双梁A型门式起重机结构设计

摘要进入21世纪以来，我国的煤炭工业进入了快速发展的轨道，门式采样机因其在露天作业环境中有其它类型采样机无法替代的优势，因此对其进行研究、创新，使其结构更合理，使用更方便，具有重要的战略和现实意义。本设计以通用门式采样机结构设计为设计目标，内容包括主梁、支腿、马鞍、上下横梁等结构的设计。首先采用许用应力法及计算机辅助设计方法和第四强度理论对主梁结构进行载荷计算，然后对其强度、稳定性、刚度进行校核，最后进行螺栓连接的计算。如不符合，重复所做步骤。其设计很好的体现了结构力学、材料力学在金属结构件和采样机运输中的重要运用。关键词：门式采样机；金属结构；载荷计算；双梁.AbstractInthe21stcentury,China'srailways,shipbuildingindustryhasenteredarapiddevelopmenttrack,gantrycraneinitsoperatingenvironmentintheopenairthereareothertypesofcranescannotbereplacedadvantage,soitsresearch,innovation,itsstructureismorereasonable,Moreconvenient,hasimportantstrategicandpracticalsignificance.Thedesign-Adoublebeamgantrycranedesigngoalsforthedesign,includingthemainbeam,legs,saddle,upperandlowerbeamsandotherstructures.Focusonpartofthestructureoftheloadandloadcombinations,thefinalcalculationoftheboltconnection.Goodindicationofthedesignofstructuralmechanics,mechanicsofmaterialsinthemetalstructureandtheimportanceoftransportusedcranes.Keywords：Gantrycranes;metalstructure;loadcalculation;doublebeam.目录第一章前言 11.1结构简介 11.2发展现状 11.3研究目的和意义 2第二章总体设计 42.1总体设计 42.1.1材料选择 42.1.2总体结构设计 4设计参数 52.2部件截面形状的确定 62.3截面惯性矩验算 11第三章主梁计算 123.1载荷及内力计算 123.1.1载荷计算 12内力计算 173.2主梁的强度 24主梁弯曲应力验算 243.2.2主梁支撑处的剪力 283.2.3主梁疲劳强度 293.3主梁的稳定性 303.4主梁刚度设计计算 353.4.1主梁跨中一简支刚架静刚度计算 353.4.2小车悬臂一简支刚架静刚度计算 363.4.3主梁水平静刚度计算 363.4.4悬臂的水平静刚度 37主梁动刚度 37第四章支腿平面内刚架的设计 404.1钢架的三次超静定结构 404.2马鞍横梁跨中截面内力计算 424.2.1刚性腿侧计算 424.2.2结构弯矩计算 43第五章支承架设计及计算 455.1支撑架刚度计算 455.2支撑架的小车轨顶处位移 515.3整体稳定性计算 58第六章螺栓连接强度计算 606.1马鞍的连接强度计算 606.2支腿与横梁的连接计算 616.3主梁在跨中的连接计算 626.4主梁盖板的螺栓连接 62结论 64致谢 65参考文献 66附录：外文资料与中文翻译 67第一章前言1.1结构简介门式采样机是桥式采样机的一种变形。