电动单梁门式桥梁结构的设计和支腿设计的结构设计

1、电动单梁门式桥梁结构的设计和支腿设计的结构设计1. 门式起重机发展概述门式起重机是桥上起重机的一种变形。在港口，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。 它的金属结构像门形框架， 承载主梁下安装两条支脚， 可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高、作业围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。其结构框架总图如下 :图 11 单梁门式起重机结构框架图国起重机发展动向 :国门式式起重机发展有三大特征：1） 改进机械结构，减轻自重国门式起重机多已经采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和减轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。 如 550

2、t 通用桥式起重机中采用半偏轨的主梁结构。与正轨箱形相比，可减少或取消加筋板，减少结构重量，节省加工工时。2） 充分吸收利用国外先进技术起重机大小车运行机构采用了德国Demang公司的 “三合一” 驱动装置，吊挂于端梁侧，使其不受主梁下挠和振动的影响， 提高了运行机构的性能和寿命， 并使结构紧凑，外观美观，安装维修方便。遥控起重机的需要量随着生产发展页越来越大，宝钢在考察国外钢厂起重机之后，提出大力发展遥控起重机的建议，以提高安全性，减少劳动力。3） 向大型化发展由于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站， 发电机组越来越大。特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速提升。国外起

3、重机发展动向 :当前，国外起重机发展有四大特征：1） 简化设备结构，减轻自重，降低生产成本法国 Patain 公司采用了一种以板材为基本构件的小车架结构，其重量轻，加工方便，适应于中、小吨位的起重机。该结构要求起升采用行星圆锥齿轮减速器，小车架不直接与车架相连接， 以此来降低对小车架的刚度要求，简化小车架结构， 减轻自重。 Patain 公司的起重机大小车运行机构采用三合一驱动装置，结构比较紧凑， 自重较轻，简化了总体布置。此外，由于运行机构与起重机走台没有联系，走台的振动也不会影响传动机构。2） 更新零部件，提高整机性能法国 Patain 公司采用窄偏轨箱形梁作主梁， 其高、宽比为 4 3.

4、5 左右，大筋板间距为梁高的 2倍，不用小筋板，主梁与端梁的连接采用搭接的方式，使垂直力直接作用于端梁的上盖板，由此可以降低端梁的高度，便于运输。3） 设备大型化随着世界经济的发展， 起重机械设备的体积和重量越来越趋于大型化， 起重量和吊运幅度也有所增大，为节省生产和使用费用，其服务场地和使用围也随之增大。4 ） 机械化运输系统的组合应用国外一些大厂为了提高生产率， 降低生产成本， 把起重运输机械有机的结合在一起，构成先进的机械化运输系统。2. 课题设计的容课题设计的主要容是主要设计的是 10t 电动单梁门式桥架结构的设计和支腿设计，其中包括断面形式，载荷，刚度和稳定性验算以及钢轨应力计算，对

5、桥架主梁和支腿进行结构设计和力学分析， 绘制桥架的结构图以及主梁， 支腿的零件图。 起重机的起重量为 10 吨，跨度 S 为 29 米，有效悬臂为 7 米，大车运行的速度为 20 米/ 分，在工作时，起升机构的起升高度能达到 9 米，起升速度为 20 米/ 分，在起升机构运动的同时，大车和下车可以同时进行直线运行， 小车运行速度最大可以为 20 米/ 分，大车运行速度最大可以为 20 米/ 分，电动小车采用 CD1型电动葫芦，起重机的工作级别为 M5。1. 主梁结构的设计1.1 电动单梁桥架结构简图单梁葫芦起重机一般采用工字钢作为电动葫芦的运行轨道，电动葫芦沿工字钢下翼缘运行，主梁结构采用钢板

