5t跨度16.5m双粱桥式起重机结构设计 计算说明书.docx

毕业设计全套CAD图纸请联系qq：68661508摘要本设计采用许用应力法以及计算机辅助设计方法对桥式起重机桥架金属结构进行设计。设计过程先用估计的桥式起重机各结构尺寸数据对起重机的强度、疲劳强度、稳定性、刚度进行粗略的校核计算，待以上因素都达到材料的许用要求后，画出桥架结构图。然后计算出主梁和端梁的自重载荷，再用此载荷进行桥架强度和刚度的精确校核计算。若未通过，再重复上述步骤，直到通过。由于桥架的初校是在草稿中列出，在设计说明书中不予记录，仅记载桥架的精校过程。设计中参考了各种资料,运用各种途径,努力利用各种条件来完成此次设计.本设计通过反复斟酌各种设计方案,认真讨论,不断反复校核,力求设计合理;通过采取计算机辅助设计方法以及参考前人的先进经验,力求有所创新;通过计算机辅助设计方法,绘图和设计计算都充分发挥计算机的强大辅助功能,力求设计高效。关键词:桥式起重机、校核、许用应力AbstractThe project designs metal framework of bridge crane in use of allowable stress method and CAD. At first ,I chose size assumably.Then, proofreaded the size.If the proof was not passed,must choose the size again up to pass the proof.If the proof was passed,it could carry on the specific structural design.At last,its plot and clean up the calculation process. Designed to make reference to the various of data in the process, make use of various paths, work hard to make use of the various of condition to complete this design in reason. I considered various design projects, discussed earnestly,calculated time after time, try hard for a reasonable design;via CAD and make reference advanced experiences,try hard for a innovatory design;via CAD,ploting and calculation can make good use of powerfull computer,try hard for a high efficiency design.I knew the various of design methods,newest machine design methods both here and abroad also found various of good data. Key Words:bridge crane,proofread,allowable stress目录第一章：桥式起重机金属结构设计参数1第二章 总体设计22.1 大车轴距22.2 梁尺寸22.2 其他设计32.21 大车运行机构的设计3第三章 主端梁截面积几何性质5第四章、载荷64.1 固定载荷64.2 小车轮压74.3 动力效应系数84.4 惯性载荷84.5 偏斜运行侧向力94.6 扭转载荷11第五章 主梁计算135.1 内力135.2 强度185.3 主梁疲劳强度225.4 主梁稳定性25第六章 端梁计算266.1 载荷与内力266.2 水平载荷386.3 疲劳强度326.4 稳定性346.5 端梁拼接34第七章 主梁和端梁的连接41第八章 刚度计算438.1 桥架的垂直静刚度438.2 桥架的水平惯性位移438.3 垂直动刚度438.4 水平动刚度44第九章 桥架拱度46总 结48参考文献49致 谢50附 录51计算项目设计计算内容计算结果第一章桥机金属结构设计参数第二章 总体设计2.1大车轴距2.2梁尺寸2.2其他设计2.21 大车运行机构的设计2.22隔板和加劲肋的布置尺寸第三章 主端梁截面积几何性质第四章载荷4.1 固定载荷4.2 小车轮压4.3 动力效应系数4.4 惯性载荷4.5 偏斜运行侧向力 4.6 扭转载荷第五章 主梁计算5.1 内力5.2 强度5.3 主梁疲劳强度5.4 主梁稳定性第六章 端梁计算6.1 载荷与内力6.2 水平载荷6.3 疲劳强度6.4 稳定性6.5 端梁拼接第七章 主梁和端梁的连接第八章 刚度计算8.1 桥架的垂直静刚度8.2 桥架的水平惯性位移8.3 垂直动刚度8.4 水平动刚度第九章 桥架拱度第一章 桥式起重机金属结构设计参数起重量： 5 t跨度S： 16.5 m工作级别： A5起升高度： 12 m小车轮距： 1.4 m小车轨距b： 1.14 m起升速度： 8m/min小车运行速度：22 m/min小车工作级别： M 5大车运行速度： 60 m/min第二章 总体设计2.1 大车轴距 = 3.58 m2.2 梁尺寸主端梁尺寸： 主梁高度：H1=114117S=11411716.5，取为880mm。