01030t四梁桥式铸造起重机结构设计--毕业设计.doc

太原科技大学本科毕业设计（论文）

100/30T 通用桥式起重机结构设计
100∕30T General bridge crane machine design

学 院（系）： 机械电子工程系
专 业： 机械设计制造及其自动化
完 成 日 期： 2013 年6月10号

太原科技大学
Taiyuan University of Science and Technology

100/30T 通用桥式起重机结构设计
摘要
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: 通用桥式起重机; 校核; 许用应力

100∕30T General bridge crane machine design

Abstract
First with the estimated size of crane structure data of the crane strength, fatigue strength, stability, rigidity for rough checking calculation, these factors have to be allowable material requirements, draw bridge diagram . Then calculate the main beam and side beams weight load, and then this load for bridge strength and stiffness of accurate checking calculation. If not passed, repeat the above steps, until the adoption. As the bridge of the primary sources listed in the draft, not in the design of manual record, record only the essence of the school bridge process. Design a variety of reference materials, using various means, to use a variety of conditions to complete the design of the appropriate design of a variety of designs through repeated, serious discussion, constantly re-checking, and strive to design and reasonable; through the adoption of computer-aided design and reference previous advanced experience, and strive to be innovative; by computer-aided design, drawing and design calculations are a powerful full computer accessibility, and strive to design efficient.
Keywords:Bridge crane ; verification; allowable stress

目 录

第一章 总体设计方案.............................................................................................................1
1.1 基本参数 1
1.2 总体结构尺寸 1
1.3 材料的选择及许用应力 1
1.4 各部件尺寸和截面性质............................................................................................2
1.4.1 主梁尺寸.................................................................................................2
1.4.2 端梁尺寸.................................................................................................3
1.4.3 主梁截面性质.........................................................................................4
1.4.4 端梁截面性质.........................................................................................5
第二章 桥架分析...................................................................................................................6
2.1 载荷组合的确定........................................................................................................6
2.2 主梁载荷计算............................................................................................................6
2.2.1 主梁自重.........................................................................................................6
2.2.2 主小车布置.....................................................................................................7
2.2.3 惯性载荷.........................................................................................................7
2.2.4 偏斜运行侧向力.............................................................................................7
2.2.5 扭转载荷.........................................................................................................9
第三章 主梁计算.....................................................................................................................9
3.1 内力分析....................................................................................................................9
3.1.1 垂直载荷.........................................................................................................9
3.1.2 水平载荷.......................................................................................................12
3.2 强度校核..................................................................................................................17
3.3 疲劳强度校核..........................................................................................................20
3.4 稳定性校核..............................................................................................................23
第四章 端梁计算...................................................................................................................30
4.1 垂直载荷..................................................................................................................30
4.2 水平载荷..................................................................................................................31
4.3 强度校核..................................................................................................................33
4.4 疲劳强度校核..........................................................................................................35
4.5 稳定性校核..............................................................................................................38
4.6 端梁的拼接..............................................................................................................39
第五章 刚度计算...................................................................................................................44
5.1 桥架的垂直静刚度..................................................................................................45
5.2 桥架的水平惯性位移..............................................................................................45
5.3 垂直动刚度..............................................................................................................45
5.4 水平动刚度..............................................................................................................46
第六章 桥架拱度...................................................................................................................47
第七章 结论与展望...............................................................................................................49
参考文献...................................................................................................................................50
致 谢...................................................................................................................................51
外文翻译...................................................................................................................................52

- V -
100/30T 通用桥式起重机结构设计
第一章 总体设计方案
1.1 基本参数
起重量：Q=100/30t；
跨度：L=31.5m；
起重机重量：180t
工作级别: A6；
起升高度(主/副):H=20/22m
起升速度(主/副):5.02/9.34m/min；
运行速度(主/副):36.1/78.5m/min
轮距:6.0mm；
轨距(主/副):2.0m
小车轮压:50460kg；
大车轮压:56000kg；
1.2 总体结构及尺寸
根据已知参数,此桥式冶金铸造起重机采用四粱框架结构比较合理，如图1.1所示

图1.1
1.3 材料的选择及许用应力
根据总体结构,铸造起重机工作级别为A6，工作环境温度较高，起重量大，频繁起吊，设计计算时疲劳强度为其首要条件，选用对应力集中不敏感的Q235-A，考虑起重量较大，主梁采用偏轨箱型梁。
材料许用应力及性能常数见表1.1、表1.2
板厚
正应力
剪应力
mm

>16
370
152.0
167.9
184.4
87.76
96.94
106.5
≤16
370
158.8
175.4
192.6
91.7
101.3
111.2
表1.1 材料的许用应力表

