单梁箱形桥式起重机主梁设计

.前 言起重机箱形梁式桥架结构是国内外桥式起重机中应用最普遍的一种桥架结构型式。随着科技的飞跃发展，起重机箱形梁式桥架结构对减轻劳动强度、节省人力、降低建设成本、提高劳动生产力、加快建设速度、实现工程机械化、生产自动化起着十分重要的作用，是非常重要的工具和设备。它是箱形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。所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用，是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。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。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主梁两边的端梁组成，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。本次设计是对箱形单主梁式桥架结构起重机的主梁设计。桥式起重机的主梁主要由上、下盖板和两侧的垂直腹板及内部肋板组成，是起重机的主要受力部件。小车钢轨布置在上翼缘板的两端，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。各项设计参数都正确参考了相关国家标准及设计规范，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。设计基本思路：本设计综合考虑实际因素，结合给定的工艺参数，按照相关国家标准GB/T 3811-20081及设计规范进行设计。主梁各项参数计算、选材、强度核算以及焊缝的设计及强度核算也都正确参考了国家标准或焊接手册，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。目 录第1章 设计箱形梁的结构形式与尺寸11.1 给定条件11.2 箱形梁的构造和主要尺寸的确定11.2.1 箱形梁的构造11.2.2 箱形梁的主要尺寸确定21.3 主梁预制上拱度计算4第2章 梁的校核52.1 梁的静载强度校核52.1.1 许用应力52.1.2 强度校核62.2 主梁跨端截面的最大剪切应力max的计算82.3 主梁的静刚度计算8第3章 焊脚尺寸的设计及校核103.1 主梁的角焊缝103.2 主梁与端梁的角焊缝10第4章 装焊工艺114.1 基本要求114.1.1 对焊工的要求114.1.2 对设备的要求114.1.3 对材料的要求114.1.4 坡口和焊缝形式的选择114.1.5 对环境的要求114.2 焊前准备124.2.1 焊接方法124.2.2 备料及下料124.3 焊接工序144.3.1 定位焊缝144.3.2 装焊顺序144.4检验16附录118附录219附录320总结21参考文献22.第1章 设计箱形梁的结构形式与尺寸1.1 给定条件根据任务设计说明书所列表1-1如下：吊车形势吊钩桥式起重机使用温度室温材料载荷类型额定载荷估计重量起升高度小车运行速度Q235或16Mn类10t小车不大于4t12m40m/min工作类型跨距桥架主梁形式大车不大于21.8t起升速度大车运行速度A5（中级）22.5m箱形梁8m/min90m/min表1-1 箱形梁设计给定条件1.2 箱形梁的构造和主要尺寸的确定图1-1 箱形主梁的构造简图1.2.1 箱形梁的构造箱形梁的结构尺寸示意图如图1-1所示。1.2.2 箱形梁的主要尺寸确定1、筋板及腹板的相关设计（1）主梁端部长度C的确定C=15110L=1511022500=(945002250)mm（2）主梁盖板厚度1与腹板厚度的确定（给出推荐值如表1-2）起重量Q（tf）5，810（12.5）15（16）2030（32）50腹板厚666，8盖板厚18，1010， 1212，141622表1-2 箱形主梁腹板和盖板厚度的推荐值（mm）注：表中所列板厚较大者用于跨度较大者据表1-2选出跨度为22.5m的盖板厚1=10mm，腹板厚=6mm。