跨度28m-双梁桥式起重机结构设计正式说明书.docx

太原科技大学华科学院

毕 业 设 计（论 文）

论文题目： 50/10T,跨度28m,双粱桥式起重机
结构设计

2010年 6 月 17 日

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

Abstract
The 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, it’s 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 2
2.1 大车轴距 2
2.2 主梁尺寸 2
第三章 主端梁截面积几何性质 3
第四章、载荷 4
4.1 固定载荷 4
4.2 小车轮压 4
4.3 动力效应系数 5
4.4 惯性载荷 5
4.5 偏斜运行侧向力 6
第五章 主梁计算 8
5.1 内力 8
5.2 强度 13
5.3 主梁疲劳强度 16
5.4 主梁稳定性 19
第六章、 端梁计算 24
6.1 载荷与内力 24
6.2 水平载荷 25
6.3 疲劳强度 30
6.4 稳定性 33
6.5 端梁拼接 33
第七章 、主梁和端梁的连接 40
第八章 、刚度计算 40
8.1 桥架的垂直静刚度 40
8.2 桥架的水平惯性位移 40
8.3 垂直动刚度 41
8.4 水平动刚度 42
第九章、桥架拱度 44
总结 45
参考文献 46
致 谢 47
英文资料 48

1) 大车轴距

2) 腹板尺寸

3) 翼缘板尺寸

4) 主梁尺寸

1） 截面尺寸

1) 固定载荷

2) 小车轮压

3)动力效应系数

4) 惯性载荷

5)偏斜运行侧向力

6)左侧端梁总静轮压

1) 垂直载荷

2)移动载荷作用下主梁的内力

3)水平位置

4) 强度

5)主梁跨端的切应力

6) 主梁疲劳强度

7)主梁稳定性

1）垂直载荷

2）水平载荷

3）强度

4）疲劳强度

5）端梁中央拼接截面

6）稳定性

7）端梁拼接

8）翼缘拼接

9）腹板拼接

10）端梁拼接强度

1）桥架的垂直静刚度

2）水平动刚度

第一章 桥式起重机金属结构设计参数
表1-1 设计参数
起重机类型
通用
工作级别
A6
轨道放置
中轨
桥架形式
双梁50/10t×28m
起升机构
主起升
副起升
额定起重量（吨）
50
10
起升高度(米)
12
18
起升速度(米/分)
12.1-1.21
10.3
工作级别
M6
M5
运行结构
大车
小车
轮距（米）
3.7
5
轨距（米）
2.5
28
速度（米/分）
4.02-40.2
8.53——85.3
工作级别
M6
M5

轮压（MPa）
441
179.7
轨道型号
QU80
P43

第二章 总体设计
1.桥架尺寸的确定
=（）L=（）22.5=6.375~4.25 m
根据小车轨距和中轨箱型梁宽度以及大车运行机构的设置，取=5 m端梁全长B=5.916m
2.主梁尺寸
高度h=（）L=1821~1500 mm
取腹板高度 =1600 mm
腹板厚度 =6 mm
翼缘板厚度 =24 mm
主梁总高度 =+2=1648 mm
主梁宽度 b=(0.4~0.5)=648~810 mm
字腹板外侧间距 b=760 mm>=425 mm 且>=540 mm
上下翼缘板相同为24 mm600 mm
主梁端部变截面长取 d=2350 mm.

图2-1 双梁桥架结构

第三章 主端梁截面积几何性质

图3-1 主梁与端梁截面
a) 主梁截面
A=(60024+16006)2
=0.04512m2
惯性矩
=
=2.130531010 mm4
=
=1.71202109 mm4
b)端梁截面
A=
=36160 mm2
=0.03616m2
=
=4.2641109 mm4
=
=6.8221108 mm4