端梁高度应略大于车轮直径，查起重输送机械图册上册起重机械中大车运行机构参数，5t跨度为16.5m的桥式起重机大车车轮直径为500mm。故取端梁高度为613mm。 主、端梁翼缘板厚度0=640mm，取值见表2-1。主梁腹板厚度为7.45mm，主梁腹板厚度为8mm。 梁宽与梁的水平刚度和焊接工艺有关，主梁B1150160S，且H1/B13;由此可得主梁宽度为460mm。端梁B2=470mm。主梁腹板间距d1300mm取d1为400mm。主梁（mm）端梁(mm)腹板高度860597腹板厚度7.458翼缘板厚度1010梁总高度880613梁宽度460480腹板内侧间距 b400410翼缘板104608470表2-1主梁宽度B1=d1+21+40=455mm,取为460mm。 端梁腹板间距d2=410mm，端梁宽度B2=d2+22+40= 465mm，取为470mm。主梁端部变截面长 d=()=(20634125) mm,取 d=2250 mm.端梁的长度为4110mm 图2-1 双梁桥架结构2.2 其他设计2.21 大车运行机构的设计由于本起重机跨度为16.5m，在起重机的常用跨度（10.5-32m）,大车运行机构的传动方案采用分别驱动。其大车运行机构的布置方式如图2-2所示图2-2分别传动的大车运行机构布置方式 1-电动机；2-制动器；3-带制动轮的半齿轮联轴器；4-浮动轴；5半齿轮联轴器；6-减速器；7-全齿轮联轴器； 8-车轮2.22隔板和加劲肋的布置尺寸 1 为了保证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。由于腹板的宽厚比b/=860/7.45=115.4（80，160）。 只需设置横向加劲肋。1）主梁端部隔板间距： ，取=0.9m。 主梁端部加劲肋的间距：。2）主梁中部隔板的间距： a=（1.52）h=（1.291.72）m，取a=1.5m。 隔板的外伸宽度为800mm； 主梁中部加劲肋的间距： 加劲肋外伸宽度为1.2(b/30+40)=1.2(860/30+40)=82.4mm,取为90mm；3）主梁隔板厚度：s1=8mm 加劲肋厚度 ，取为7mm。2、由于端梁腹板的宽厚比b/=597/8=74.680，故不需要设置任何加劲肋，且不需要验算腹板稳定性。第三章 主端梁截面积几何性质图3-1、a) 主梁截面 图3-1、b)端梁截面主梁端梁A22014mm2 17072mm2A0354525mm2252890 mm2Ix2.5307109 mm40.9719109mm4Iy2.2509109mm41.7757109mm4第四章 载荷 4.1 固定载荷（1）梁自重：由“机械装备金属结构设计”（记为“书一”，在本说明书中适用）中公式7-26 （4-1）式中 h-梁的高度，单位mm -箱形梁的两块腹板厚度，单位 mm -钢材密度，取为Q235钢，密度为7.8510-3g/ mm3S-梁的 跨度,单位mm-构造系数。梁同时有横向和纵向加劲肋时，=1.3。只有横向加劲肋时，=1.2。所以单根主梁的质量为 =288014.97.8510-316500（1.3-） =3283kg重量 =g=32839.81N=32206N单根端梁的质量为 =2613167.8510-34110（1.2-） =548kg重量 =g=5489.81N=5381N；端梁均布载荷；（2）小车轨道质量 查起重机课程设计（记为“书二”）中附表22 轨道选用轻轨15（线密度q=15kg/m）。 =qS=1516.5=247.5N 重量 =g=247.59.81=2410N（3）走台、栏杆等质量 =1280kg 重量 =g=12809.81N=12557N（4）半桥架总重量 半桥架总质量主梁的均布载荷 =2859.8N/m（5）一组大车运行机构的重量：查书二中表7-3得=4500N 重心作用位置=1.5m。（6）司机室重量：，重心作用位置=2.8m。4.2 小车轮压 起升载荷为 =g=12500N参考北京起重机研究所5t桥式双梁起重机成品，小车质量m=1010kg小车自重 =9908.1N小车轮压：查书二表7-4得小车轮压为 空载轮压 4.3 动力效应系数 起升动载系数 式中 =1.10； =0.34； =8m/min ；起升速度； 所以 =1.10+0.348/60 =1.145运行冲击系数 式中 =60m/min=1m/s；大车运行速度； H=1mm，轨道接头处两轨面高度差； 所以 =1.1+0.0581=1.158 4.4 惯性载荷 大小车都是4个车轮，其中主动轮各占一半，按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力 （1）一根主梁上的小车惯性力：考虑起升动载系数，则小车轮压为 ； ； 单根主梁上受到的总轮压=44655N（2）大车运行起制动惯性力（一根主梁上）小车质量和总起升质量产生的水平惯性力 式中 -动力效应载荷系数，查书一表3-4取为1.5； m=6010kg； -大车起制动平均加速度，为0.15m /s2 ； 由半桥架质量引起的水平惯性力 主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略。