20吨起重机单梁设计说明书

1、20吨起重机单梁设计说明书设计规范及参考文献中华人民共和国国务院令(373)号特种设备安全监察条例GB38112008GB60672009GB5905-86GB/T1440593GB5025696JB4315-1997GB1018388JB/T1306-2008GB16488GB590586GB50278-98GB590586ZBK26008892.设计指标起重机设计规范起重机械安全规程起重机试验规范和程序通用桥式起重机电气装置安装施工及验收规范起重机电控设备桥式和门式起重机制造和轨道安装公差电动单梁起重机起重机缓冲器低压电器基本标准起重设备安装工程及验收规范控制电器设备的操作件标准运动方向Y

2、ZR系列起重机及冶金用绕线转子三相异步电动机技术条件设计工作条件气温：最髙气温401；最低气温-201湿度：最大相对湿度90%(3)地震：地震基本烈度为6度设计寿命起重机寿命30年电气控制系统15年油漆寿命10年设计要求安全系数2.3.1.1钢丝绳安全系数n$52.3.1.2结构强度安全系数载荷组合In$1.5载荷组合IIn$1.332.3.1.3抗倾覆安全系数n$1.52.3.1.4机构传动零件安全系数n$1.52.3.2钢材的许用应力值（N/mm2）表1钢号厚度0s11Q11111111QC11安全系数Q235W16235176.7102.0265.01.331640225169.297.

3、7253.84060215161.793.3242.560100205154.189.0231.2100150195146.684.6219.9Q345W16345259.4149.8389.11.331625325244.4141.1366.52536315236.8136.7355.23650295221.8128.1332.750100275206.8119.4310.240CrW25785523.3302.17851.525100540360207.8540101300490326.7188.649045#355236.7136.635540CrNiMo835556.7321.4835

4、200400200133.377.0200230450230153.388.5230铸钢ZG270500270180103.9270310570310206.7119.3310340640340226.7130.9340s-钢材的屈服点；0-钢材的屈服点；T-钢材的剪切许用应力；0-端面承压许用应力；c2.3.3螺栓连接的许用应力值（N/mm2）10.9级髙强度螺栓抗剪t=3502.3.4焊缝的许用应力值（N/MM2）对接焊缝:0=0（压缩焊缝）w0=0（拉伸1、2级焊缝）w0=0.80（拉伸3级焊缝）wt=0/21/2（剪切焊缝）w角焊缝:（拉、压、剪焊缝）t=160（Q235钢）200（Q

5、345钢）w3.5起重机工作级别：利用等级U5工作级别A4机构工作级别为M5设计载荷3.1竖直载荷3.1.1起升载荷额定起升载荷：20t3.1.2桥式起重机自重载荷主梁：10.81t端梁：0.881小车（包括电动葫芦）：1.121电气装置及附件（电控箱、电缆、大车导电挂架等）：0.151总计：12.9613.1.3起升载荷基本值：20t3.1.4冲击系数3.1.4.1起升、制动冲击系数竹起升速度：v=0.058m/sh起动平均加速度a=0.029m/s2（起升、制动时间t=2s）制动冲击系数Q=1+a/g式中：g重力加速度，取g=9.81m/s2Q=1+a/g=1+0.029/9.81=1.0

6、033.1.4.2起升载荷动载系数根据起重机设计手册当起升速度V0.2m/s时hQ=1.123.1.4.3运行冲击系数起重机大车重载走行速度为0.333m/s，起重小车重载的走行速度为0.333m/s,轨道平顺程度良好，因此在运行中载荷的最大竖向冲击力将发生在轨道接缝处，则运行冲击系数：q=1.10+0.058vhi/23式中：h轨缝髙差，h=0.002mq=1.10+0.058x1.57x0.0021/2=1.10413以上计算的三个冲击系数不会同时发生，因此我们在检算结构和机构的强度和稳定性时取起升载荷的冲击系数q=1.1。3.2水平载荷3.2.1运行惯性力起重机或小车在水平面内进行纵向或

