A型门式起重机双刚性支腿算例.doc

太原科技大学毕业设计说明书计算项目设 计 计 算 内 容设计结果+第一章 绪论设计摘要：本次设计为40tA型双梁门式起重机结构设计；门式起重机实现港口货场装卸作业效率，减轻工人劳动强度，改善工人操作条件；是货场重要的起重运输机械。A型双梁门式起重机主要由双主梁 四条刚支腿以及马鞍上下横梁组成门式起重机的主要金属结构。关键字：A型门式起重机 结构 跨中 悬臂Abstract：The design for the 40 t A dual-beam structure design gantry crane；Gantry crane to achieve operating efficiency of the port loading and unloading freight yard，Workers to reduce labor intensity and improve conditions for workers to operate；Gantry crane was lifting the freight yard important transport machinery；A dual-beam gantry crane mainly from two main beam，two rigid outrigger，two flexible outrigger， two the saddle and beams of top and bottom gantry crane of the main metal structure.Keyword： A dual-beam gantry crane Metal structure Middle of span Cantilever第二章 设计参数2.1 总体参数起重量：Q=40/15 总长 L0 =30m工作级别A6 起升高度：16m起升速度： 工作风压; q=150Pa大车参数大车运行速度：V =35m/min 大车轮距（基距）：B=12.2m悬臂全长：L=6m 有效悬臂长度：l=3.5m整机总重：M总=10Q=400t 主梁自重；M主=95t轨道，电气设备以及栏杆重约为22t小车参数小车自重；Gx=12t 小车轨：P24 小车轮距：b=4m 小车轨距：K=3m 小车轨面到小车最高点的高度：1.65m小车轮压分配比例（左/右）；1：22.2 主梁跨度和悬臂的最优比例确定；图2-1要使上部主梁最轻，必须满足； MAg=MBg=MCg （2-1） MAp=MBp=MCp (2-2)式中MAg，MBg主梁自重引起支腿处弯矩MCg主梁跨中由自重引起的弯矩MAp，MBp，MCp移动载荷引起主梁支腿处和跨中的弯矩将MAg=MBg=1/8q（L0-L）2，MCg=qL2/8-q（L0-L）/8，代入（2-1） q(L0-L)2/8=qL2/8-q(L0-L)2/8经整理得；2q（L0-L）2-qL2=0L=（2-）L0=0.568L0L=0.56830=17.58m 将MAp=p（2L0-L/2-2a-b）=MBpMCp=p/2L（L-b/2）2 代入（2-2） p（L0-L）-2a-b=p（L-b/2）2/2L 将L0=30m，a=1m，b=4m代入上式经整理得 3L2-52L+4=0L17.25mL=（17.58+17.25）/2=17.48m考虑到最优跨度应取L=18m ， 悬臂长度l=6m2.3 计算系数 起升冲击系数：1=1起升动载系数：2=2min+2Vq =1.15+0.514.2/60 =1.1 运行冲击系数：4大=1.1+0.058Vy =1.1 +0.05835/60 =1.14小=1.14加减速动载系数5=1.5动态试验载荷起升动载荷系数6=0.5(1+1.18)=1.11缓冲器碰撞弹性效应系数7=1.25 第三章 主梁计算3.1主梁参数的确定3.1.1 主梁尺寸主梁高度： 取主梁高：主梁宽度： 取主梁宽图3-1主梁采用偏轨梁结构，主腹板厚：1=10mm，副腹板厚2=10mm：，翼缘板厚：，截面简图如上图。3.1.3 截面几何性质形心位置：X=496mm, Y=920mm截面惯性矩：，抗弯截面模数： 3.2.