（3）主梁中部高度H和盖板间距h的确定当17L23时 H=L18=2250018=1250mmh=H-21=1250-210=1230mm（4）主梁端部高度H0的确定起升重量为10t，属于起升重量较重，H0=0.40.6H=0.61250=750mm（5）腹板间距b的确定bH3=12503=417mmbL50=2250050=450mmb350mm根据起重机设计原则，b应该选择较小值，即b=450mm。（6）上下盖板的宽度B的确定B=b+2+10手工焊B=b+2+20自动焊本次设计采用的是手工MAG焊,B=b+2+10=450+210+10=490mm2、主梁筋板的设置（1）横向大筋板间距a的设置当h=12506=205mm100mm时，横向筋板之间的距离不应大于2h或3m跨中处的a=1.52h=1.521230=(18452460)mma2h=21230=2460mma3000mm1845mma2460mm且a2200mm1845mma2200mm主梁端头处的ah=1230mm（2）横向小筋板高度及间距的设置1）横向小筋板高度h1的设置h10.3h=0.31230=369mm2）横向小筋板间距a1的设置a1(4050)=(4050)6=(240300)mm（3）纵向筋条设置当Q235 160mmh=205mm240mm16Mn 145mmh=205mm220mm 时，需要设置纵向筋条。当横向小筋板与纵向筋条都存在时，可适当减小筋板高度，则h1=0.20.25h=0.20.251230=(246307.6)mm所以为了安全，选择整数h1=300mm。（4）筋板间距的设置根据以上C，主梁处的a、a1，端梁处的a、a1以及考虑到筋板在主梁及 主梁端部的均布情况综合得出：C=2225mm，主梁a=1953mm、a1=244mm主梁端部a=1112.5mm、a1=222.5mm（5）横向筋板厚度3的确定（据非标准机械设计手册2中式5-44和5-45得如下公式）blh30+40=123030+40=81mm 取bl=81mm3bl15=8115=5.4mm 据起重机计设计手册3中表1-8-34选取3=5.5mm。（6）纵向角钢的确定（据非标准机械设计手册2中式5-42的如下公式）434=346=4.5mm据起重机计设计手册3中表1-8-41选取4=5mm同时据厚度可以选出相应的6号等边角钢，其标准为60605-GB/T 706-2008Q235-A-GB/T 700-20061.3 主梁预制上拱度计算规定梁跨度中央的最大上拱度fs=L1000=225001000=22.5mm。第2章 梁的校核2.1 梁的静载强度校核2.1.1 许用应力材料的许用应力是材料的极限应力j除以安全系数n，即=jn对于类载荷情况下的强度计算安全系数见表2-1。Q235和16Mn的机械性能分别见表2-2和表2-3。类载荷组合情况时钢材的许用应力见表2-4。n（运送一般货物/运送液态金属）n（括号内为大高度起重机）Q23516Mn1.5/1.71.55/1.751.2(1.3)1.25(1.35)表2-1 金属结构构件材料的安全系数n表2-2 Q235的机械性能材料名称组别棒钢直径或厚度型钢和异型钢厚度钢板厚度s(MPa)s(MPa)Q2351组2组3组40mm41100mm101250mm15mm1620mm20mm420mm2140mm4160mm240230220380400410430440470表2-3 16Mn的机械性能钢号钢材厚度或直径（mm）抗拉强度b(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率（%）16Mn16（1组）1725（2组）2636（3组）375055100的方圆钢520500480480480350330310290280210190190190190表2-4 类载荷组合情况时钢材的许用应力应力种类符号许用应力（MPa）Q23516Mn第1组第2,3组第1组第2组第3组拉，压，弯剪切1609514085230140220130205120本次设计的是类载荷组合的设计，所以可以根据表2-1选出Q235的n=1.5，16Mn的n=1.55。根据表2-2和表2-3选出Q235的s=240MPa，b=380MPa。16Mn的s=350MPa，b=520MPa。Q235：sb=240380=0.630.7，16Mn：sb=350520=0.670.7所以，Q235和16Mn的许用应力可以从表2-4中选用，即Q235：=160Mpa，16Mn：=230MPaQ235：=95Mpa， 16Mn：=140MPa2.1.2 强度校核图2-1 箱形梁式桥架结构的重量曲线主梁自重的确定给定如图2-1的曲线图。