6、焊接成形的U型槽钢，再与工字钢组成箱形实腹板梁，为保证起重机安全，正常地工作，主梁应满足强度，刚度和稳定性的要求。图 11 主梁结构简图1.2 主梁断面形式确定主梁截面为 U型槽钢与工字钢的组合， 截面尺寸可按静刚度条件进行初选，对于移动载荷，应小车轮距较小，近似的按集中处理，根据电动葫芦的参数，选定 30b 工字钢。主梁初选高度：1111H ()S() 29000 (1160 1933)mm15251525S 为主梁跨度， S=29000mm取 H=1450mm，上翼缘板厚度为14mm，腹板厚度为 6mm，主梁宽度为 650mm图 12主梁断面形式主梁断面面积查得主梁断面面积计算公式如下，以

7、下计算式均查自起重机设计手册 起重机设计实例F 05.(l 1 2 1) 2 1 h 2 2 l 2 F 1l 3=0.5 ×（ 65 2× 0.6 ） +2×0.6 × 88.1+2 ×0.6 ×43+67.3 1×11=245.5cm2主梁断面水平行心轴XX 位置式中主梁断面的总面积（2mm）各部分面积对2X X 轴的静矩之和（ mm）Y1x各个部分面积行心至2XX轴的距离（ mm）6(65026)13942665060026430315673210101106y124550=480mm主梁断面惯性矩5006350063

8、27.52266502665021012122673226430462940048.5200211010312cos4701284=6.3 × 10 mm650026506326650147.526193121212 sin 47 02643011023451011036.510 7 mm121.3 主梁载荷与力计算作用于起重运输机金属结构上的载荷，根据其不同特点与出现的频繁程度分为基本载荷、附加载荷及特殊载荷三类。本章主要结合，10T 电动单梁门式起重机，对其计算载荷进行分析，选择载荷组合方式，确定各个计算载荷.自重载荷与力计算对于有悬臂的门式起重机，其自重PG 门 =Q 起重量（

9、吨） ， Q=10TL 0 主梁全长， L0=S+2L=29+2×7=43mH 起升高度， H=9mPG门 =43.4T主梁自重为 :G ZL mZLg 4.3 ×104 ×9.8=4.2 ×105N计算金属结构时，箱型梁的自重视为均布载荷，用 q 表示，跨度 S=29m，有效悬臂长 L=7m，主梁总长 Lz =43m主梁自重的均布载荷： qZL G ZL / LZ =4.2 ×104 /43=9800N/m 主梁自重引起的力图 13 静载荷弯矩和剪力图支反力：VAVB Fq ( SL )9800( 297) 210700 N22C、 D 处静

10、载弯矩及剪力：M CFqL2980072240100 NmM D22跨中静载弯矩：M sFqS29800 292M c8240100 790125 Nm8移动载荷及力计算龙门起重机的起升载荷常以小车轮压的形式作用于主梁上。 进行轮压计算时， 小车视为刚性支架。小车采用电动葫芦代替电动葫芦轮压的计算表达式：Pt PXCi 'PQGPxc由于电动葫芦自重引起的轮压；PQG 由于吊重 Q 引起的轮压；i 、'i 可取 1'2、3或i 动力系数，或4 ，i 可取4NN5NP = PXC + PQG =9839.2+98000=1.1 × 10考虑动力载荷的作用 ,i

11、取4 ，'，起i 取 2 。因大车运行速度V=20m/min<60m/min升速度 =7m/min， =1.1 ， =1.2P i Pxc' i PQG =1.1 × 9839.2+1.2 × 98000=1.3× 105N移动载荷引起的主梁力（1）移动载荷位于跨端有效悬臂处支反力：FA2P2 130000(297)( SL 0)29322758NS剪力： QCQDF2P322758213000062758 N弯矩：（2）移动载荷位于跨中时图 14 移动载荷弯矩和剪矩图支反力：FAP(1b )130000(11.2 )127311N2S229