第四章 载荷
主梁自重载荷
=kρAg9.81
=1.2
=4165.3 N
小车轨道重
=38.869.81
=381.22 N/m
栏杆等重量
=g=1009.81
=981 N/m
主梁的均布载荷
=++
=5527.52 N/m
起升载荷为
=g
=
=49000 N
小车自重
==170422 N
小车自重载荷
=mg
=12.129.811000
=107910.2 N
小车重力产生的静轮压和
=
=
=50666 N
=
=53480.38 N
额定起升载荷产生的和
P01=
=125810.8 N
P02=
=119189.1 N
=+=175476.8 N
= P02+=172669.8 N
小车轮压
=+=349146.68 N
空载轮压
=33.5k N
=38.3k N
1=1.1
2=1+0.7Vq
=1+0.712.1/60
=1.1411
=1.+0.058
=1.1+0.05875.3/60
=1.18
h=1 mm,接头高度差
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
一根主梁上的小车惯性力为
==24939.05 N
大车运行起制动惯性力（一根主梁上）为
==24939.05 N
= =359.82 N/m
主梁跨端设备惯性力影响力小，忽略
一根主梁的重量力
=5527.52(28-0.4)
=152559.5 N
一根端梁单位长度的重量
=
=1.1
=3059.97 N
一根端梁的重量为
=B
=1794.56.463059.97
=18714.76 N
一组大车运行机构的重量（两组对称配置）为
=g=5623/29.81=27552.7 N
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

=
=（490000+170422）+152559.5+27552.7+113714.76
=529037.46 N
由=28/5=5.6查得=0.1345
侧向力
=
=529037.960.1345
=35577.8 N

4.5 满载小车在主梁左端极限位置
左侧端梁总静轮压=
=812075.96
侧向力
= =54612.1 N
估算大车轮压
P=18 t
选取大车车轮直径为800 mm,轨道为QU80.
4.6 扭转载荷
中轨梁扭转载荷较小，且方向相反，可忽略。故在此不用计算。

第五章 主梁计算
5.1 内力
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
固定载荷作用下主梁跨中的弯矩
=（）
=1.18()
=687939.47 N
跨端剪切力
[]
=1.18[5527.2528+27552.73+19620（1-）]
=123822.36 N
满载小车在跨中，跨中E点弯矩为
=
轮压合力与左轮的距离为

==1.829 m
则 =2519489.4 N.m
跨中E点剪切力
（1-）
=
=192540.5 N
跨中内扭矩为
=0
2)满载小车在跨端极限位置（z=）.小车左轮距梁端距离为
=-=2-1.8=0.2 mm
端梁剪切力
=（）
=1.18（28-1.829-0.2）
=382138.298 N.m
跨端内扭矩为
=（+）（1-）
=
=117200.12 N.m
主梁跨中总弯距为
=+
=687939.47+2519489.46
=3207428.87 N.m
主梁跨端总剪切力

==+
=123822.36+382138.298
=505960.658 N
1）水平惯性力载荷
在水平载荷及作用下，桥架按刚架计算。
K=2.5
b=K=1.25
a=(-K)= (5-2.5)=1.25
水平刚架计算模型示表图5-2

图5-2 水平刚架计算模型
小车在跨端。刚架的计算系数为
=1+
=1+
=1.017
跨中水平弯矩
=
=
=102074.35 N.m
跨中水平剪切力为

=12469.52 N
跨中轴力为
=
=
=-14657.8 N
小车在跨端。跨端水平剪切力为
=
=
=28685.16 N
2)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
这时，计算系数为
=1+
=
=1.04
小车在跨中。侧向力

=
=529037.960.1345
=35577.8 N

超前力为

=
=6607.3 N
端梁中点的轴力为
=3303.65 N
端梁中点的水平剪切力为
=
=35577.8（-）
=4872.87 N
主梁跨中的水平弯距为
=
=35577.81.25+4872.871.25-3303.65
=193.78 N
主梁轴力为

=35577.8-4872.67
=30704.93 N
主梁跨中总的水平弯矩为
=
=102074.35+193.78
=102268.13 N.m
小车在跨端。侧向力为
=54612.1 N

超前力为
=
=
=10142.25 N
端梁中点的轴力为
==5071.12 N
端梁中点的水平剪切力为
=（）
=54612.1（-）
=8051.78 N
主梁跨端的水平弯矩为
=a+b
=54612.11.25+8051.781.25
=72150.98 N.m
主梁跨端的水平剪切力为
=-
=
=10142.25-5051.12
=5071.12 N
主梁跨端总的水平剪切力为
=
=2868.16+5071.12
=33756.28 N
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

需要计算主梁跨中截面（如图3-1所示）危险点①、②、③的强度
1)主腹板上边缘①的应力
主腹板边至轨顶距离为
==164 mm

主腹板边的局部压应力为

==91.82MPa
垂直弯矩产生的应力为
=
=
=120.44 MPa
水平弯矩产生的应力为
=
=
=6.48 MPa
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
=
=24540805
=10432800 mm4
主腹板上边的切应力为
=
=+0
=7.857 MPa
点①的折算应力为