据图2-1可知，起重量为10t，跨距为22.5米的梁的重量Gq2=7.3t，小车重量G=4t。1、主梁自重引起的均布载荷qq=Gq2+GL=（7.3+4）103225009.8=4.92N/mm2、梁的自重在L2处引起的最大弯矩为：M自重max=qL28=4.922250028=3.11108Nmm3、额定载荷P在L2处引起的最大弯矩为：MPmax=PL2=9.810103225002=22.05108Nmm4、危险截面最大弯矩Mmax为：Mmax=M自重max+MPmax=3.11+22.05108=2.56109Nmm5、主梁跨中截面对水平重心轴x-x的抗弯截面模量Wx=Jxymax（mm3） 主梁跨中截面对水平重心轴x-x的惯性矩Jx=bh312（mm4） 主梁跨中截面的一半ymax=h2Wx=bh26=450123026=1.13108mm36、危险截面处的最大正应力的计算：=MmaxWx=2.561091.13108=22.56MPaQ235：=160MPa16Mn：=230MPa所以Q235和16Mn钢都可以用来制造箱形梁。2.2 主梁跨端截面的最大剪切应力max的计算1、各参数及其含义Qzz梁自重引起的剪力（N），QKD最大载荷移至跨端时引起的剪（N），Qmax主梁跨端最大剪力（N），I端主梁端部支承截面对水平重心轴x-x的惯性矩（mm4），S主梁端部支承截面半面积对水平重心轴x-x的静矩（mm3）。2、各参数的计算Qmax=Qzz+QKD=qL2+P=4.9222.51032+9.810103=1.5335105NS=B1H0+12+H024=49010750+102+750264=1.95107mm3I端=B136+2B1（H0+12）2+H036=4901036+249010（750+102）2+675036=1.84109mm4 max=SQmax2I=1.53351051.9510721.841096=135.43MPa=140MPa Q235=95MPa 16Mn所以应该选择16Mn钢进行箱形梁的制造。2.3 主梁的静刚度计算1、挠度许用值的确定f=170011000L=17001100022500=32.1422.5mm选取严格的挠度许用值f=22.5mm。2、挠度计算主梁中部截面对水平重心轴x-x的惯性矩I中（mm4）E为弹性模量，对于钢可取E=2.0105（N/mm2）I中=B136+2B1h+122+h36=4901036+249010（1230+102）2+6123036=5.63109mm4 自重引起的最大挠度fqmax= -5qL4384EI中= -53.1822500438421055.63109= - 9.42mm额定载荷引起的最大挠度fQmax= -PL348EI中= -101039.82250034821055.63109= - 20.65mm垂直最大挠度f=fqmax+fQmax+fs=- 9.42 - 20.65+22.5= - 7.57mmf=7.57mmf=22.5mm所以选用16Mn钢的静刚度校核合格。.第3章 焊脚尺寸的设计及校核3.1 主梁的角焊缝据焊接工艺简明手册4表7-6知，当7mm=10mm18mm时，焊脚尺寸选K=4mm。hf=0.7K=0.74=2.8mmS1=B1H0+12=49010750+102=1862000mm3焊缝剪切应力=QmaxS12hfI端=1.5335105186200022.81.84109=27.71MPa据焊接结构学5中表4-12和表4-13知，16Mn钢的焊缝剪切应力许用值=166.5MPa。所以，即选用4mm焊脚高度合适。据起重机计设计手册3表2-2-2选出筋板的焊脚尺寸K=6mm。3.2 主梁与端梁的角焊缝据起重机计设计手册3，主梁与端梁以角焊缝焊接，有公式h=Rmax0.7Klfh。式中h为角焊缝切应力、Rmax为主梁最大支反力、lf为焊缝长度之和、h为焊缝剪切强度许用应力。据起重机计设计手册3中表2-2-2选K=6mm，据表2-2-3可以得出hh=母材2=2302=162.63MPalf=2B+2h+41+2B-b-2-45=2490+21230+410+2490-450-210-20=3540mmRmax=12P+G+Gq2=1210103+4103+7.31039.8=1.05105Nh=Rmax0.7Klf=1.051050.763540=7.06MPah所以所选焊缝形式及焊脚尺寸强度校核合格。