主梁载荷计算3.2.1移动载荷 移动载荷应考虑动力效应并以轮压的形式作用在门式起重机主梁上，小车轮压可按下式计算 P =1Px+2PQ =160000+1.18200000=300000N式中 PQ额定起升载荷引起的轮压PQ=20t=200000NPx小车自重引起的轮压Px=12t/2=60000N1,2分别为起升冲击系数和动载系数1=1，2=1.13.2.2惯性载荷小车起，制动的总惯性力为：Pxg=（Px+PQ）=0.14（200000+60000）=36400N=36.4KN式中车轮沿轨道的静摩擦系数 =0.14式中其他意义同上式大车起制动时，小车产生的总惯性力为：PxH=0.1（PQ+Px）=0.1（40+12）=5.2t=52KN3.2.3起重机偏斜运行时的水平侧向载荷大车偏斜运行时：Psd=0.5P=0.515200.05=38KN式中P小车位于有效悬臂处时最大P为 1520KN水平侧向载荷系数=0.053.2.3风载荷计算主梁工作时的最大风载荷P主风=CKhqA=1.3115054=10.53KN式中C风力系数C=1.3Kh风压高度系数Kh=1q作用在起重机上的最大工作风载q=150paA主梁迎风面积考虑到折减因素A=（1+）A1=（1+0.2）301.5=54m2其中挡风折减系数=0.2A1前片主梁迎风面积A1=45m23.3垂直平面内力计算（一）主梁自重引起的支反力及内力。计算简图如下图3-2（a）图3-2（b）q梁=m主/L0=95/30=3.2t/m=32KN/mFA=FB=q梁（L/2+l）=32（18/2+6）=480KNMC=MD=q梁l2/2=3262/2=576KNM中点= S2/8-MC=32182/8-576=720KNQD右=QC左=q梁S/2=3218/2=286KNQD左=QD右=q梁l=326=192KNF=36KN （二）移动载荷位于有效悬臂位置时主梁的内力如图：图3-3支反力: FA=2p（S+L-b/2）/S=2200（18+3.5-4/2）=433.3KN式中P小车轮压，由于轮压1:2分配故轮压取较大值P=230/3=200KNS跨度S=18ml有效悬臂长度l=3.5mb小车轮距b=4mFB=-2p（l-b/2）/S=-2200（3.5-4/2）/18=-33.3KN式中符号意义同上式F=2.1KN式中H起升高度H=16mk系数k=IH/I1S其中I是主梁截面惯性矩I=2.61010I1是支腿折算惯性矩I1=2.2109系数k=2.6101016/2.210918 =11.8式中其他符号意义同上式。弯矩： MC=FH=2.116=33.8KN式中符号意义同上式。 MDmax=-2P（l-b/2） =-2200（3.5-4/2）=600KNm式中符号意义同上式。剪力： QA=QB=F=2.1KN QC=FB=33.3KN QD左=2P=2200=400KN（三）移动载荷在主梁跨中的内力如图： 图3-4支反力： FA=P（1-b/2S）=200（1-4/218）=177.78KN式中符号意义同上式。FB=P (1+b/2S)=200(1+4/218)=222.2KN式中符号意义同上式。F= =6KN式中符号意义同上式。弯矩： MC=MD=-FH=618=-96KNm式中符号意义同上式。 Mmax=FA（2S-b）/4+MD =177.78（218-4）/4+96 =1518.24KNm式中符号意义同上式。剪力： QD=FA=177.7KN QC=FB=222.2KN QA=QB=F=6KN(四)小车制动力引起的内力如下图： 图3-5支反力： -FA=FB=HPxgS =36.416/18=2.02KN式中Pxg小车起制动时的惯性载荷，Pxg=36.4KN 式中其他符号意义同上式。F=0.5Pxg=0.536.4=18.2KN式中符号意义同上式。弯矩： -MC=MD=FH=18.216=291KN式中符号意义同上式剪力： QA=QB=F=18.2KN QC=FA=18.2KN3.4水平平面内力计算主梁在水平面内主要作用载荷为水平惯性力，风力和侧向偏斜力。