（3）小车起制动产生的水平惯性力 式中 -小车起制动时平均加速度，为0.098/s2 所以 4.5 偏斜运行侧向力4.5.1 满载小车在主梁跨中央 左侧端梁总静轮压按图4-1计算 图4-1、端梁总轮压计算=（49050+9908.1）+47186+14715（1-2.8/16.5）+4500+5381=74429.2 N由=16.5/3.2=5.16查得=0.129；侧向力=74429.20.129=4800.7N4.5.2 满载小车在主梁左端极限位置 左侧端梁总静轮压为(应稍大于小车轴距，取为1.5m)= =(49050+9908.1)(1-1.5/16.5)+47186+14715(1-2.8/16.5)+4500+5381 = 122879.4N侧向力 = =48270 N4.6 扭转载荷 由于水平、垂直载荷对主梁截面的偏心作用，因而产生扭转载荷（如图4-2）。（e=0.56m，=（440+91）mm=531mm=0.531m） 走台、栏杆的总重力及梁端机电设备重力引起的外扭矩： 水平惯性力引起移动集中外扭矩： 图4-2、主梁载荷偏心作用 主梁受到的总扭矩为 第五章 主梁计算5.1 内力5.1.1 垂直载荷 计算大车传动侧的主梁。在固定载荷与移动载荷作用下，主梁按简支梁计算，如图所示5-1 图5-1、 主梁计算模型 主梁距左支座x处由固定载荷引起的弯矩为：由移动载荷小车轮压的计算值和引起的支反力为： 有移动载荷引起x截面的弯矩为： 由移动载荷和固定载荷共同引起距左支座距离x处截面的弯矩为：（5-1）将公式（5-1）对x求一次导数并使之为0，即可得 将所得x值代入公式（5-1）后，求的主梁的最大弯矩为： =333040.7N即=333040.7N当小车一个车轮轮压作用在左支座处时，主梁跨端截面上有最大剪力，最大剪力为： =86180.5N满载小车在跨中时，跨中下翼缘板下侧的剪切力为： = =24962N5.1.2 水平载荷作用在主梁跨中的最大水平弯矩为： 式中 -大车起制动时的平均加速度，为0.15； g-重力加速度，为9.81；-主梁在垂直载荷作用下的最大弯矩，但不计算冲击系数和动力系数；由下式计算得： =304404.6N 因此可得主梁最大水平弯矩为： =1）水平惯性载荷：在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。K=3b=K=1.5 a=(-K)= (5.8-3)=1.3水平刚架计算模型示表图5-2 图5-2、水平刚架计算模型 小车在跨中。刚架的计算系数为 =1.1342 小车在跨端。跨端水平剪切力为： = =1770.6N2） 偏斜侧向力。在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平刚架分析（如图5-3） 图5-3、 侧向力作用下刚架的分析 a=1.09m；b=0.7m；这时，计算系数为 =1.295 小车在跨端。侧向力为 =7925.7N超前力为=1719.6N端梁中点的轴力为=859.8N端梁中点的水平剪切力为= （）=7925.7（-）=1444.4N主梁跨端的水平弯矩为= a+b=7925.71.09+1444.40.7=9650.1N.m主梁跨端的水平剪切力为=-=859.8N主梁跨端总的水平剪切力为=2530.4N 小车在跨端时，主梁跨中水平弯矩与惯性载荷的水平弯矩组合值较小，不需计算5.2 强度需要计算主梁跨中截面（如图3-1a所示）危险点1、2、3、4的强度1）主腹板上边缘1的应力= = =58.3MPa式中 n=1.34，为安全系数，从书一表4-11查取； 2）主腹板上边缘点2的应力： 主腹板边至轨顶距离为=144 mm主腹板边的局部压应力为 = =11.1 MPa垂直弯矩产生的应力为= =56.6 MPa水平弯矩产生的应力为= =0.34MPa惯性载荷与侧应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板的静矩为=10460（880-10）/2 =2001000 mm3 =0.002 m3主腹板上边的切应力为=MPa=3.268 MPa点2的折算应力为=+=56.94MPa= = =57.2 MPa=175 MPa3）点3的应力为=175MPa腹板对y轴的静距为： 4）点4处的局部弯曲应力：翼缘板的实际载荷如图（5-4）所示：根据轨道与翼缘板在力作用点处位移相等的变形协调条件，得接触支撑力： 式中 a=500mm，为主梁小隔板间距； b=400mm，为主梁腹板间距； =10mm。为主梁翼缘板厚度。=0.1514，为计算系数，从书一中表7-5查取。=2220 图5-4、翼缘板实际载荷图 因此 F= =568.64N 小车轨道的高度=91mm，轨道底宽=76mm。 取翼缘板压力区长=291+50=232mm。 d=mm。 则k=232/76=3.05 ； d/b=244/400=0.6 查书一表7-6得：=0.076；=1.061； 则翼缘板上表面的局部弯曲应力： 纵向 =-43.6MPa； 横向 =-60.5MPa； 箱形梁翼缘板上表面还受整体弯曲应力： =56.94MPa；翼缘板受双向弯曲作用，应验算复合应力：= = =68.11MPa=175MPa轨道与翼缘板之间的接触压应力不大，一般不需演算。横隔板是轨道的支承，当小车轮位于横隔板顶上时，隔板受最大轮压，轨道的接头应尽量位于横隔板处。