12、FBP(1b130000(11.2132689 N)2)2S29剪力：当其中一个轮压P 作用在跨中时，跨中剪力最大最大剪力为：F4P(1b )1.1 130000 (11.2 )142408 NS29M maxFA12731129 1.2) 1807816 Nm(2S b)( 2弯矩：44风载荷及力计算露天工作的起重机金属结构应考虑风载荷的作用。视风载荷是可能作用于任何方向的水平载荷。 对我们所讨论的常用起重机，只计算风压的静力作用， 不考虑风压的动力效应。按照起重机在一定风力下能否正常工作， 把作用于起重机金属结构的风载荷分为工作状态的风载荷和非工作状态的风载荷两类。 工作状态的风载荷是起重

13、机金属结构在正常工作情况下所能承受的最大计算风压； 非工作状态的风载荷则是起重机金属结构不工作时能承受的最大计算风压。工作状态和非工作状态的风载荷按下式PWCK h qAC 风力系数，与金属结构的外形、几何尺寸等有关；K h 风压高度变化系数；K h 1风振系数（对常用起重机 1.0 ）；A 结构或物品垂直于风向的迎风面积（ m2 ）；q 计算风压（ N / m2 ），迎风面的高度取 h=1.4， L / h 43/1.4=31, 根据起重机设计手册风力系数得 C=1.7，主梁迎风面积A=L × h=43× 1.4=60.2m2PW CK h qA=1.7×1&#

14、215;250×60.2=25585N2起升物品迎风面积，起重量Q=10T时， A=7m起升物品受风载荷设葫芦有效迎风面积A1.5m2 ，则葫芦上风载荷为主梁上的均布风载荷为：小车制动惯性力引起的主梁力当小车制动时，惯性力顺主梁方向引起的主梁力支反力：弯矩：1.4 主梁强度计算主梁强度计算按第II类载荷进行组合，对活动载荷由于小车轮距很小，可近似按集中载荷处理，验算主梁跨中断面弯矩正应力和跨端断面剪应力 , 跨中断面弯曲正应力应包括主梁的整体弯曲正应力和由小车轮压在工字钢下翼缘引起的局部弯曲应力两部分，合成后进行强度校核 , 梁的整体弯曲在垂直平面按简支计算，在水平面按刚接计算 .垂

15、直载荷在下翼缘的弯曲正应力式中其中 Q额定起重量， Q=10×103 kg电动葫芦自重， G=1004kg动力系数，对中级工作类型=1.2冲击系数，对操作室操纵室，=1.1主梁下表面距断面行心轴X X 的距离， y1=48cmJx主梁下表面距断面对X X 的距离， Jx=6.3 × 104cm4操作室重心到支点的距离，操作室的重量， =400kgq 桥架单位长度重量q=1000×F×V+q'其中 F 主梁断面面积， F=245.5cmV材料比重，对钢板V=7.85t/mq' 主梁横加筋板的重量产生的均匀布载荷， q' =7.5kg

16、/m q=1000× 0.02455 × 7.85 7.5=200kg/m48(1.2101031.11004)29001.14001001.1229002z1044286.3901.7kg / cm2图 1 5 垂直载荷在下翼缘的作用主梁工字钢下翼缘局部弯曲计算（1）计算轮压作用点位置i 及系数§I=+c-e式中， i 轮压作用点与腹板表面的距离（mm）C轮缘同工字钢翼缘之间的间隙，取c=4mm=（b-d ）/2= （ 12811） /2=58.5mme=0.164R（ mm），对普型工字钢，翼缘表面斜度为1/6R 葫芦走轮踏面曲率半径，可从葫芦样本查得R=17

17、5mme=0.164×175=28.7mm所以 i=58.5+4 28.7=33.8mm（2）工字钢下翼缘局部弯曲应力计算图 16 工字钢下翼缘弯曲应力图 14 中 1 点横向（在 XY平面）局部弯曲应力为，由下式计算式中翼缘机构型式系数，贴板补强取式取 =0.9 K 1 局部弯曲系数，查图得 K=2t0=t+ 其中 t 工字钢翼缘平均厚度，t=13.7mm补强板厚度， =10mmt 02=（ 13.7+10） =561.7mm图 14 中 1 点纵向（在 YZ平面）局部弯曲应力为，由下式计算式中， K2局部弯曲系数，查图得K2=0.60.90.625012.4 kg/mm2561.