（一） 大车制动时，主梁自重产生的水平惯性力P梁水为P梁水=G梁n主n总1-HB式中 车轮沿轨道的静摩擦系数，=0.14G梁根主梁自重，G梁=950KNn主大车主动轮，n主=4n总大车总轮数，n总=8H起升高度，H=16mB大车轮距，B=12.2mP梁水=0.14950 0.51-1612.20.14=80KNq梁水=P梁水L0=80/30=2.67KN/m式中L0是主梁全长主梁在水平面内的计算简图可近似的视为静定简支梁。根据主梁和支腿的连接情况，用一个系数来考虑用简支梁计算内力引起的误差。主梁水平面内的计算简图和作用载荷如下图。图3-6小车位于跨中位置，跨中最大弯矩： M中max水=Mq梁水+Mq主风+MPxH式中Mq梁水主梁自重水平惯性力引起的水平弯 Mq梁水=q梁水S2/8-q梁水L2/2=2.67182/8-2.6762/2=60.1KNMq主风主梁侧向风力引起的水平弯矩Mq主风=q主风S2/8-q主风L2/2=351182/8-35162/2=7.8KN其中q主风=P主风/L0=10.5/30=0.35KN MPxH大车制动时小车产生的惯性力水平弯矩 MPxH=PsH（S-b/2）22S=55（18-4/2）2218=391KNm 修正系数，=0.5 M中max水=60.1+7.8+3910.5=263.5KNm小车位于悬臂端时，按简支悬伸梁计算内力，不必修正。 图3-7 支反力： FD=2PxH（1+l/S） =252（1+3.5/18）=124.2KN 式中符号意义同上。 FC= 2PxHl/S =2523.5/18=20.2KN 弯矩： MD= 2PxHl=2523.5=364KNm 剪力： QD左=252=104KN水平面内由侧向歪斜力引起主梁的水平弯矩如下图：图3-8弯矩： Msd=PsdS=3818=684KNm 剪力： Qsd=Psd=38KN 3.5主梁承受的扭转载荷引起的扭矩计算起重量及小车重量引起的扭矩如下图：图3-9M扭1=Q（B2+e）+Gx（B1+e）式中Q起重量，Q=40tB2吊钩中心至轨道中心之间的距离，B2=k/2=3/2=1.5m其中k为小车轨距。B1小车中心至轨道之间的距离，B2= B1e主梁弯心至轨道中心之间的距离，可近似用下式计算;e=2B0/(1+2)，其中1为主腹板厚， 2为副腹板厚B0尺寸如图3-9e=10910/（10+10）=455mm M扭1=40（1.5+0.455）+12(1.5+0.455) =1014KNm大车制动时，小车轮压水平惯性力引起的扭矩： M扭2=2Pxgh/2 =236.41.8/2 =65.52KN由侧向歪斜力引起的扭矩： M扭3=Psdh=381.8=68.4KN3.6主梁危险截面的强度验算：主梁的危险截面，是指梁上弯矩或剪力最大的截面，对于有悬臂的门式起重机，跨中和支承处截面都可能出现最大弯矩，故两处都需验算。(一)正应力计算:起重机主梁是薄壁构件，对薄壁构件，由于支座的约束条件，载荷条件，杆件截面变化等因素，将引起薄壁杆件的约束扭转，产生约束正应力和剪应力。实践和理论分析证明，对于偏轨箱形梁，由于盖板较宽等因素，引起梁的约束弯曲正应力，在数值上约为自由弯曲的10%。为简化计算，约束弯曲正应力和约束扭转正应力可不必详细计算，而在应力公式中用一系数考虑它们的影响。由于考虑到垂直弯矩和水平弯矩同时作用，截面相同点上正应力叠加。=1.15（）=1.15（）=88.9Mp=175.4Mp式中为小车在跨中时的弯矩 =+=1518.24+720=2238.24KNm其中为小车在跨中引起的弯矩，为主梁自重在自跨中引起的弯矩。=1518.24KN=720KN水平力引起的最大弯矩=263.5KNm，抗弯截面模数=，= =65.6Mp式中小车在支腿处主梁所受的最大弯矩 = 其中为小车在支腿处引起的为主梁自重引起的水平力在支腿处引起的最大弯矩 =684KNm式中其他符号意义同上式。