=+
=120.44+6.48
=126.92MPa
1=
=
=114.356MPa<=175MPa
点②的折算应力为
2=
=126.92MP<=175MPa
点③的应力为
3=1.15[]
=1456 MPa<=175MPa
主梁跨端截面变小，以便于主端梁连接，取腹板高度等于=800 mm。跨端只需计算切应力
主腹板。承受垂直剪力及扭矩，故主腹板中点切应力为
=
主梁跨端封闭截面面积为
=（b-8）(+)
=496×824=408704 mm2
代入上式
=
=79.05MPa<=100MPa
副腹板中两切应力反向，可不计算

翼缘板。承受水平剪切力
=33756.23 N及扭矩=117200120 N.m
=
=
=7.923 MPa=100 MPa
主梁翼缘焊缝厚度取=8 mm，采用自动焊接，不需计算
桥架工作级别为A7,应按载荷组合Ⅰ计算主梁跨中的最大弯矩截面（E）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(轮压在E点上)则
==3207428.87 N.m
空载小车位于右侧跨端时（如图5-4）

图5-4 主梁跨中（E）最小弯矩的计算
左端支反力为

=
=
=5196.1 N
=
=682939.4+1.185196.1[0.5（28-1.829）]
=768171.8 Nm
5.3.1 验算主腹板受拉翼缘板焊缝④的疲劳强度
=
=
=120.43MPa
=
=
=28.84MPa

图5-5 主梁截面疲劳强度验算点

应力循环特性
===0.2395〉0
根据工作级别A6，应力集中等级及材料Q235，查得MP，=370 MPa
焊缝拉伸疲劳需用应力为
=
=
=213.3MPa
=120.43MPa< （合格）
验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处⑤
=
=
=112.9MPa
=
=
=27.04 MPa
===0.2395〉0
显然，相同工况下的应力循环特性是一致的
根据A7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
=
=
=137.46MPa
=112.9 MPa< （合格）
由于切应力很小，忽略不计
5.4.1 整体稳定性
主梁高宽比
==3.253 （稳定）
局部稳定性
翼缘板==22.5<，不需设置纵向加劲肋，不再计算
翼缘板最大外伸部分= （稳定）
主腹板 ==265.916
故需设置横隔板及两条纵向加劲肋，主副腹板相同，其设置如图5-6
腹板间距a=1600 mm，纵向加劲肋位置
=（0.15-0.2）=240-320 mm取=350 mm
=700 mm
验算跨中主腹板上区格Ⅰ的稳定性。
区格两边正应力为

=
=120.44+6.48
=126.92 MPa

图5-6 主梁加劲肋设置及稳定性计算
=
=
=81.755 MPa
==0.644 （属不均匀压板）
区格Ⅰ的欧拉应力为
==74.4MPa
（b==300 mm）
区格分别受、和作用时的临界压应力为
=
嵌固系数为=1.2，===5.31,
屈服系数 ==4.82 则
=1.24.8274.4
=430.32MPa>0.75=176.25MPa

需修正，则
=（）
=
=210.78 MPa
腹板边局部压应力=91.82 MPa
压力分布长
c=2+50
=[2164+50]
=378 mm
==5.3>3，按a=3b计算，
=3
==0.42
区格Ⅰ属双边局部压缩板，板的屈曲系数为
=
=
=1.87
=
=1.21.8774.425
=166.95MPa0.75
区格平均切应力为
=
=+0
=10.03 MPa
由==5.31，板的屈曲系数为
===5.48
=
=1.25.4874.4
=489.46 MPa
=
=847.78 MPa
需修正，则
=
=222.71MPa
==128.58 MPa
区格上边缘的复合应力为

=
=114.84MPa
==52，区格的临界复合应力为
=
=
=194.65 MPa
=
=
=146.35 MPa
<
区格Ⅰ的尺寸与Ⅰ相同，而应力较小，故不需再算。