表1.2 材料的性能常数表
弹性模量
剪切弹性模量
比重

2．0610
7.94
7850
1.4 各部件尺寸及截面性质
1.4.1 主梁尺寸
初选高度=1853~2250mm
考虑大车运行机构安装在主梁内，故将主梁取为大截面薄钢板的形式，以达
到节省材料、重量轻的要求，取腹板高度。
上、下翼缘板厚度取
腹板厚度
主梁总高度：
主梁宽度：
腹板外侧间距离取
上下翼缘板外伸长部分不相同，分别为
主梁尺寸如图1.2所示

图1.2
1.4.2 端梁尺寸
大车轴距：
根据小车轨距和偏轨箱形梁宽度以及大车运行机构的设置，取，
端梁全长8m
高度
取
考虑大车轮安装,端梁内宽
总宽
翼缘板厚，腹板厚8mm
端梁尺寸如图1.3所示

图1.3
1.4.3 主梁截面性质
如图所示1.4

图1.4
主梁
主截面
形心：

惯性矩计算：
1.4.4 端梁截面性质
如图1.5所示

图1.5
端梁:
截面面积:
形心：
惯性矩计算：

第二章 桥架分析
2.1 载荷组合的确定
1．起升冲击系数：，对桥式铸造起重机
2． 起升动载系数：
3． 运行冲击系数：
其中，为大车运行速度 =78.5，为轨道街头处两轨面得高度差 ，根据工作级别，动载荷用载荷组合 进行计算，应用运行冲击系数。
4.确定载荷组合
根据此起重机的工作情况,动载荷适宜用组合II进行计算,应用运行冲击系数;但是由于原始参数只给了轮压而没有给小车的自重,所以小车自重无法确定，且小车各部分重量的偏心距也是未知量，为了安全起见选用、、中最大者来计算动载荷。
由以上计算知最大，按组合考虑由代替计算小车自重的动载荷，可不计算偏斜侧向力，这样计算偏安全。
2.2 主梁载荷计算
2.2.1 主梁自重
查表得主小车轮压55000kg，选用车轮材料2G35GrMnSi,车轮直径，轨道型号QU120，许用值38700kg，由轨道型号QU120查得轨道理论重量.
主小车轨道重量：
栏杆等重量:
主梁的均布载荷：
2.2.2 小车轮压
小车布置：两侧起升机构对称布置，重心位于对称中心
吊具重量：
起升载荷：
小车重量：
因小车吨位较大，采用台车形式八个车轮，课实际主小车满载时的静轮压为：

空载小车轮压：
一根主梁上
2.2.3 惯性载荷
一根主梁上小车惯性力：
小车上主动轮占一半，按主动车轮打滑条件确定主小车的惯性力：

大车运行起，制动惯性力为

2.2.4 偏斜运行侧向力
一根主梁的重量为：
一根端梁单位长度的重量为：

一组大车运行机构的重量（两组对称配置）为

司机室及设备的重量（按合力计）为

主梁侧假象端梁重：
(1) 满载小车在主梁跨中
左侧端梁总静轮压按下图2.1计算

图2.1

由查3-9图得
侧向力为：

（2） 满载小车在主梁左端极限位置
左侧端梁总静轮压为：

侧向力为

2.2.5 扭转载荷
偏轨箱形梁由的偏心作用而产生移动扭矩，其他载荷，产生的扭矩较小且作用方向相反，故不计算。
偏轨箱形梁弯心A在梁截面的对称形心轴上（不考虑翼缘外伸部分），示图5，弯心至腹板中线的距离为：

查表可知轨高

移动扭矩为：

第三章 主梁计算
3.1 内力
3.1.1 垂直载荷
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3.1所示.

图 3.1
（1） 固定载荷作用下主梁跨中的弯距为：

跨端剪切力为

（2）移动载荷作用下主梁的内力
轮压合力与左轮的距离为

.满载小车在跨中
跨中E点弯矩为：
则
跨中点剪切力为：

跨中扭矩为：

‚.满载小车在跨端极限位置（）.小车左轮距梁端距离为：

跨端剪切力为：

跨端内扭矩为：

主梁跨中总弯距为

主梁跨端总剪切力（支承力）为

3.1.2 水平载荷
（1） 水平惯性载荷.
在水平载荷及作用下，桥架按钢架计算，因偏轨箱形梁与端梁连接面较宽，应取两主梁轴线间距代替原小车轨距构成新的水平钢架，这样比较符合实际，于是