第4章 装焊工艺4.1 基本要求4.1.1 对焊工的要求受力构件应由持证焊工施焊。从事制造、安装、修理起重机的受力构件的焊工必须进行考试，对考试合格者发给焊工合格证(已取得锅炉、压力容器焊工合格证的可不再另行考试)，凡考试不合格者不得从事起重机受力构件的焊接（起重机的主要受力构件指：主梁、端梁、支腿、塔架、臂架等）。4.1.2 对设备的要求要根据焊接方法正确选择焊接设备。据MAG焊选择NBC-630（直流）型焊机。4.1.3 对材料的要求1、根据使用条件确定母材种类、厚度。根据市售钢板尺寸确定拼板时共有多少条拼接焊缝。2、确定焊接材料的种类和规格焊接材料应选用性能高于或等于相应母材标准规定值的下限或满足图样规定的技术要求。还保证力学性能，且需控制抗拉强度上限。选用熔化极气保护焊，则应确定保护气体种类和气体流量，焊丝牌号和直径。4.1.4 坡口和焊缝形式的选择拼板采用对接焊缝，根据板厚、焊接方法和加工能力，坡口形式选择I型坡口。箱形梁的角接头通常采用角焊缝。根据焊缝的受力情况、部位、焊接方法及装焊顺序，角焊缝选择单面连续角焊缝以及双面连续角焊缝。4.1.5 对环境的要求 桥式箱形梁一般制造时都在室内，所以对环境要求较小。只有湿度和温度要求。一般要求湿度小于90%，温度大于-10。4.2 焊前准备4.2.1 焊接方法主梁的上下盖板及腹板的对接采用MAG焊，腹板的下料采用微机控制，筋板用剪板机进行下料。为了保证主梁的几何尺寸，在盖板、筋板、腹板定位焊完成后，按照工艺确定的电流、电压、焊接顺序、焊接方向、焊缝的分布进行二人、四人对称焊接，确保结构受热均匀，变形在控制范围内，然后在平台上进行桥架起吊翻转焊接。在结构件的生产过程中，根据生产过程的检测结果，采取变换支撑点，变换焊接顺序，采用定位工装 ，配合火焰矫正等方法来控制和修复结构的变形，保证起重机的上拱度，同一截面高低差，垂直度等几何参数达到国家标准要求。1、主梁下料采用自动火焰切割方法。a、盖板下料 将上、下盖板校正后在对接长度方向上放400mm的工艺余量。b、腹板下料 腹板矫平后首先在长度方向上拼接，然后左右两侧腹板对称气割，以防主梁两侧腹板尺寸不同，引起主梁的扭曲变形。为使主梁有规定的上拱度，腹板下料时，需放22.5mm的拱度，并且在离中心处不得有接头，为避免焊缝集中，上下盖板与腹板的接头应错开，距离不小于200mm，腹板下料后长度误差为10mm。2、坡口制备 所有对接焊缝均采用坡口，间隙为2mm。角焊缝也不开破口。上盖板与腹板的角接采用双面焊，下盖板月腹板的焊接采用单面焊。4.2.2 备料及下料1、气割零件的边缘和气割焊接坡口面应清除挂渣飞溅，对重要的焊接接头（如上盖板对接焊缝），其坡口面必须用砂轮打磨光亮。2、应对焊件坡口两侧10mm范围内进行油、锈、漆、垢、毛刺等清除干净，且不得有裂纹、夹层等缺陷。3、盖板（=10mm）（1）对已选定的16Mn材料进行校平、喷丸等预处理。（2）上盖板重846.62Kg，下盖板重850.56Kg。（3）切割：选用宝钢钢板规格可自定，定制长宽为8500490mm，使用数控氧乙炔火焰切割加工成两块7010490mm和一块8020490mm的三块板，对边缘进行精打磨，每边打磨量不超过2mm。（4）选用MAG焊对板材进行拼接（对接前采用夹具固定，且采用压具以防止波浪变形，两端使用引弧，收弧板），并对焊缝表面进行清理，使形成平角焊缝。（5）预置拱度：fs=22.5mm。腹板拱度要求焊切割伤、下拱度曲线，应同时同向切割。腹板拱度要求焊切割伤、下拱度曲线，应同时同向切割。上盖板下料的长度方向的加工余量为：2.5L1000=2.522500100057mm下盖板下料的长度方向的加工余量为：1.5L1000=1.522500100034mm4、腹板（=6mm）（1）对已选定的16Mn进行校平到喷丸预处理。（2）腹板单重1224.8Kg，总重2449.6Kg。（3）切割：选用宝钢钢板规格可自定，定制长宽为85001230mm，使用数控氧乙炔切割腹板，上下弦为预置上拱，号板切成长宽为83001230mm的板和两块号板切成长宽为69001230mm的板。号板的一端切成直角梯形，（上底+下底）高为（750+1230）2225mm的板。然后对材料进行精整打磨。