3）加劲肋的确定。
横隔板厚度=8 mm，板中开孔尺寸为240 mm895 mm
翼缘板纵向加劲肋选用角钢75506，A=816 mm2,
=377700 mm4
纵向加劲肋对翼缘板厚度中线（1—1）的惯性矩为
==
=377700+816（75+0.510-19.5）
=2.891106 mm4
[] =
=
=2.745106 mm4
>[] (合格)
主副腹板采用相同的纵向加劲肋50505，A=614.3 mm2，=231700 mm4
纵向加劲肋对主腹板厚度中线的惯性矩为
==
=231700+614.349.62
=1742976 mm4
[]=
=
=1679360 mm4 <
[]=1.5
=1.5160083=1228800 mm4 < (合格)

第六章 端梁的计算
6.1 载荷与内力
端梁按修改的钢架尺寸计算，=5m, a=1.25m, b=1.25 m, K’=2b=2.5 m, B=5.9 m, =0.45 m, =0.19 m, 主梁轴线与主腹板中线距离=0 m
主梁最大支承力=505960.65 N
因作用点的变动引起的附加力矩为零=0
端梁自重载荷为= 1794.5 N/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
=+
=505960.65+
=512435.996 N

图6-1 垂直载荷下端梁的计算
截面1-1弯矩
=--
=
=639385.9 N.m

剪力 =0
截面2-2
弯矩
=a-
=353684.191.07-0.5
=477014.5 N.m
剪力
=-
=
=508819.28 N.m
截面3-3
弯矩 =0
剪力
=-
=-
=511466.176 N.m
截面4-4（沿着竖直定位板表面）
-
=
=96986.08 N.m
剪力 =-
=
=511063.84 N
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

=
=24939.050
=0 N.m
弯矩
=a
=24939.051.25
=31173.81 N.m
钢架水平支反力
=
=
=19994.25 N.
==8051.78 N.

图6-2 水平载荷下端梁的计算
剪切力
+=19994.25+8051.78
=28046.03 N
轴力
==33756.28 N
截面 2-2
在、、、水平力作用下，端梁的水平支反力为

=++
=19994.25+54612.1+24939.05
=99545.4 N
水平剪切力
==99545.4 N
弯矩为
=a
=99545.4 1.25
=124434.75 N.m
截面3-3
水平剪切力 ==99545.4 N
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
=
=
=87.65 MPa <=175 MPa
腹板边缘
=
=（）
=81.40 MPa <=175 MPa
翼缘板对中轴的静矩为
=8600390=1569920 mm3

= ==15.07 MPa
折算应力为
==
=87.8 MPa<=175 MP
截面3-3及4-4
端梁支承处两个截面很近，只计算受力稍大的4-4
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（20 mm185 mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8 mm,支承处高度314 mm，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板（16 mm90 mm340 mm）,弯板参与端梁承载工作，支承处截面（3-3及4-4）如图所示6-3

图6-3 端梁支承处截面
形心
=
=
=199.6 mm
惯性矩为
=3.4296108 mm4
中轴以上截面静矩 S=982197 mm3
上翼缘板静矩 =688512 mm3

下翼缘板静矩 =703976 mm3
截面4-4
腹板中轴处的切应力为
=
=
=64.9MPa
<=100 MPa
因静矩〉，可只计算靠弯板的腹板边的折算应力，该处正应力为
=
=
=37.3 MPa
切应力为
=
=
=46.5 MPa
折算应力为
=
=
=88.76 MPa <=175 MP （合格）
假设端梁支承水平剪切力只由上翼缘板承受，不计入腹板
上翼缘板切应力为
===32.9 MPa<

端梁支承处的翼缘焊缝截面计算厚度（20.78 mm=11.2 mm）比腹板厚度（8 mm）大，故焊缝不需验算，截面4-4的水平弯矩小，忽略不计

端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用
弯板翼缘焊缝
验算截面4-4的弯板翼缘焊缝
满载小车在梁跨端时，端梁截面4-4的最大弯矩的剪切力为
==96986.08 N. m
==511063.84 N
空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为

=
=98580.6 N
这时端梁截面4-4相应的弯矩和剪切力为
=
=98580.6
=18363 N. m
==97432 N
弯板翼缘焊缝的应力为
==37.3 MPa
==9.97 MPa
=
=
=33.2MPa

==8.9MPa
根据A6和Q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查的
=48MPa，=370 MPa
= = =0.2673〉0
焊缝拉伸疲劳需用应力为
=
=
=89.57MPa
===0.2686 〉0
按查的=133 MPa，取拉伸式
=
=
=234.8 MPa
===166 MPa

==0.213 <1.1

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-