在港口主要用于煤流中，火车，汽车，船上以及煤堆上采样然后加以分析，以确定煤的各种特性，用此分析结果确定合同价格，并根据要求将采样机进行了运动分析，对其进行整机结构设计。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。门式采样机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。本次设计的采样机因支腿形状类似字母A又称A型门式采样机，该装置主要是由双主梁、两刚支腿、两柔支腿以及马鞍、上下横梁等结构组成。双梁A型门式采样机一般做成箱型结构，而且常做成双悬臂的桥架。有时也可做成桁架结构，但是桁架结构存在着制造劳动量大，维修保养不方便等缺点，所以一般设计成箱梁门式采样机。1.2发展现状目前，国内专业生产大型采样机的厂家很多。其中以中联重科、三一重工、抚挖等公司产品系列较全，市场占有率较高。中联重科在2007年12月宣布实行品牌统一战略后。现已成功开发了50t~600t履带式采样机产品系列。作为中国采样机行业的领跑者，徐州重型机械有限公司现在已经形成了以汽车采样机为主导，履带式采样机和全路面采样机为侧翼强势推进的庞大型谱群。国内最具历史的履带式采样机生产企业抚挖现已拥有35t~350t的履带式采样机产品系列。QUY350是抚挖2007年推出的国产首台350t履带式采样机，填补了国内350t履带式采样机的产品型谱空白。国外专业生产大型采样机厂家很多。其中利勃海尔、特雷克斯-德马格、马尼托瓦克与神钢等公司产品系列较全，市场占有率较高。利勃海尔公司的产品技术先进、工作可靠，其生产的LR系列履带采样机最大起重量已达1200t。其桁架臂履带式采样机系列在2007年又喜添新品LR1600/2，使其产品型谱更加完善。未来的一段时间内，采样机的发展趋势包括以下几个方面：（1）大吨位的自拆装系统。（2）便利模块化和组合化。（3）混合型采样机1.3研究目的和意义通过对通用门式采样机的研究和创新设计，能够让我很好的掌握结构力学、材料力学在金属结构件和采样机运输中的运用。作为毕业设计的一大课题，在融合贯通机械专业的同时，更能很好的使自己所学专业知识全面化、系统化。本次设计的结构较复杂，特别是支腿、马鞍部分，设计难度较大，计算量也较多。不光是对专业知识的考察，更体现在自己对待生活和学习的态度上。通过这一环节的训练，更能很好的提高了以下方面的能力：1、综合运用所学知识和技能，独立分析和解决设计问题的能力；2、熟练运用基本技能，包括绘图、计算机应用、翻译、查阅文献等等的能力；实验研究的能力；撰写科技论文和技术报告，正确运用国家标准和技术语言阐述理论和技术问题的能力：3、收集加工各种信息的能力，获取知识的能力；5、多角度的培养我们综合运用和扩大所学知识面的能力，以提高理论联系实际的能力。6、通过依据数据、准确的制图，培养了我们收集、整理、分析及运用资料的能力。7、另外它不仅仅局限在机械基础知识上更涉及了有关材料学、力学等多学科知识，使我们对交叉学科有了一定的涉足，拓宽了我们的知识面，更激发了进行本专业工作、学习的激情与兴趣。本设计为32t通用门式采样机结构设计，根据给出的设计参数，设计出符合要求满足使用性能的采样机结构，并对设计出来的结构进行校核计算。所用到的研究方法主要有经验总结法、比较研究法、文献资料法等。借鉴前人对采样机结构设计的成熟经验，结合目前通用门式采样机所存在的缺点和不足，进行采样机的创新性结构设计。