7、横向运动起（制）动时，起重机或小车自身质量和总起升质量的水平惯性力，按该质量与运行加速度乘积的d倍计算，此时取5d=1.5，用来考虑起重机驱动力突变时结构的动力效应。5起重机大车横向走行紧急制动时惯性力：（制动时间取t=6s）空载时：F=1.5X12960X20/60/6=1080N重载时：F=1.5X（12960+20000）X20/60/6=2747N小车纵向走行紧急制动时惯性力：（制动时间取t=4s）空载时：F=1.5X1120X20/60/4=140N重载时：F=1.5X（1120+20000）X20/60/4=2640N总体设计桥架尺寸的确定4.1大车轴距B=（1/71/5）L=（1

8、/71/5）X22.5=3.2144.5m0取B=3.5m,端梁全长4m04.2主梁尺寸由于起重量和跨度都偏大,宜选用箱型截面主梁主梁跨中部分截面的理论高度为H=h=(l/141/17)L=(1/141/17)X22.5=1.6071.323m1主梁两腹板外侧间距为：B$h/3=0.440.55m主梁翼缘板宽度取B=700mm1考虑箱形梁内部焊接的要求，两腹板外侧间距取b=660mm按主梁整体稳定条件，HW3b，实取H=h=1500mm11取腹板高度h=950mm0翼缘板厚度5=16mm0腹板厚度5=5=8mm12主梁工字钢下翼缘补强板取16X130mm4.3端梁尺寸髙度H=(0.40.6)h

9、=600900mm，取H=470mm22考虑大车轮安装取总宽B=220mm，跨中翼缘板厚度5=16mm11腹板厚度5=6mm大车轮距W=3500mm端梁总长L=4000mm4.4主、端梁连接采用突缘法兰螺栓连接主、端梁截面几何性质热轧工字钢45b特性：截面面积：A=111.446cm2=1.114X104mm2惯性矩:I=33800cm4=3.38x10smm4xI=894cm4=8.94x106mm4y截面抗弯系数W=1500cm3=1.5x106mm3xW=118cm3=1.18x105mm3y5.1截面几何性质5.1.1主梁截面面积A=16x700+2x8x966+2x6x420+111

10、40+16x130=44916mm2=0.044916m2形心位置x=350mmY=(16x700 x1508+2x8x966x1033+2x6x420 x408+111400 x241+16x130 x8)/145176=426mm惯性矩I=9.81x109mm4xI=I=7.82x108mm4y1截面抗弯系数W=6.49x106mm3xW=4.87x106mm3y5.1.2端梁截面面积(跨中)A=6x464x2+6x208+16x230+10 x450=14432mm2=0.01314m2形心位置x=(6X464X13+6X464X227+6X208X114+16X230X115+10X4

11、50X235)/14432=158mmY=(6X464X232+6X464X232+6X208X13+16X230X472+10X450X245)/14432=284mm惯性矩。I=4.47X108mm4xI=I=1.48X108mm4y2截面抗弯系数W=2.83X106mm3xW=5.21X105mm3y主梁、端梁钢结构强度、刚度、整体稳定性计算计算原则根据这种结构形式的起重机的特点，可以不考虑水平惯性力对主梁造成的应力，及其水平平面内载荷对主梁的扭转作用也可以忽略不计。主梁强度计算按第II类载荷进行组合。对活动载荷，由于小车轮距较小，可近似按一集中载荷计算。验算主梁跨中断面弯曲正应力和跨端

12、断面剪应力。主梁跨中断面弯曲正应力包括梁的整体弯曲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内按简支梁计算，在水平面内按刚接的框架计算。计算的依据为起重机设计规范、起重机设计手册及钢结构设计手册载荷计算6.2.1主梁单位长度自重载荷：q=KpAg=1.05X7850X0.044916X9.8=3628N/m式中：K-自重的动载系数，K=1.05；P-钢材比重，P=7850kg/m3；6.2.2葫芦小车集中载荷(轮距较小，按合力计)：工P=(1120+20000)X9.8=206976N6.2.3大车制动引起的主梁水平惯性载荷q=1.5X1