水平钢架计算模型如图3.2所示
图3.2
①小车在跨中.钢架的计算系数为：

跨中水平弯距：

跨中水平剪切力为：

跨中轴力为：

②小车在跨端.跨端水平剪切力为

（2） 偏斜侧向力.
在偏斜侧向力作用下，桥架也按水平钢架分析，如图3.3所示

图3.3
这时，计算系数为

①小车在跨中.
侧向力为：
超前力为：
端梁中点的轴力为：

端梁中点的水平剪切力为：

主梁跨中的水平弯距为：

主梁轴力为

主梁跨中总的水平弯距为

②小车在跨端.
测向力为：
超前力为：
端梁中点的轴力为：

端梁中点的水平剪切力为：

主梁跨端的水平弯距为：

主梁跨端的水平剪切力为：

主梁跨端总的水平剪切力为：

小车在跨端时，主梁跨中水平弯距与惯性载荷下的水平弯距组合值较小，不需计算。
3.2 强度
需要计算主梁跨中截面危险点1、2、3的强度，如图3.4所示

图3.4
（1）主腹板上边缘点1的应力为
主腹板边至轨顶距离为：

主腹板边的局部压应力为：

垂直弯距产生的应力为：

水平弯距产生的应力为：

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，故不计算.
主梁上翼缘的静距为：

主腹板上边的切应力为：

点1的折算应力为：

（2）点2的应力为：

（3）点3的应力为

（4）主梁跨端的切应力
主梁跨端截面变小，为便于主端梁链接，取腹板高度等于端梁高度，跨端只需计算切应力.
1） 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

代入上式

副腹板中两切应力反向，可不计算.
2） 翼缘板.承受水平剪切力及扭矩.

主梁翼缘焊缝厚度取，采用自动焊，不用计算.
3.3 疲劳强度校核
桥架工作级别为6，应按载荷组合Ⅰ计算主梁跨中的最大弯矩截面（）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应力.
求截面的最大弯矩和最小弯矩，满载小车位于跨中（轮压在点上），则
空载小车位于右侧跨端时，如图3.5所示

图3.5

左端支反力为：

（1） 验算主腹板受拉翼缘焊缝④的疲劳强度，如图3.6所示

图3.6

应力循环特性

根据工作级别A6，应力集中等级及材料，查得,.
焊缝拉伸疲劳许用应力为：

（2）验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处⑤的疲劳强度

显然，相同工况下应力循环特性是一致的.
根据及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,应力集中等级为，查得 .
拉伸疲劳许用应力为

由于切应力很小，忽略不计.
3.4 稳定性校核
（1）整体稳定性
主梁高宽比：
（2）局部稳定性
翼缘板
（稳定）
翼缘板最大外伸部分： （稳定）
主腹板：
副腹板：
故主腹板需设置横向加劲肋，间距mm，取.
副腹板除设横向加劲肋，还需设置一条纵向加劲肋。
纵向加劲肋宜设在腹板受压边处
，取450mm
如图3.7所示

图3.7
1）验算跨中主腹板上区格Ⅰ的稳定性，区格两边正应力为

（属不均匀压缩板）
区格Ⅰ的欧拉应力为

区格分别受 、和作用时的临界压应力为

板边弹性嵌固系数
屈曲系数
则

需修正，则

当区格受腹板边局部压应力时，压力分布长：

，按计算.
，
区格Ⅰ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

板的屈曲系数为

需修正，则

区格上边缘的复合应力为

区格的临界复合应力为

<
所以，区格I的局部稳定性合格。
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.
区格两边的正应力为

切应力为

区格Ⅰ的欧拉应力为

（属于不均匀压缩板）

,
需修正，则

,

区格边缘的复合应力为：

a=3.33>2
区格的临界复合应力为
，所以，区格的局部稳定性合格。
3） 加劲肋的确定.
横隔板厚度 ，板中开孔尺寸为.
主、副板采用相同的加劲肋，
，，
纵向加劲肋对主腹板厚度中线的惯性矩为：

综上所述，选择的加劲肋合格。
第四章 端梁的计算
端梁计算工况取满载小车位于主梁跨端，大、小车同时运行起、制动及桥架偏斜
4.1垂直载荷
端梁按修改的钢架尺寸计算，=6m, a=1.3m, b=1.7 m, K’=2b=3.4m, B=8.0 m, =0.5 m, =0.2 m, 主梁轴线与主腹板中线距离=0.3m
主梁最大支承力=1532359N
因作用点的变动引起的附加力矩为:

端梁自重载荷为:
端梁在垂直载荷作用下按简支梁计算如图4.1，端梁支反力为

图4.1 垂直载荷下端梁的计算
截面1-1弯矩

剪力 =0
截面2-2
弯矩:

剪力:

截面3-3
弯矩 =0
剪力

截面4-4（沿着竖直定位板表面）

剪力:

4.2 水平载荷
端梁的水平载荷有、、、等，亦按简支梁计算，如图所示4.2

图 4.2
截面1-1
因作用点外移引起的附加水平力矩为：

弯矩：
钢架水平支反力：

剪切力:

轴力:==1669984N
截面 2-2
在、、、水平力作用下，端梁的水平支反力为:
=++=82207.5+149152+72103.5
=303463N
水平剪切力
==303463N
弯矩为:
截面3-3
水平剪切力：
其他内力小，不计算.
4.3 强度校核
截面1-1的应力计算需待端梁拼接设计合格后方可进行（按净截面计），如图4.3所示.