（二） 剪应力计算图3-10垂直载荷引起腹板上的剪应力用下式计算（如上图）式中支承处剪力=QD左=2P=400KNSx梁截面的一部分对中性轴的静矩Sx=5.2107mm Ix截面惯性矩Ix=2.61010mm4 12主副板厚度都为10mm在水平载荷作用下，翼缘板上的剪力 y =Q水SyIy20=1.041032.8107/9.210920=15.83Mp式中Q水支撑处水平剪力Q水=104KNSy梁部分截面对y-y轴的静矩Sy=2.8107mm3Iy梁截面面对y-y轴的惯性矩Iy=9.2109mm40上下翼缘板的厚度都为10mm在扭转载荷作用下，按纯扭转计算，忽略约束扭转剪应力和约束弯曲正应力，计算公式为：主腹板; 主=M扭/2A1=1014103103/21.6510610=31Mp式中M扭作用于梁支承处的扭矩M扭=1014KNm 1主腹板厚度1=10mmA封闭截面的轮廓面积A=h0B0=1.65106mm2由于上下翼缘板和左右腹板的厚度一样所以副腹板和翼缘板上的扭转剪力和主腹板上的剪力是相同的。 副=主=31Mp 翼缘板=主=31Mp各种载荷引起的同一点的剪应力叠加：主腹板中点剪应力： 主中=x+主=71Mp副腹板中点剪应力： 副中=x+副=71Mp翼缘板中点剪应力; 翼中=y+翼=46.83Mp（三） 挤压应力验算;挤=P主（2b+5）=30000010（2107+5）=137Mp式中挤小车最大轮压挤=300000N b自轨顶至腹板上边缘的距离b=107mm 主主腹板厚度主=10mm对正应力和切应力都比较大的断面，应按强度理论验算合成应力： 合=2+32=88.92+3712=152Mp3.7 门架结构的刚度计算门架平面内的垂直位移，具有两侧刚性支腿的门架，应按起重机静止不动，外部一次超静定钢架结构计算主梁跨中和悬臂端的静挠度。当满载小车位于跨中时，门架主梁跨中静挠度为： Y1=PS348EI-3PS364（2k+3）EI=260000183482.61051062.6101010-12- 326000018364（216.35+3）2.061051062.6101010-12 =5.53mmYs式中P单根主梁上小车静轮压之和 P=（Gx+Q）/2=（12+40）/2=26tI单根主梁跨中截面惯性矩 I=Ix=2.61010mm4 S跨度S=18m k计算系数k=16.35 H门架计算高度，取H=16m E钢材弹性模量E=2.06105Mp Ys许用静位移Ys=S/500=36mm当满载小车位于悬臂端时，门架主梁悬臂端的静挠度为：Y2=Pl33EI2+PSl23EI-3Pl2S4（2k+3）EI=2.61053.5332.061051062.6101010-12+2.61053.521832.061051062.6101010-12-32.61053.52184(216.35+3)2.061051062.6101010-12=4.1mmYl式中l有效悬臂长度l=3.5mI1单根支腿的惯性矩。变截面支腿取折算惯性矩I1=1.251010mm4I2主梁悬臂端的截面惯性矩I2=2.61010mm4Yl许用静挠度Yl=10mm 所以刚度合格。3.8 主梁稳定性验算一 整体稳定性 h/b=1800/900=250 式中b主梁截面两腹板间距b=90mm 腹板厚度=10mm 需要在上翼缘板设置一条纵向加劲肋。加劲后区格宽厚比为： b/=450/10=4550（满足要求）2. 腹板的极限宽厚比和加劲肋设置b/=1800/10=180 式中b腹板高度b=1800mm 腹板厚度=10mm当160180240时，除设置横向加劲肋外，还需在腹板板最大受压区设置一条纵向加劲肋将腹板分割成上下两个区格。纵向加劲肋设置在距腹板受压边h1=（1/5-1/4）h0处，如下图h1=400mm 图3-11横隔板加劲肋尺寸：a1（h0-h1）h0-h11-2=1390（1800-400）11.11800-40010-990=3700mm取a=2500mm三 加劲肋尺寸的构造1 腹板尺寸外伸宽度： bs1.2（b/30+40） =1.2（1800/30+40） =100.6mm 式中b腹板的总宽度即腹板高度b=1800mm厚度： sbs/15=100.6/15=6.7mm采用不等边角钢1107082 上翼缘板外伸宽度： bs1.2（b/30+40） =1.2（900/30+40）=84mm式中b上翼缘板宽度b=900mm厚度： sbs/15=84/15=5.6mm采用不等边角钢905673 横隔板尺寸 在箱型梁中，为减轻自重，常将隔板中部开孔，但空孔的周边板宽不得大于20，为隔板厚度，开孔周边可镶边，=8mm。