13、0810X20/60/22.5=212N/mgd6.2.4大车制动主梁所受小车水平惯性载荷q=1.5X(1120+20000)X20/60=10560Ngx6.3主梁钢结构强度、刚度计算及稳定性计算6.3.1主梁钢结构强度计算主梁下翼缘在小车轮压作用下，将产生局部弯曲变形和局部弯曲应力，通常在翼缘根部、轮压作用点和自由边都有较大应力，后两处更严重。许用应力：6=176.7MPat=102.0MPa动力效应系数=1.11=1.0+0.7V=1.0+0.7X3.5/60=1.0412q=1.1+0.058Vh1/2=1.1+0.058X20/60=1.1194d采用最大的4=1.126.3.1.1

14、垂直载荷及应力6.3.1.1.1主梁跨中垂直弯矩:M二(qL2/8+EPL/4)=1.12X(3628X225002/8X1000+206976X22500/4)XW4=1.381X109Nmm6.3.1.1.2主梁跨中剪切力:F=l/2工P=1/2X1.12X206976=1.159X105N46.3.l.l.3主梁支承力(小车在跨端)为:F二1/2qL+P(L-c)LX4l=1.12X(1/2X3436X22.5+206976X(22.5T.293)X22.5=2.618X105N6.3.l.l.4主梁跨中弯曲正应力为：6二MY/I=1.381X109X426/9.81X109=59.8M

15、Pa0XWX6.3.1.1.5主梁跨端切应力为：t=1.5F/A=1.5X2.618X105N/950X8=34.4MPa0X6.3.1.1.6葫芦小车最大轮压P=K/nX206976=1.45/4X1.12X206976=84032N4式中：K-轮压不均匀系数，取K=1.45；n-葫芦小车车轮数，n=4；6.3.1.1.7主梁工字钢下翼缘在轮压作用下的局部弯曲应力按下列公式计算为：翼缘根部：横向应力：6=-KgP/t2=-0.86X84032/342=-62.5MPagxx纵向应力：6=-KgP/t2=-0.33X84032/342=-24.0MPagzz轮压作用点：横向应力：6=KpP/t

16、2=1.2X84032/342=87.2MPapxx纵向应力：6=KpP/t2=0.5X84032/342=36.3MPapzz翼缘外边缘：纵向应力：6=KbP/t2=0.95X84032/342=69.1MPabzz式中：P-主梁工字钢下翼缘一边的最大轮压，P=84032N；t-主梁工字钢斜坡翼缘的平均厚度与补强板厚度和，t=34mm；c-轮压P作用线与腹板一侧的水平距离，c=35mm；b-主梁工字钢下翼缘宽度，b=152mm；d-主梁工字钢下部单腹板厚度，d=13.5mm；Kg、Kg、Kp、Kp、Kb-与比值Z=c/0.5(b-d)有关的计算系数，xzxzzKg=0.86，Kg=0.33，

17、Kp=1.2，Kp=0.5，Kb=0.95；xzxzz6.3.1.1.8主梁工字钢下翼缘在垂直载荷作用下，同时产生整体弯曲应力和局部弯曲应力其复合(折算)应力为：轮压作用点：6二1(&+&)2+62-(&+6)&)1/20pxgz0pxgz二1(59.8+87.2)2+3632-(59.8+87.2)X36.31/2=56.8MPa翼缘外边缘：6=6+6=59.8+69.1=128.9MPa0bz6.3.1.2水平载荷及应力大车运行起、制动产生的水平惯性力按大车主动车轮打滑条件确定6.3.1.2.1主梁均布惯性力为：P=q/2X7=3628/14=259N/m6.3.1.2.2小车载荷集中惯性