5.3 主梁疲劳强度桥架工作级别为A5,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力，求截面E的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中则=333040.7空载小车位于右侧跨端时（如图5-5） 图5-5、 主梁跨中最小弯矩的计算左端支反力为 =261.2 Nz=（L-）/2=7.68m；=153750+1.158261.27.68=1560735.3.1 验算主腹板受拉翼缘板焊缝4的疲劳强度 = = =56.6MPa=26.5MPa 图5-5、 主梁截面疲劳强度验算点 应力循环特性 =0.46820根据工作级别A5，应力集中等级及材料Q235，查得MP，=380 MPa焊缝拉伸疲劳需用应力为 = =232.5MPa=56.66 MPa （合格）（1） 验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处5 =34MPa =22.2 MPa=0.650显然，相同工况下的应力循环特性是一致的根据A5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50 mm，应力集中等级为K3，查得=71MPa拉伸疲劳需用应力为=141.7MPa=56.66 MPa （合格）由于切应力很小，忽略不计 5.4 主梁稳定性5.4.1 整体稳定性主梁高宽比=2.23 （稳定）5.4.2 局部稳定性 翼缘板=4050，稳定； 翼缘板最大外伸部分=24/10=2.415 （稳定）腹板 =118.1需要设置横向加劲肋，加劲肋布置见第二章；不需要计算其截面惯性矩。第六章 端梁计算端梁截面已初步选定，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6.1 载荷与内力6.1.1 垂直载荷端梁按修改的钢架尺寸计算，=3.58 m, a=1.09 m, b=0.7 m, K=2b=1.4m, B=4.11 m, =0.265 m。主梁最大支承力=86180.5N ；因作用点的变动引起的附加力矩为零；端梁自重载荷为= 1310.4N/m端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图6-1端梁支反力为=+ =86180.5+ =89298.8 N 图6-1、 垂直载荷下端梁的计算截面1-1弯矩=- =89298.8 3.58/2-86180.51.4/2-(1.158/2)1310.4 2.0552 +17580.8 =113895.2 N.m剪力 =0截面2-2弯矩=a- = =113512N.m剪力 =- =89289-1028=88261N.m截面3-3弯矩 =0剪力 =- =89289-1.1581310.40.265 =88887N.m6.2 水平载荷端梁的水平载荷有、等，亦按简支梁计算，如图所示6-2截面1-1因作用点外移引起的附加水平力矩为=8830.204=180N.m弯矩 =a=8831.09=962N.m钢架水平支反力 = = =8135.5 N.图6-2、 水平载荷下端梁的计算剪切力 1.7=13830N轴力=2630.4N截面 2-2在、水平力作用下，端梁的水平支反力为=+ =8135.5+7925.7+883 =16944.2N水平剪切力=16944.2N弯矩为=a=16944.21.09=18469.2 N.m截面3-3水平剪切力 其他内力小，不计算截面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）截面 2-2截面角点= = =38.2MPa =175MPa截面3-3端梁支承处为安装大车轮角轴承箱座而切成缺口并焊上两块弯板8mm130mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8mm,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，支承处截面如图所示6-3。1）形心= = =118.4mm 图6-3 端梁支承处截面惯性矩为=58.6106mm4中轴以上截面静矩 S=8184（205+4）=307648mm3上翼缘板静矩 =8470（81.6-4）=291776mm3下翼缘板静矩 =8260（118.4-4）=237952mm3腹板中轴处的切应力为= =29.5MPa=100 MPaA=878410-6mm2上翼缘板切应力为=10.12MPa端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度（20.78mm=11.2 mm）比腹板厚度（8mm）大，故焊缝不需验算，截面3-3的水平弯矩小，忽略不计6.3 疲劳强度端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用6.3.1 弯板翼缘焊缝验算截面3-3的弯板翼缘焊缝满载小车在梁跨端时，端梁截面3-3的最大剪切力为=88873.3N空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为=31882.5N这时端梁截面3-3相应的剪切力为=31882.5-1309.20.265=31535.6N；弯板翼缘焊缝的应力为 = =16.1MPa=5.72MPa=0.355 0按查的=133 MPa，取拉伸式= = =234.8 MPa=166 MPa=0.0971.1；合格。 