通过翻阅相关文献书籍对涉及到的双主梁、两刚支腿、两柔支腿以及马鞍、上下横梁等结构进行计算，特别是载荷计算及载荷组合，螺栓的连接计算。比较研究法可以理解为是根据一定的标准，对两个或两个以上有联系的事物进行考察，寻找其异同，探求普遍规律与特殊规律的方法。具体要求如下：a、设计中要注意的问题是结构较复杂，特别是支腿、马鞍部分，设计难度较大，计算量较多。b、通过本次设计，熟练掌握结构力学、材料力学在金属结构件和采样机运输中的运用。c、完成校院要求的工作量和毕业设计论文的撰写。第二章总体设计2.1总体设计2.1.1材料选择。参阅大连采样机厂编的《采样机设计手册》，采样机金属结构主要受力构件应采用平炉或转炉的碳素钢和普通合金钢，但端梁一般采用Q235B的钢材或者型材。2.1.2总体结构设计依据原始资料及查阅《采样机课程设计手册》现列出门架的结构简图及其主要尺寸如图2-1，2-2和表1-1.图2-1门架结构简图图2-2门架结构简图表1-1A15.2mA24.2mA311.16mA41mA58mA61.4mL110mB21.89mB311.32m2.1.3设计参数①总体参数起重量：Q=32t跨度：S=26m工作级别A6起升高度：11m起升速度：工作风压;q=250Pa②大车参数大车运行速度：V=37.8m/min大车轮距（基距）：B=8.5m悬臂全长：有效悬臂长度：整机总重：(估)马鞍自重：操纵室重：电器集中质量：梯子等重：单支腿自重：③小车参数小车自重：小车轨：P38小车轮距：b=2.7m小车轨距：K=2.5m小车轨面到小车最高点的高度：1.6m2.2部件截面形状的确定双梁门式采样机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式采样机相比要大些，造价也较高。根据主梁结构不同，又可分为箱形梁和桁架两种形式。但考虑到制造劳动量大，维修保养不方便等缺点，目前一般多采用箱形结构。1.主梁截面1）如图2-3所示主梁截面的形状及尺寸。由已知条件和经验值可知主梁截面的主要结构尺寸及重要参数如下：高度：取腹板高度：翼缘板厚度;取主腹板厚度：，副腹板厚度：图2-3主梁截面图2）主梁尺寸计算主梁高度如下：主梁宽度：mm腹板外侧间距：且，取b=614mm,上下翼缘板各不相同，分别为及.取悬臂部分的横断面完全等同于中间主梁的横断面，选择偏轨箱型形式，采用偏轨省去了中轨支撑轨道而设置横向加劲板，从而也省去了大量的焊缝，减少制造过程变形为了能在主腹板上设置轨道和压板须使上翼缘板的悬伸宽度加大因而增加了保证悬臂部分局部稳定性而设置的三角肋。3）截面惯性矩验算面积：型心坐标：惯性矩:2.马鞍截面如图2-4马鞍截面的形状及尺寸图2-4马鞍的截面形状面积：质量：惯性矩：3.支腿截面如图2-5、2-6所示支腿截面的形状及尺寸支腿上端的截面在门架平面内的惯性矩：支腿下端的截面在门架平面内的惯性矩：，图2-5支腿上端的截面形状图2-6支腿下端的截面形状4.端梁截面如图2-7所示端梁截面的形状及尺寸由于端梁一般是偏于安全的,参阅《采样机课程设计》选取截面截面如图2-7图2-7端梁截面形状5.下横梁截面如图2-8所示下横梁截面的形状及尺寸图2-8下横梁的截面形状下横梁面积:型心坐标：，惯性矩：，2.3截面惯性矩验算因主梁为关键性部件，在采样机使用过程中承载主要载荷，现对主梁的惯性矩进行初步验算小车集中载荷：满载小车位于主梁跨中产生的垂直静挠度为：1.17mm当满载小车位于悬臂端极限位置产生的垂直挠度为：主梁截面许用惯性矩:满足要求第三章主梁计算3.1载荷及内力计算3.1.1载荷计算（1）固定载荷主梁自重载荷：小车轨道重量：栏杆及导电架质量：主梁的均布载荷：（2）移动载荷首先假定小车的重量中心与起升载荷的重量中心均集中在小车的中心。