（4）开坡口：=6mm，据简明焊工手册6知板厚小于10mm无需开坡口。即“I”型接头。（5）与盖板一样采用MAG焊进行拼接。（6）下料拱度：在腹板两侧到中心的位置需要有渐升式的拱度，拱度最大处为22.5mm。5、大小筋板（=5.5mm）（1）主梁大筋板单重23.7Kg，总重237Kg；纵向筋条单重9.2Kg，总重165.6Kg。主梁端部大筋板单重19.14Kg，总重38.28Kg；纵向筋条单重5.24Kg，总重41.92Kg。小筋板单重5.83Kg，总重460.57Kg。（2）大筋板切割成1220450mm的板12块，小筋板切割成300450mm的板79块。注意下料时将宽度方向两角切出88mm的等腰三角形，为使盖板能与腹板焊接成型。6、纵向筋条采用标准件60605-GB/T 706-2008Q235-A-GB/T 700-2006利用带锯进行大批量切割方法下料。 7、桥式起重机各部件所用钢材需要做防锈处理。8、主梁上、下盖板和腹板下料时，要保证使焊缝在组成箱形梁后不再同一截面，而且相互错开；主梁跨度中心左右2000mm内不允许有拼接焊缝。9、上、下盖板用刨边机下料。4.3 焊接工序采用随装随焊的焊接工艺。本次焊接过程中全程采用MAG焊，据起重机计设计手册（第二版上卷）3中表1-8-24选用气体80%Ar+20%CO2，据焊接手册6表7-12焊丝采用ER55-1型焊丝。4.3.1 定位焊缝 焊接定位焊缝时必须注意以下几点： 1、定位焊焊缝应与最终焊缝有相同的质量要求，焊接材料不能随意选择，必须与以后正式焊接时相同； 2、定位焊缝余高不宜过高，必须保证熔合良好，与母材平缓过渡，防止正式焊接时出现未焊透缺陷；3、为防止未焊透等缺陷，定位焊时焊接电流应比正式焊接时大10一15，定位焊缝不能焊在焊缝交叉处或焊接方向发生急剧变化的地方，通常至少离开这些位置50mm以上，定位焊缝应填满弧坑；4、若定位焊缝出现缺陷，必须铲除缺陷，重新进行定位焊；定位焊缝要有足够的强度且不能开裂，为防止焊接过程中开裂，应尽量避免强制装配，必要时可增加定位焊缝的长度，并减小定位焊缝的间距。4.3.2 装焊顺序装配焊接顺序如图4-1所示。图4-1 装配焊接顺序1、上盖板置于支撑平台上，并加压板固定。在地上铺好已拼接好的上盖板，在两端加凸台，使其中间向下弯曲，弯曲程度等于预置的上拱度，即中点处向下挠22.5mm。盖板对接MAG焊焊接工艺如表4-1或附录1。表4-1 盖板对接焊工艺电流（A）电压（V）焊速（m/min）焊丝直径（mm）气体流量（L/min）电流种类和极性45032421.625负极性2、在上盖板加装大筋板和小筋板并对其进行定位及焊接。3、加装腹板，定位焊其与盖板、筋板。焊接时需两侧同时对称焊接其与盖板的焊缝。盖板、腹板与筋板的角接MAG焊工艺如表4-2或附录2。表4-2 盖板、腹板与筋板角接工艺电流（A）电压（V）焊速（m/min）焊丝直径（mm）气体流量（L/min）电流种类和极性45032421.625负极性4、加装筋条并对腹板和筋条进行定位焊，然后进行大小筋板、筋条与腹板的焊接。5、加装下盖板，并两侧同时进行对称焊接。盖板与腹板的角接MAG焊工艺如表4-3或附录3。表4-3 盖板、腹板与筋板角接工艺电流（A）电压（V）焊速（m/min）焊丝直径（mm）气体流量（L/min）电流种类和极性450324201.625负极性6、测量挠度：在上盖板平面上的两端固定一根细钢丝绳，使其滑移到不同的位置，在这个过程中钢丝绳保持水平，检验大梁的上拱度。4.4检验1、对焊缝进行探伤检测首先清除焊缝表面污垢、油脂、氧化皮、焊接药皮、焊渣和飞溅等。对于上盖板的对接焊缝，用干粉法磁粉检测，探伤标准符合GB/T 2695-2011，对于单面或双面角焊缝进行超声波检测，探伤标准符合JB1152规定的级。上盖板下料后，毛刺和凹凸不平应铲除，毛刺高度不应大于0.5mm，划痕不得大于1mm。采用气割下料，气割后气割面与轨制面直偏差不应超过2mm，气割表面不平度不应超过11.4mm。对接后要对余高进行机械加工，从而减小应力集中。对于下盖板，采用机械压弯方法进行折弯。2、上拱度的检验在上盖板平面的两端固定一根细钢丝绳，使其水平，将其滑移到不同位置在此过程中保持水平，检验大梁的上拱度。3、 挠度的检验在垂直腹板的两端一米高的地方，固定一根悬线，检查大梁在水平面内的挠度，在安装大隔板的地方测量大梁挠度，其值不应超过2.25mm。4、 变形量的检验检验各板的变形量