18、7图 14 中 2 点纵向（在 YZ平面）拒不弯曲应力，由下式计算式中 K 拒不弯曲系数，查得K=0.4翼缘机构形式系数，贴板补强式取=1.5（ 2）主梁跨中断面当量应力计算图中 1 点当量应力，查得其计算式为2-（1z）（2当1122z）2（2.42(2.4 9.02)28.018.01） - 8.0110kg / mm 18kg / mm图 14 中 2 点当量应力当 2z39.022.6711.69kg / mm218kg / mm21.5 主梁刚度计算单梁门式起重机应对主梁的垂直静刚度和水平静刚度进行验算并必须符合要求 , 而对动刚度一般可不验算 , 只有在使用提出特殊要求时 , 如高

19、速运行或精确安装的起重机 , 尚需验算动刚度 .静刚度的验算式中 f _ 主梁垂直刚度（厘米）P_静载荷P=Q+G=1004+10×103 =11004KgL_跨度， L=2900cmE_材料弹性模量，对3 号钢 E=2.1×106Kg/cm244Jx_主梁断面垂直惯性矩， Jx=6.3 ×10 cm许用垂直静挠度，取f110042900 33.025 f 29002.11066.31044.1448700水平静刚度式中 _ 主梁水平静挠度（厘米）P1 _ 水平惯性力P 1=P/20=（ Q+G）/20=5502KgJ y_主梁断面水平惯性矩J y =6.5 &#

20、215; 103cm4许用水平静挠度取fv55022900 30.989 fv29002.11066.51041.45482000综上验算 , 主梁刚度合格1.6 稳定性计算（1）整体稳定性计算箱形截面主梁抗扭转的刚性比较大， 而且在水平方向也有一定的抗弯刚性， 所以可不计算整体稳定性（2）腹板局部稳定性计算主梁筋板的布置原则，当腹板只加垂直筋板，当腹板应布置垂直横筋板还要加一道水平纵向筋此时采用纵向加筋板离腹板受压力边缘高度：h1=（0.20.5 ）h0=（0.20.5 ）× 1450，取 h1=32cm，图 17 主梁纵筋板布置图横向加筋板设计，横向加筋板的间距按下式计算式中 3

21、, 4 _ 系数，按 <<起重机设计手册>>选取 , 取 3=1031, 4=2700h2_计算梁高h 2=h0h1=14.2_腹板局部挤压应力P_小车计算轮压 P=6500NH_腹板上边缘到轨顶的距离,h=14.2cm _腹板厚度 =0.8cm3h2103114.2304.4a145h2243.327000.440.40.8因为为正值, 所以=2(h-h)=226, 取=240, 短的横向加劲板的间距 =/4=60cm 横向加劲板的外伸宽度：b劲h01459cm4040 8.8cm，取 b劲30 30厚度： 劲=b 劲 /15=6cm1.7 钢轨应力计算小车钢轨活动弯

22、曲应力应满足式中 P_指小车最大轮压 ,P=130000N,1_主梁垂直加劲板之间最大的距离, =60cmW x_钢轨对自身水平轴线的断面模数,W=1.6×103cm3P 113000060812.51700kg / cm2轨1036 W轨6 1.6所以 , 钢轨应力满足要求2. 支腿的计算门式起重机支腿的力分析按门架平面和支腿平面分别进行。门架平面的支腿力,对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静定龙门架简图进行力计算；带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、 不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处，为计算龙门起重机支腿力的最不利工况。2.1 断面形式确定支腿在龙门架平面， 根据其