18、力为：P=EP/2X7=206976/14=14784Niii6.3.1.2.3小车位于跨中时，桥架内力按水平刚架模型计算，计算系数为：r=1+2ab/3(a+b)LI/I112=1+2X1.75X1.75/3X(1.75+1.75)X22.5X7.82X10s/8.12X107=1.2146.3.1.2.4主梁跨中水平弯矩为：M=PL/4(1-1/2r)+PL2/8(1-2/3r)WIII1II1=1478X22.5X(1-1/2X1.214)+259X22.52/8X(1-2/3X1.214)=26548Nm6.3.1.2.5主梁跨中水平剪切力为：P=1/2P=14784/2=7392Nt

19、FI6.3.1.2.6小车在跨端左侧极限位置L=1.293m处，跨端水平剪切力为：1P=1/2PL+P(1-L/L)=245X22.5/2+14784X(1-1.293/22.5)CII1=16690N6.3.1.2.7小车在跨端左侧极限位置L=1.293m处，跨端水平剪应力为：1t=1.5P/A=1.5X16690/(700X16)=2.2MPaCC6.3.1.2.8考虑主梁应力组合，将小车置于跨中，这时一侧端梁总静轮压为：P=(qL+EP)/2+qB=(3436X22.5+206976)/2+1061X4m11=146224N6.3.1.2.9端梁单位长度自重载荷：qi=KpAg=1.05

20、X7850X0.01314X9.8=1061N/m式中：K-自重的动载系数，K=1.05；P-钢材比重，P=7850kg/ma；A-端梁截面面积，A=0.01314m2；6.3.1.2.10由L/B=22.5/3.5=6.43，查得入=0.16起重机偏斜运行侧向力为：P=1/2P入=1/2X146224X0.16=7311NF1m16.3.1.2.11跨中水平弯矩为：M=1/2PB=l/2X7311X3.5=12794NmW1F106.3.1.2.12跨中水平弯矩之和为：M=M+M=26548+12794=39342NmWW16.3.1.2.12主梁工字钢下翼缘在水平载荷作用下，下翼缘轮压作用

21、处的应力为：&=M(c+d/2)/I=39342X1000X(35+135/2)/9.81X109My=0.2MPa下翼缘外边缘的应力为：&=M152/2/I=39342X1000X152/2/7.82X108by=3.8MPa6.3.1.3主梁跨中的合成应力主梁工字钢下翼缘在车轮轮压作用处和外边缘产生最大组合应力轮压作用处:6=(&+6+6)2+62一(&+6+6)61/20Mpzpx0Mpzpx=(59.8+0.2+36.3)2+87.22-(59.8+0.2+36.3)X87.21/2=92.1MPaV6)=1767MPa翼缘外边缘：6=6+6+6=59.8+3.8+69.1=132.7

22、MPaV6=176.7MPa0bbz工字钢翼缘外边缘应力较大，须在工字钢下表面纵向加一道补强板，宽度130mm，厚度16mm.6.3.1.4主梁跨端的剪切应力t=t0+tc=34.4+2.2=366MPaV(t=102.0MPa6.3.2主梁钢结构刚度计算6.3.2.1主梁垂直静刚度满载小车位于主梁跨中产生的静挠度为：:y=SPLa/48EILx=206976X225003/48X2.1X105X9.81X109=23.84mmL/700=32.14nmmm式中：工P-葫芦小车集中载荷，工P=206976N；L-起重机跨度，L=22500mm；E-钢材弹性模量，碳钢E=2.1X105N/mm2

23、；I-主梁惯性矩，I=9.81X109mm4；xx6.3.2.2主梁水平静刚度满载小车位于跨中时，由大车运行起、制动对主梁跨中产生的惯性位移：X=PL3/(48EI)+5PL4/(384EI)gIIIYIIY=14784X225003/(48X2.1X105X7.82X108)+5X245/1000X225004/(384X2.1X105X7.82X108)=21.36+4.98=26.34mmX=L/2000g=11.25mm主梁跨中产生的水平惯性位移过大6.3.3主梁整体稳定性计算箱形梁的宽度宜大于L/60=22500/60=375mm(主梁实际宽度660mm)，主梁的髙宽比h/bW3(1

