m=275.62N/cm所以，主梁单位长度重量为q=0式中，*起升冲击系数，1=1±6，0"<0.1,取3=1.0所以，q=1.0275.62=275.62N/cm移动载荷（小车轮压）单主梁小车有两个垂直车轮轮压，即2P=(mxcmQmd)g考虑到动力效应以轮压的形式作用在主梁上，小车轮压可按下式计算：2P=e2（mQmd）式中，外起升动载系数，*2=*2min+P2Vq；Vq额定起升速度，单位为m/s。q查表3-1,选择起重机起升状态级别为HC3,相应的，P2=0.51,2min=1.1

8、5,则%=1.15+0.5r4.5=1.19,代入式中，得2P=Mxcg2（mQd）g=1.01501039.81.19（3001037103）9.8=5050234N所以，小车轮压P=2525117N大车制动产生的惯性力A.主梁自重引起的惯性力Pdg:mzHBHB(1)B式中，X一一车轮沿轨道的静摩擦系数，一般取n=0.14；B。、B图中所示的尺寸。将数据带入上式，得Pdg0.144501039.865020(1-0.14)20=284953N化为均布载荷，有zqdg=PdgS2L将作用在主梁上的风载荷化为均布载荷，有284953100230=1780N/mB.货物和小车自重引起的惯性力,一

9、H假设此力作用在支腿的H处，那么其大小为2n(mxc+mQ+md)gB0Pdg:HB(1)B0.14(1503007)1039.8620(1-0.1450/2)20=228001NC.支腿自重引起的惯性力H则其值为同样假设支腿自重产生的惯性力作用在支腿的H处,2-mggB0PdghB(1)B0.142001039.8620(1-0.1450/2)20=99781N小车制动时由于货重和小车自重引起的惯性力(mxcm°md)gP_.i.P_.1xcQd7.PxgPx2式中，Px小车主动轮静轮压之和，在此设计中，有Px二(mxcmQmd)g将各数据带入式中，得巳二 0.14(150 300

10、 7) 103 9.8=313502N风载荷假设设计的造船用门式起重机工作在沿海地区。A.作用在起重机吊运物品上的工作状态最大风载荷FWqU.2Ra式中，P口一一起重机工作状态最大风压，查表3-9,得R=012;A吊运物品的最大迎风面积，查表3-10确定，AQ=75m2。将数据带入上式，得%口=1.225075=22500NB.作用在主梁上的风载荷（沿轨道运行方向）Pwzin=CPnAzi式中，C风力系数，由表3-11确定，C=1.85;Az1主梁沿轨道运行方向的迎风面积，Az1=(S2L)由(1002M30=)2。101600m将数据带入上式，得PWz1n=1.852501600=74000

11、0N_PWzinqWZlU=TS2L740000100230=4625N/mC.作用在主梁端部的风载荷PWz2=CRAz2式中，C风力系数，由表3-11确定，C=0.8；Az2主梁沿轨道运行方向的迎风面积，Az2=bh=3.5Ml0=35m2。将数据带入上式，得PWz2n=0.825035=7000ND.作用在支腿上的风载荷PgLCRA式中，C风力系数，由表3-11确定，C=1.85；Ag主梁沿轨道运行方向的迎风面积，2Ag=20父50=1000m2。代入上式，得%gn=CPnAg=1.852501000=462500N化为均布载荷，得P,WgHqWgll二:H46250050=9250N/m

12、E.作用在小车上的风载荷P/xcLCRAci1.225080=24000N碰撞载荷由于起重机水平运行速度vy1=0.6m/s<0.7m/s因此小车对缓冲器产生的缓冲碰撞力即碰撞载荷不需要考虑。4.主梁内力计算计算主梁的内力时，将门架当作平面静定结构进行分析A.在门架平面的垂直面内主梁均布自重引起的内力主梁自重引起的内力的计算简图和内力图如图所示。支反力SFa二Fb二q(2L)100=27562(30)2=2205040N剪力Qo=Qc=qL=2756230=826890NqR = q(L =-1qS2127562 1002-1378150N弯矩Me = Md1一科12-275623022

13、-12403350Ni1 S22Ms=2q(-L2)2 241 10022=27562(302)2 4=22050400NM移动载荷引起的主梁内力移动载荷取为小车轮压，即R=P2=P=2525117N,分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力。a.小车位于跨中时:弯矩maxP1P2(S-K)/S24(PP2)/S25251172525117(100-10)/1002一4(25251172525117)/100=113945904Nm最大弯矩作用位置FP2(S-K)/S2(PE)/S25251172525117(100-10)/1002(25251172525117)/100=47.5m支反力P

14、1S- x 十SP2S -(x K)S100 - 47.52525117 1002525117100-(47.5 10)1002398861NFb=P-P2-Fa=25251172525117-2398861=2651372N剪力QD=Fa=2398861NQc=Fb=2651372Nb.小车位于悬臂端时支反力FA=P1(SL)/SP2(SL-K)/S=2525117(10030)/1002525117(10030-10)/100=6312792NFB=-RL/S-P2(L-K)/S=-252511730/100-2525117(30-10)/100=-1262558N剪力QC=QDR=126