23、受力特点， 为提高支腿与主梁的连接刚性， 通常做成上宽下窄，上端连接宽度推荐取与主梁高度相同的尺寸， 下端宽度与下横梁的宽度相同，下横梁的宽度与大车运行机构的构造有关， 支腿平面，根据受力特点和构造要求，通常做成上端尺寸下而下端尺寸大的形式，上端尺寸根据支腿与主梁的连接计算确定。图 21支腿结构简图对于支腿上端面的宽度可以根据主梁的宽度来确定，取b=500mm，图 22 支腿上端面截面图 23 支腿下端面截面截面的几何性质b=500mm，h=500mm， 1 =10mm， 2=6mm2上截面：A=（2000 × 10× 2 480× 6× 2）=4576

24、0mm2000104802648010002000100.5Z 145760210mmZ 2=500210=290mm下截面：2A= （500×10×2+480×6×2）=15760mm5001048026480250500100.5244mmZ 115760Z2 =500 244=256mm2.2 支腿载荷及力计算箱形门式起重机支腿的力分析按门架平面和支腿平面分别进行。对于龙门架平面，考虑小车在悬臂端时产生最大应力。同时要考虑的载荷有， 起升载荷，自重载荷，风载荷，以及惯性载荷分别引起的力。门架平面的支腿力对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静

25、定龙门架简图进行力计算；对于带柔性支腿的龙门起重机按静定龙门架简图进行力计算。 带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、 不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处， 为计算龙门起重机支腿力的最不利工况。1. 由主梁均布载荷产生的力图 24 主梁自重载荷引起的弯矩图有悬臂时的侧推力FFq (S26L2 ) ，为安全起见，将有悬臂门架当无悬臂门架计算：4h(2 k3)FFqL298004324h (2k3) 45(212080N0.63 3)弯矩M C=MD=Fh=12080× 5=60400Nm2. 移动载荷产生的力移动载荷产生的力分为小车在跨中和在有效悬臂处：（1）小车在跨中侧推力：3P(

26、4S25b2 )3 13104 (429 251.22 )F3)165 29(2 0.6355180 N16hS(2k3)弯矩MC=MD= Fh=55180×5=275900Nm（2）小车在悬臂端：吊钩左极限位置L0=7侧推力 :3P(2L0b)3 13 104(2 71.2)F3)212(20.6369785 N2h( 2k3)弯矩 :MC=MD=Fh=69785×5=348925Nm3. 作用在支腿上的风载荷产生的力作用在支腿上的风载荷：化为均布载荷：侧推力：弯矩：Mc= FBh=3969×5= 19845Nm3 qtf h2 ( k 2)3 841 52(0

27、.63 2)M D8 (228337 N8(2k 3)0.63 3)最大弯矩：4. 小车制动力和风载荷产生的力小车制动力和风载荷产生的支腿力侧推力：= （2640+638+2925）/2=3102N弯矩：M C=MD=Fh=3102×5=15510Nm支腿平面的支腿应力分析对于具有两个刚性支腿的龙门起重机支腿按一次超静定龙门架简图进行力计算；对于带柔性支腿的龙门起重机按静定龙门架简图进行力计算。 带悬臂的龙门起重机小车位于有效悬臂端、 不带悬臂的龙门起重机小车靠近支腿处， 为计算龙门起重机支腿力的最不利工况。在支腿平面，支腿下端为危险截面。所以，取支腿下端截面计算。计算系数： k1I

28、l1.22101013I1b9.7 1093.484.6支反力： VA VBd1P19714898574 NB2Ph 3( dea2)2abk1 1X6Ih2b (3B2k1 )A3I197148123(522.62 ) 22.64.63.4861.2210 21012 24.6(323.48)0.043231.221021971481213831.2210 2890331.2210 218335NM CM DVA aXh985742.6183351225629222002036272 Nm（1）水平载荷作用在支腿顶部水平载荷有 PfQ , Pfxc , Pfq ，合力：PPfxcPfQPdg

29、xc787.53675838712849.5N支反力：Ph2 b (32k1)X6Ih2b (3B2k1 )A3I12259114.6(323.48)61.2210 2101224.6(323.48)0.043231.2210 22955N弯矩：M CVB aXh5911 2.62955 1220094NmM DVB (Ba)Xh5911 (102.6)2955 128274Nm（2）风载荷作用在支腿平面作用在支腿上的风载荷：PfztCqf hb21.2250121.24320 N化为均布载荷：qtf 2Pft 2/ h4320/12360N / m支反力：VA VBqtf 2 h236012