6.3.2 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=113895.2N. m空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为= =29192N这时的端梁支反力为=31882.5N端梁拼接截面1-1的弯矩为=31882.53.58/2-291820.7-1309.2(4.112)2=31113.5N. m翼缘板的平均应力（按毛截面计算）为 =35.5 MPa翼缘板传递的内力为= =35.58470=133480N端梁拼接处翼缘板面上布置有4-mm的螺栓孔，翼缘板净截面积为=（470-421）8=3110 mm2应力=133480/3110=42.9MPa=0.27320可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据A7和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=101 MPa翼缘板拉伸疲劳需用应力为= = =219.5 MPa若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些腹板应力较小，不再计算6.4 稳定性1)整体稳定性=1.443 （稳定）2)局部稳定翼缘板 =50.12560 （稳定）腹板 =74.62580故不需要设置加劲肋。6.5 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8mm470mm450mm及8mm470mm440mm腹板用单面拼接板8mm470mm570mm,精制螺栓选用M20mm,拼接构造及螺栓布置如图（6-4）所示 图6-4、 端梁拼接构造6.5.1 内力及分配满载小车在跨端时，截面1-1的内力为=52478N.m；剪力 =0=1196.6N.m；端梁的截面惯性矩为=0.9719109 mm4=1.7757109 mm4腹板对x和y轴的总惯性矩为=2.837108 mm4=1.3843108 mm4翼缘对x和y轴的总惯性矩为=6.8817108 mm4=16.372108 mm4弯板分配： 腹板 =N.m 翼缘 =36965.6N.m： 腹板 = =93.1N.m 翼缘 = =1102.7N.m水平剪切力分配剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为= =6915N；=4706=3760mm2；=5978=4776mm2轴力分配轴力按截面积分配一块翼缘板受轴力=2630.4477617072=735.9N一块腹板受轴力=2630.43760 17702=579.3N6.5.2 翼缘拼接计算由产生的翼缘轴力为=61100N一块翼缘板总的轴力为=+=579.3+61100=61679.3N；拼接缝一边翼缘板上有5个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为=12335.9N由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为=551.4Nm拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为= =3，可按窄连接计算=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2翼缘板角点螺栓的最大内应力为=827.1N角点螺栓顺梁轴的内力和为=+=827.1+12335.9=13163N水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为=1383 N角点螺栓的合成内力为=13235 N选精制螺栓M20mm,孔d=21mm, =8mm一个螺栓的许用承载力为剪切=96981N承压 =2181.8=52920 N （合格）6.5.3腹板拼接计算由对腹板产生的轴力为=222.7N一块腹板总轴力为=+=222.7+735.9=968.6N焊缝一边腹板螺栓平均受力，一个螺栓受力为=60.5N腹板垂直弯矩由两腹板承受，一块腹板的弯矩为=7757N.m拼接缝一边腹板上螺栓的布置尺寸为=5.53，属窄式连接 =550mm；=1102+3302+5502=423500mm2腹板角点螺栓的最大内力为=5037N腹板角点螺栓顺梁轴的内力和为=+=60.5+5037=5097.5N单剪螺栓的许用承载力=10.8175=48490.6 N （仍属合格）6.5.4 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x和y轴的惯性矩为=2188（307-4）2+4（552+1652+2752+3852）=2.941108 mm4=1.07805108 mm4端梁拼接处净截面惯性矩为=-=9.719108-2.941108=6.778108 mm4=-=17.757108-1.078108 =16.679108mm4全部板材的螺栓孔截面积为=218（8+10）=3024mm2拼接处净截面积为=A-=47082+59782-3024=14048 mm2端梁拼接处强度为= =24.2MPa （合格）显然，垂直载荷产生的应力是主要的。端梁计算中，载荷齐全，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。第七章 主梁和端梁的连接主、端梁采用连接板贴角焊缝连接，主梁两侧各用一块连接板与主、端梁的腹板焊接，连接板厚度=8