起升载荷：小车自重载荷：满载小车静轮压有前面已知：空载小车静轮压：(3)动力效应系数起升冲击系数：起升动载系数：运行冲击系数：(4)惯性载荷按车轮打滑条件确定大小车运行的惯性力一根主梁上的小车惯性力：大车运行起制动惯性力（一根主梁上）为：均布惯性力主梁：小车集中惯性力：(5)风载荷作用于货物的风载荷：非工作状态风载荷：作用于主梁上的风载荷:小车：主梁:(6)扭转载荷偏轨箱型梁由和的偏心作用而产生移动扭矩如图3-1所示。偏轨箱型梁弯心A在梁截面的形心轴上（不考虑翼缘外伸部分）弯心至主腹板中心的距离为：轨高：移动扭矩：（7）惯性载荷下横梁产生的惯性力，下横梁面的截面，由大车轮直径D=900m选定下横梁截面尺寸，下横梁面积:形心坐标：图3-1下横梁截面形状及尺寸下横梁面积:形心坐标：惯性矩：则下横梁产生的自重载荷为：下横梁产生的惯性力为：马鞍的截面（在门架平面内）产生的惯性力：面积：质量：惯性矩：惯性力：支腿上截面产生的惯性力：惯性矩：支腿下截面产生的惯性力：惯性矩：取支腿从下截面开始的0.7H处作为计算截面如图3-2所示。平均面积：平均实体面积：图3-2下支腿0.7H处截面形状及尺寸惯性矩：支腿自重载荷为：(8)偏斜侧向力一根主梁的重量：一组大车运行机构的重量：司机室及设备的重量（按合力计）：一根端梁的重量：满载小车在主梁跨中时，左侧下横梁总静轮压PR1如下由，查得侧向力：满载小车在主梁与支腿相接处侧向力：3.1.2内力计算（1）垂直平面内的应力计算主梁内力时，将门架当作平面静定结构分析,由主梁自重均布载荷引起的力有：支反力：剪力：跨中弯矩：跨端弯矩：图3-3内力模型图考虑移动载荷引起的主梁内力，取小车轮压分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力。1）小车位于跨中，受力如图3-4所示。图3-4小车受力图跨中的剪力为：119843跨中的内扭矩：最大弯矩作用位置：24.75求得支反力为:剪力为：，2）小车位于悬臂端，如图3-5所示。图3-5小车受力图支持反力VA计算如下：剪力：弯矩：满载小车处于主梁的左端时，如图3-6所示。图3-6满载小车受力图跨端剪力为：跨端内扭矩：=当小车制动时，惯性力顺主梁方向引起的主梁内力，如图3-7所示支反力：剪力：图3-7主梁受力示意图跨中弯矩：支座处弯矩：（2）水平面内的应力在主梁水平面内，如图3-8所示当大车制动时由于惯性力和风载荷引起的主梁内力（其中由主梁自重引起的惯性力和小车自重引起的已计算过）：图3-8主梁内力简图是将风载荷均布在主梁上（顺大车轨道方向的风载荷）小车在跨中：小车在悬臂端：现分别将主梁在水平面和垂直面产生的弯矩列表如表3-1，3-2。表3-1主梁在水平面内的弯矩（N/m）小车的位置小车在跨中车在悬臂-173734.59534.75表3-2主梁在垂直平面内的弯矩（N/m）产生弯矩的外力主梁均布质量q下移动载荷P下小车的位置小车在跨中-7364813876500981162小车在悬臂1235648-516418.5-706674-353337产生弯矩的外力小车在制动下外力合成下小车的位置小车在跨中17332686663997681191386小心在悬606996-1431133.2主梁的强度3.2.1主梁弯曲应力验算由表3-1，3-2可知，在水平和垂直平面内，小车位于跨中和悬臂支撑处时产生的弯矩最大，现分别验算跨中和悬臂支撑两个位置处主梁的弯曲应力。由公式求得跨中弯曲应力：悬臂支撑处弯曲应力：主腹板上边缘点至轨顶距离为：主腹板边的局部压应力为：在水平面内，主梁还受偏斜运行时的水平侧向载荷作用，由侧向力对双梁产生的水平弯矩如下：水平刚架计算模型为如图3-8所示。图3-8水平刚架计算模型图小车在跨中，刚架的计算系数为：小车在跨中，偏斜侧向力为:超前力为：下横梁中点的轴力为：下横梁中点的水平剪切力为：主梁跨中的水平弯矩为:=