如下图： 图3-12第四章 支腿计算4.1 支腿几何尺寸 图4-1支腿上部截面如图4-1惯性矩： Ix=2.77104mm4 Iy=9.7109mm4支腿下部截面如图4-2 图4-2惯性矩： Ix=2109mm4 Iy=2109mm4支腿折算惯性矩处的截面如图4-3 图4-3惯性矩： Ix=2.2109mm4 Iy=6.2109mm44.2支腿内力计算 （一）支腿受均布载荷内力计算如下图： 图4-4支反力：FA=FB=Fqb/2=2.27/2=7.7KN 式中Fq马鞍自重的均布载荷Fq=2.2KN/m F=Fqb2h1b+2a（3+2k1）12I3BA+h123I3(3+2k1) =2.210372167+24.5（3+21.37）123.610910-1212.2918+162733.610910-12（3+21.37）=2.5KN式中AA为下横梁截面积A=180000mm2 k1计算系数k1=1.37图上其他尺寸分别为b=7m，a=4.5m，Ht=16m，B=12.2m弯矩：MC=MD=FAa-FHt =77004.5-250016 =-5340Nm Mq=FA（a+b/2）-Fqb2/8-FHt =7700 (4.5-7/2)-220072/8-250016 =8125Nm(二)起升载荷引起的内力计算如下图; 图4-5 支反力：N1=N2=VA=300KN H=-1P11其中11=h13EI123lh1+I1I32h2h11+12h2h1+h/h21+23h2h1+bh1(1+h2h1) =1632.11051066.210910-122316.2516+6.21093.6810924161+12416+1/421+23416+7165/42 =9.2810-6m 1P=2VAh13EI113lh1ah1+I1I3a+ch1h2h1+12h/h2+12bh1（1+h2h1） =23001031032.11051066.210910-12131164.516+6.21093.681092+4.516416+121/42+1271654 =0.73m H=7.8104弯矩： M1=NAa-Hh1=3001034.5-7.810416=102KN M3=NA（a+c）-Hh1=300103（4.5+2）-7.810416 =702KN M4=NA（a+c）-H（h1+h3） =300103（4.5+2）-7.8104（16+4） =390KN（三）偏斜力引起的内力计算如下图：图4-6支反力： -FA=FB=PxHHt/B=5216/12.2=68.2KN 式中PxH大车制动小车引起的水平力PxH=52KN B大车轴距B=12.2m Ht起升高度Ht=16m F=PxHbHt26I（3+2k1）BA+Ht2b3I（3+2k1） =52103716263.6810910-12（3+21.37）12.20.18+162733.6810910-123+21.37 =26KN弯矩： MC=FBa-FHt=68.24.5-2616=-109.1KNm MD=FB（B-a）-FHt =68.2（12.2-4.5）-2616 =109.1KNm（四） 侧向风力引起的内力计算如下图： 图4-7支反力： -FA=FB=FwHt2B=19520212.2=159.8N 式中Fw工作时最大风压的均布载荷 Fw=CkhqB=1.311501=195N/m 其中B为支腿门架方向最大尺寸1m 其他符号意义同前。 F=FwbHt24I（6+5k1）BA+Ht2b3I（3+2k1）=1957203243.6810910-12（6+51.37）12.20.18+202733.6810910-12（3+21.37） =109N弯矩： MC=FBa-FHt=159.84.5-10920=-1460.9Nm MD=FB（B-a）-FHt =159.8（12.2-4.5）-10920 =-949.5Nm4.3支腿强度校核在门架平面内，支腿上端为危险截面，在支腿平面内支腿下端为危险截面，支腿时压