15、2558NQD=1262558-6312792=-5050234N弯矩MD-PL-B(L-K)=-2525117302525117(30-10)=-126255850NmLMS=FB二22100=-1262558-2=-63127900NLm小车制动惯性力引起的主梁内力支反力BgHFA=FB=-t31350250一100=156751NQC=QD=Fa=156761NQa=Ha=1=313502N弯矩Md-PxgH=31350250=15675100NLm1Ms:PxgH221313502502=7837550NLmB.在水平面内在主梁水平面内，由于大车制动时产生的惯性力沿大车轨道方向。a.当

16、小车位于跨中时：弯矩1/z2MD=-2(qdgqWz1U)L12(17804625)3022=-2882250NLm1,S2oMS(qdgqwzm)(-L)-万241_、_(PdgPWxcHPVQU)S41 10022(17804625)(302)-2 41-(2280012400022500)100=-1738525Nmb.当小车位于悬臂端时：MD二一2(qdgqWz1U)L2一(喏十xcPWQ口)l12=-(17804625)302-(2280012400022500)20=-8372270Nm1 z、,S2、Ms=-(qdg-qwz1n)(-L)-*12 (PdgPVxcUPWQU)l1

17、10022-(17804625)(-302)-1(2280012400022500)202=2378990Ni综上，主梁在门架平面垂直平面内的弯矩有:小车在跨中时:MD=-1240335011394590415675100=117217654NmMS=220504005697295278375502=86860902Nm小车在悬臂时：MD=-12403350-12625585015675100=-122984100NmMS=22050400-6312790078375502=-33239950Nm主梁在门架平面水平面内的弯矩有：小车在跨中时：MD=-2882250NLmMS=-1738525N

18、m2小车在悬臂端时：MD=-8372270NLmMS=2378990Nm25.主梁强度、刚度、稳定性验算主梁危险截面的强度验算A.正应力验算综上可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯矩：小车在跨中时,支承D处的弯矩最大；小车在悬臂端时，同样是支承D处的弯矩最大。垂直弯矩和水平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，主梁截面上的正应力按下式叠加：MD 1X= 1.15( Dmax -WMHmaxWy)十式中，MDmax、MHmax主梁支承截面的最大垂直弯矩和水平弯矩；IdXIdXWx、Wy主梁对y轴的抗弯截面系数；。高强度由S用钢板DH32的许用应力，二二。n460查表4-11,取n

19、=1.34,得卜=343.28MPa。n1.34代入数据，得小车在跨中时，支承D处的正应力为1172176542882250二1=1.15(t7)1185410110465948810一6=77.7106Pa=77.7MPa1小车在悬臂端时1229841008372270、二2二1.15(-)18541011065948810=90.8106Pa=90.8MPa因此，主梁的强度满足要求。B.剪切应力验算综合前述内力部分计算，可知主梁在支承处所受的剪切应力最大,其计算公式为:QSxIx(12)式中，Sx主梁截面对中性轴x轴的静矩;Ix主梁截面对x轴的惯性矩;1、r主梁的主、副腹板的厚度；主梁的许

20、用剪切应力。对于脆性材料，一般有卜=（0.8口1.0）仃,在此主梁设计中取卜=0.8。=0.8父92=274.62MPa。当小车位于跨中时，有Q=8268902651372156761=3635023N将数据带入式中，得3635023553280031=10411854101419(33)=18078708Pa=18.07MPa<当小车位于悬臂端时，有|Q|=|-1378150-5050234156761|=6271623N将数据带入式中，得627162355328002=101854101419(33)=31176756Pa=31.18MPa<所以，主梁的强度满足要求。需要说明的

21、一点是，主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪切力一般较小，可忽略不计。主梁刚度验算主梁的静态刚度用挠度来表征，对起重机主梁一般按简支梁进行计算，只考虑移动集中载荷对跨中产生的静挠度，其近似公式为:PS3Ys工s48日式中，P移动集中载荷，P=2525117N；EI主梁的抗弯刚度，E为材料的弹性模量，I为主梁的惯性矩;S主梁的跨度;Ys主梁的许用静挠度，查表4-17可得，对于门式起重机,假设其定位精度要求为中等，控制系统为简单，则有Ys=750S 100000=133.3mm。7502525117 1003YS 二将数据代入式中，得48206109185410141910-8=0.0137m

22、=13.7mm“Ys因此，主梁的刚度满足要求。稳定性验算箱形主梁有较强的抗弯和抗扭刚度，因此可不必对主梁进行整体稳定性的验算，那么只需要对箱形主梁的腹板和受压翼缘板进行局部稳定性校核。A.主梁的翼缘板稳定性验算因为箱形梁在两腹板之间的受压翼缘板宽厚比满足:所以不需要验算翼缘板的局部稳定性，也不需要设置加劲肋B.主梁的腹板稳定性验算箱形梁的腹板宽厚比满足:1叫271.3240因此，需要同时设置横向加劲肋（垂直于板长方向或压应力方向）和纵向加劲肋（平行于板长方向或压应力方向）。a.横向加劲肋设置横向加劲肋采用刚性加劲肋的形式，为制造方便和安全，横向加劲肋通常取等间距布置，其间距适宜选取为a=（0.