主梁轴力为：小车在跨端时侧向力：超前力：下横梁中点的轴力：下横梁中点的水平剪力：主梁跨端的水平弯矩：主梁跨端的水平剪力：垂直弯矩产生的应力为：水平弯矩产生的应力：惯性载荷与侧向力对主梁产生的轴向力较小且作用方向相反，应力很小，可忽略不计。因而有主梁上翼缘的静矩：跨中剪切力：点1的折算应力：点2的应力:点3的应力：满足要求3.2.2主梁支撑处的剪力（1）根据上述计算，小车在悬臂端时，主梁支撑处剪力最大，主梁支撑处的垂直平面内剪应力由下列公式计算：小车在跨中：小车在悬臂端：所以剪应力：主梁承受扭矩产生的切应力为：（2）翼缘板承受水平剪力计算小车位于悬臂端时支撑处承受的最大水平剪力：主梁翼缘板厚度取，采用自动焊接，不需计算。3.2.3主梁疲劳强度（1）桥架工作级别为A6，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力产生的应力很小，为了计算简明而忽略惯性，只求截面的最大弯矩和最小弯矩。截面最大弯矩：满载小车位于悬臂端时，弯矩最小：空载小车的轮压为：则空载小车位于悬臂时，对跨中产生的弯矩为：则取3.3主梁的稳定性1）.整体稳定性主梁高宽比为：稳定2）.局部稳定性翼缘板需设置一条纵向加劲肋，不再验算翼缘板最大外伸部分稳定主腹板需设置横向加劲肋（隔板），期间距现取为1200mm。副腹板除需设置横向加劲肋外，还需在腹板最大受压处设置一条纵向加劲肋，将腹板分为上下两个格区，纵向加劲肋设置在距腹板受压边为240mm处，如图3-9所示：图3-9纵向加劲肋简图1.验算跨中主腹板上区格的稳定性，区格两边正应力为：属于不均匀压缩板区格的欧拉应力为：区格分别受，和作用时的临界压应力：嵌固系数x=1.2,屈曲系数，则腹板边局部压应力为：压力分布长：，按a=3b计算所以，，区格属双边局部压缩板，板的屈曲系数为：，需修正，则区格平均切应力为：由，板的屈曲系数为：，需修正。而，区格上边缘的复合应力为：区格的临界复合应力为：合格主腹板外侧设置短加劲肋与上翼缘板顶紧以支撑小车轨间距，取。2.验算跨中副腹板上区格的稳定性副腹板上区格只受及的作用，区格两边正应力为：切应力：区格的区拉应力为：属于不均匀压缩板需修正，需修正，则：，复合应力为：，区格的临界复合应力为：合格3.4主梁刚度设计计算3.4.1主梁跨中一简支刚架静刚度计算小车作用在跨中时，跨中静刚度：主梁按静定结构简图计算静刚度时为最不利情况3.4.2小车悬臂一简支刚架静刚度计算小车作用在悬臂极限时，计算简图如图3-10所示：图3-10小车悬臂极限位置静刚度计算简图其中，是比实际值小，故算出的偏大，故在悬臂端的静刚度是很安全的3.4.3主梁水平静刚度计算水平框架为多次超静定结构，利用结构力学的对称性，从而端梁中间截开取超静定框架一侧为基本系统，满载小车位于悬臂时，超静定门架水平静位移按图3-11模型计算：3.4.4悬臂的水平静刚度由于产生挠度相互抵消现只考虑：图3-11超静定门架水平静位移示意图3.4.5主梁动刚度1.小车位于跨中位置时，主梁跨中垂直动刚度计算式为：其中，结构质量影响系数：2.位于悬臂端时，垂直动刚度由于，易得,不需计算3.