30、22592N2B210qtf 2h3b(65k1)X24 IBh2 B (32k1 )A3I3601234.6(653.48)241.2210 21012210(323.48)0.043231.22102546N弯矩：M CVB aXh25922.654612187NmM DVB (Ba)Xh2592(102.6)5461215293Nm（3）支腿轴向力计算主梁自重对一个支腿产生的轴向力：F (S 2L)9800 ( 29 2 7)N 137290 N44支腿自重 N0=0.9N1=0.9× 37290=33561N满载小车位于有效悬臂处，支腿最大轴向力：(Gxc GQ )(S L0

31、 )(1004 10000 ) 9.8 (29 6)Nxc266507 N2S29单根支腿承受最大轴向力：N N1 Nt Nxc372903356166507137358N按刚架反对称屈曲失稳计算支腿端约束长度系数1 ：门架平面：支腿平面：取11.55支腿的毛截面的最小回转半径：长细比：x1l1.5513000 125rx1611l1.5513000yr y104194对于箱型支腿， 板件宽厚比大于20,s125,按b类受压构件查得稳定系x 235数0.441 ，则支腿名义欧拉临界力：NEx2EA22.06 105 0.3 364881.69106 N2x1252NEy2EA22.06 105

32、0.3 364882.44106 N2x10422.3. 支腿强度计算NM xyM yxA(1NN) IyNEx)I x (1NEy137358589090.1807579800.260.30.036488137358) 3.4 104(1137358)1.3103(11062.441061.69114MPa 175MPa强度合格2.4 支腿整体稳定性计算（ 1）整体稳定性计算NM xyMyxA(1N) Ix (1N) IyExNEyN137358589090.1807579800.260.440.30.036488(11373586) 3.4 104(11373586 )1.3 1031.6

33、9102.4410122MPa 175MPa整体稳定性合格（2）支腿局部稳定性计算为了防止支腿的腹板和翼缘板发生波浪变形，应对支腿进行局部稳定性校核，否则有可能导致结构过早损失：对于截面支腿，其腹板的高度与厚度和截面两腹板间的翼缘板宽度与其厚度之比应满足下式：式中：为支腿柔度，可由轴稳定系数查询在刚性腿有：=10mm=1750mm =20mm因此：要加纵向劲杆，纵向劲通常由钢板或者扁钢制成，纵向加劲应成对布置，其宽度 b110（腹板或翼缘板的厚度，即6mm），厚度 劲 >3× /4 （为腹板或翼缘板的厚度）为增加支腿的抗扭刚度，必须设横向加劲板，横向加劲板间距通常为（2.5 3

34、）b0 或者 c0图 2 5 支腿加劲板布置简图1横向加劲板2纵向加劲板所以纵向加劲的宽度为： b=10×6=60mm加劲的厚度： =3/4 × 10=7.5mm横向加劲的宽度为：取横向加劲的宽度：b 2=105mm横向加劲板厚度：劲 b2 /5=105/15=7m结论通过此次毕业设计，让我了解到了很多方面东西。首先，此次毕业设计把大学四年来的理论知识复习、总结并应用于实践当中，让我们对工程机械特别是起重机械有了更深入的了解。从整体结构到各个部件都有了一个全面的认识。此次设计不但是对我们以前学习的一种深入，更是我们今后工作的一种理论基础。现代单梁门式起重机设计是在学完起重机械相关容之后的一个重要实践性教学环节。 其目的在于通过单梁门式起重机设计，使学生在起重机结构方案、结构设计和装配、制造工艺以及零件设计计算、机械制图和编写技术文件等方面得到综合训练；并对已经学过的基本知识、基本理论和基本技能进行综合运用。从而培养学生具有结构分析和结构设计的初步能力；使学生树立