23、51.5）h0,设计中选取a=4.5m。b.纵向加劲肋设置纵向加劲肋可以采用刚性和柔性加劲肋的形式，此设计中同样采用刚性加劲肋的形式。设置7条纵向加劲肋，其中第一条设置在距腹板受压边h=(0.1510.2)h0处,即h1=(122ll628)mm处，设计中取h1=1500m,m第二条设置在距腹板受压边h2=(0.310.4)h0=(244213256)mm处，设计中取h2=2500mm,其它5条纵向加劲肋距离腹板受压边的距离分别为h3=3500mm,h4=4500mm,h5=5500mm,h6=6500mm,h7=7500mm。此时只需要验算最上区格的稳定性。为了验算区格的稳定性，首先，需要计

24、算板在此区格中的临界应力，它与板的应力状态、区格尺寸和板边的嵌固程度有关。在最上区格中，板受到压缩应力仃1、切应力工作用，相应的板的临界应力分别为：1c产KJecr=KE式中，icr临界压缩应力，单位为N/mm2;建r临界切应力，单位为N/mm2;板边弹性嵌固系数。对受压翼缘扭转有约束的工字梁和箱形梁腹板，可取1=1.64；切应力作用时，对腹板可取1=1.23;K仃、K四边简支板的屈曲系数，取决于板的边长比和板边载荷情况，对于用刚性加劲肋分隔的局部区格板来说，可参考表7-8,查表可知，&=(1+中)K=KJ10(1+中)，其中K仃是中=0时的屈曲系数，由表可求得K口=7.63,K；是.

25、一一中=-1时的屈曲系数，由表可求得K=23.9,上式中中0-0.5,所以可求得K。=13.265；查表可知4K5.34+j,其中a=4.5/1.5=3,所以K5.78；e简支板的欧拉应力，单位为N/mm2,计算公式为:100、2二E=18.62()可求得oE=74.48N/mm2。将数据带入式中，可以求得:1=1205.4N/mm2cr=529.5N/mm2cr板在仃1、工作用下，其临界复合应力按照下式计算:y1232CT=>i,cr,1丁丁3-1yl(1)3yl(1)2()2401cr4二1crcr将数据带入上式，求得仃ic=1118.28N/mm2。i,cr因为0.8。，所以，板的

26、局部稳定性许用应力为:I,ciscrLLcr巾式中，n安全系数，取强度安全系数，查表4-11可知n=1.34。将数据带入上式，可得Jr=717.5N/mm2腹板区格的局部稳定性按照下式验算:1232，卜cr因为12+3-=105.64N/mm2=。cr,因此腹板的稳定性满足要求。c.加劲肋的构造尺寸和焊接要求腹板的横向和纵向加劲肋可以在腹板两侧成对配置，也可以在一侧配置，设计中采用一侧配置的方式，如图所示。图2腹板横向加劲肋截面尺寸当腹板采用一侧配置方式时，其截面尺寸按照下列公式确定:外伸宽度hbs一1.2(240)mm厚度-bs 15 s235将数据代入上述两个式子，求得bs2373.6mm

27、，取bs=8mm求得6s之28.8mm，取外=30mm。ss当腹板同时采用采用矩形截面的横向加劲肋和纵向加劲肋时，其横向加劲肋在满足上面两个式子的基础上，它的截面惯性矩还需满足下式的要求:Ih-3h031a800代入数据，可得Ih30800380030-1221289600000mm4之3M8140M303=659340000mm4=3屏3,即惯性矩满足要求。箱形梁的纵向加劲肋设置在梁的腹板内侧，其截面尺寸取成与横向加劲肋相同，通过验算易知其截面惯性矩满足要求，其截面如图所图3腹板纵向加劲肋截面尺寸设计中使用的是箱形梁，因此可以将横向加劲肋扩展成横隔板同时加强两腹板，隔板尺寸与梁内净空尺寸相符合，由于隔板刚度较大,因此无需计算。同时考虑到梁的尺寸大，为减轻重量，将隔板中部开孔，但孔的周边板宽不得大于206s,取此值为300mm,如图所示s加劲肋宜用连续焊缝焊接在腹板上，由于设计中加劲肋的连接焊缝较长，使用断续焊缝，焊缝厚度为15mm图4横隔板尺寸设置形式横隔板与上翼缘板顶紧焊接，轨道支承面下的传力焊缝长度不小于轨道支承宽度的1.4倍，设计中取为1.5m,而且需要双面施焊。其它部位采用双面交错或单面断续焊缝，考虑抗疲劳的因素，通常箱形梁的横隔板下