24、516/660=2.29)时，主梁的整体稳定性不需验算。6.3.4主梁钢结构局部稳定性计算在剪应力、弯曲应力、局部正应力及它们的共同作用下，有时会使主梁腹板局部失稳。在压应力作用下，使得翼缘板（盖板）失稳。防止局部失稳的通常方法是设置纵向筋及横向筋。6.3.4.1翼缘板的局部稳定性计算B/S=644/16=40.25V60,纵向加设一道角钢L75X75X6；0满足要求,不再验算。6.3.4.2腹板的局部稳定性计算H/5=950/8=118.75800160应配置：横向隔板纵向加劲肋按规定配置腹板加劲肋和横向隔板，间距a=1000mm2H=1900mm，不必验算，隔板中0间不需开孔，每侧腹板设置

25、二道纵向加劲肋，加劲肋采用L50X50X5的角钢，详见主梁截面图6.4端梁钢结构强度、稳定性计算6.4.1端梁钢结构强度计算在端梁的计算中，端梁主要承受主梁及载荷对它的垂直压力和起重机运行时对它产生的水平歪斜侧向力。主要验算端梁中央断面的弯曲应力和支承车轮处断面的剪切应力。端梁承受垂直载荷和水平载荷作用，按简支梁计算6.4.1.1垂直载荷和内力计算6.4.1.1.1满载小车在跨端极限位置L处时，主梁支承力为：1F=2.618X105NX6.4.1.1.2端梁自重载荷为：qi=KpAg=1.05X7850X0.01314X9.8=1061N/m6.4.1.1.3端梁跨中垂直弯矩为：M=FB/4+

26、qB2/8=2.618X105X3.5/4+1.12X1061X3.52/8ZX0410=229075+1819=230894Nm6.4.1.1.4支承车轮处断面剪切力为：F=F/2+qB/2=2.618X105/2+1.12X1061X3.5/2YX410=130900+2079=132979N6.4.1.2水平载荷和内力计算6.4.1.2.1满载小车在跨端L=1.293m处时，由大车运行起、制动的惯性力产生的端梁跨中1水平弯矩为：M=b/(a+b)rPL2/12+PL(L-L)/2Ldy1IIIII11=1.75/(3.5X1.214)X245X22.52/12+14784X1.293X(

27、22.5-1.293)/(2X22.5)=7967Nm6.4.1.2.2满载小车在跨端L=1.293m处时，近侧端梁总静轮压为：1P二工P(1-L/L)+1/2qL+qBd11=206976X(1-1.293/22.5)+1/2X3436X22.5+1061X4=195081+38655+4244=237980N6.4.1.2.3侧向力为：P=1/2P入=1/2X238400X0.2=23840Nd1d6.4.1.2.4端梁跨中水平弯矩为：M=Pa=23840X1.75=41720Nmdd16.4.1.2.5端梁跨中总的水平弯矩为：M=M+M=7967+41720=49687Nmydyd6.4

28、.1.3端梁应力跨中正应力：&=My/I+Mx/I=230894X1000X284/4.47X108+49687X1000X158/xxyy1.48X108=1163+531=1694MPaV6=176.7MPa支承车轮处断面剪切应力：t=1.5F/(2h6)=1.5X132979/(2X276.5X16)=22.5MPaVt=102.0MPaY06.4.2端梁稳定性计算6.4.2.1整体稳定性h/b=470/240=1.93满足要求6.4.2.2局部稳定性翼缘板b/6=240/6=406000腹板h/6=464/6=77800满足要求为增加腹板稳定性，配置八块横隔板7主、端梁连接计算主、端梁连接采用承载突缘法兰板普通螺栓连接突缘法兰板用20mmX900mmX470mm及20mmX900mmX230mm两块钢板制成，承载面积为900mmX230mm，突缘法兰连接承受主梁支承力、垂直弯矩和水平弯矩作用，因突缘法兰板承载台阶足够大，所以主、端梁连接不作载