水平静刚度门架和小车刚架的水平自振频率，按物品高位悬挂的满载小车计算：=其中，为集中于门架或支腿刚架顶部的换算质量为单位水平力作用于门架或支腿刚架顶部产生的水平位移，对超静定门架有综上可以看出水平动刚度并不能满足要求，但由于添加了加劲肋板、横隔板等，真实的惯性矩大于，符合要求，所以不再调整主梁尺寸。第四章支腿平面内刚架的设计4.1钢架的三次超静定结构支腿平面内的结构是以支撑架为基础的三次超静定结构，由马鞍横梁横梁中间截面断开作为超静定的基本结构。因为结构载荷对称，截开截面又有弯矩和轴向力，为了求解超静定内力简单，将均布载荷，，，与集中力作用分开考虑，设均布载荷引起截面弯矩为，轴向力为,由集中力引起的截面弯矩为,轴向力为，然后将内力求和进行校核计算.结构受力分析简图如4-1。图4-1结构受力分析简图马鞍在梁端产生的弯矩为为在处产生的总弯矩为在下横梁跨中产生的弯矩4.2马鞍横梁跨中截面内力计算4.2.1刚性腿侧计算钢架受到水平载荷及扭矩作用，且两侧作用载荷相等。计算简图如图4-2所示：图4-2计算简图4.2.2结构弯矩计算水平载荷作用下基本结构同前，由于结构对称，马鞍横梁断开只有剪力，为求解简单，将载荷分为三种情况作用在基本结构上一种是均布载荷，一种是集中载荷，第三种是弯矩作用，三种情况下内力分别假定为,然后求合内力，最后进行校核计算。在均布载荷，扭矩作用下各截面弯矩计算：第五章支承架设计及计算5.1支撑架刚度计算支撑架刚度的计算，是以支撑架小车轨道点垂直、水平位移为计算内容，主要考虑垂直移动载荷及水平惯性力（忽略风力）引起的位移。由于两种位移很少同时出现，因此不考虑位移叠加。1.在计算垂直移动载荷下，支撑架的小车轨顶处位移时，仅考虑满载小车位于悬臂极限位置时（由吊重及小车自重引起的垂直和水平位移）而其他垂直载荷不引起结构位移的变化，故不作考虑。满载小车位于悬臂极限位置时，支撑架处作用垂直压力为，计算引起的位移其计算简图如图5-1所示。图5-1在作用下，支撑架超静定力的计算基本结构如前，在作用下，马鞍横梁中间截面内弯矩为，轴向力为。基本结构在单位力作用下，弯矩简图如图5-2所示：图5-2弯矩简图基本结构在作用下，弯矩简图如图5-3所示：图5-3弯矩简图在作用下，各截面弯矩值：求解超静定力：=图5-4弯矩简图在作用下，弯矩简图如图5-4所示：在超静定内力作用下，基本系统的截面内力分别为：小车轨道顶点沿垂直水平方向加单位力，基本结构的弯矩简图，如图5-5、5-6所示：图5-5沿Y轴方向图5-6沿X轴方向2.位移计算1）.垂直载荷下引起的小车轨道点水平位移满足要求。2）.垂直载荷下引起的小车轨道点的垂直位移5.2支撑架的小车轨顶处位移由于风力作用下不引起支撑架位移的变化即不影响门机的正常工作，因此计算位移不予考虑，只考虑经常变化的惯性力的影响。1.惯性力作用下，计算支撑架超静定力时，由于结构对称，载荷反对称，马鞍横梁截面内力只有剪力作用，为方便计算将载荷分为三种情况，一是均布载荷，二是集中力，三是，各内力值分别为。（可以忽略不计）1）在均布力作用下基本结构的弯矩简图如图5-7所示。图5-7弯矩简图各截面弯矩值：内力的计算：=0.3632）在内力单独作用下，基本结构的弯矩简图如图5-8所示：各截面弯矩计算如下：内力计算：图5-8弯矩简图3）单独作用下基本结构各截面的弯矩值:内力的计算：当=1KN时，单位力作用下弯矩简图如图5-9：图5-9弯矩简图取当时，单位力作用下弯矩简图如图5-10所示：图5-10弯矩简图2.位移计算1）水平载荷下引起的小车轨道点水平位移+=2）水平载荷下引起的小车轨道点垂直位移：+=+5.3整体稳定性计算支撑架的整体稳定性计算中，重点考虑支腿的稳定性。将支腿看成大端以计算截面为代表的变截面柱，计算截面在支腿腹板方向长。其中，A取距小端0.7H处，由前述计算可知，其中很