图4.3
截面 2-2
截面角点：

腹板边缘：

翼缘板对中轴的静矩为：

折算应力为：

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（14 mm130 mm）,端部腹板两边都采用双面贴角焊缝，取=8 mm,支承处高度400 mm，弯板两个垂直面上都焊有车轮组定位垫板（16 mm90 mm460 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4.4

图4.4 端梁支承处截面
形心
=
=
=194.9 mm
=205.1mm
惯性矩为：

中轴以上截面静矩 S=981965 mm3
上翼缘板静矩 =702512 mm3
下翼缘板静矩 =721084 mm3
截面4-4
腹板中轴处的切应力为
=
=93.4MPa
<=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：

折算应力为：，（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：

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。
4.4 疲劳强度
端梁疲劳强度计算只考虑垂直载荷的作用
（1）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
==308571N. m
==154484.07N
吊具总质量：
小车总质量：
空载小车位于跨中不移动时端梁的支反力为：

这时端梁截面4-4相应的弯矩和剪切力为：

弯板翼缘焊缝的应力为:
==57.6MPa
==16.8MPa
=
=
=129.5MPa
==31.7MPa
根据A6和Q235及弯板用双面贴角焊缝连接，查的
=43MPa，=370MPa
= = =0.2391〉0
焊缝拉伸疲劳需用应力为:

==0.2448 〉0
按查的=133MPa，取拉伸式

（2）端梁中央拼接截面
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1-1的内力为:

空载小车位于跨中不移动，主梁跨端的支承力为

=0
这时的端梁支反力为:=379801.5N
端梁拼接截面1-1的弯矩为:

翼缘板的平均应力（按毛截面计算）为
==106.7MPa
翼缘板传递的内力为:

端梁拼接处翼缘板面上布置有4- mm的螺栓孔，翼缘板净截面积为
=（600-421)8=4128mm2
应力:==124.1MPa

===0.332>0
可见，在相同的循环工况下，应力循环特性是一致的。根据A6和Q235及带孔板的应力集中等级，查得=122MPa
翼缘板拉伸疲劳需用应力为
=
=217.1MPa
<
若考虑垂直载荷与水平载荷同时作用，则计算应力要大些
腹板应力较小，不再计算
4.5 稳定性校核
整体稳定性：
（稳定）
局部稳定：
翼缘板 ： （稳定）
腹板 ：
故只需对着主梁腹板位置设置四块横隔板，=8mm
4.6 端梁的拼接
端梁在中央截面1-1采用拼接板精制螺栓连接，翼缘用双面拼接板8 mm440 mm460 mm及8 mm370 mm460 mm腹板用单面拼接板8 mm460 mm960 mm,精制螺栓选用M20 mm,拼接构造及螺栓布置如图4.5所示

图4.5
（1）内力及分配
满载小车在跨端时，求得截面1-1的内力为
=1475452.1N.m，剪力 =0
=93734.55N.m，=111160.5N
=1669984N
端梁的截面惯性矩为：

腹板对x和y轴的总惯性矩为：

翼缘对x和y轴的总惯性矩为：

弯板分配
： 腹板
==330071.8N.m
翼缘 ==389424.7 N.m
： 腹板 =
=5297.8N.m
翼缘 =
=8704.8N.m
水平剪切力分配
剪力有上下翼缘板平均承受，一块翼缘板所受的剪切力为
= =55580.25N
轴力分配
轴力按截面积分配
一块翼缘板受轴力
==6036.45N
一块腹板受轴力
==12912.75N
=7872 mm2
=3680 mm2
A=23104 mm2
（2）翼缘拼接
由产生的翼缘轴力为
==392565.2 N
一块翼缘板总的轴力为
=+=398601.7 N

拼接缝一边翼缘板上有8个螺栓，一个螺栓受力（剪切力）为
=
==49825.2 N
由上下翼缘板平均承受，一块翼缘板的水平弯矩为
==1986.65 N.m
拼接缝一边翼缘板上螺栓的布置尺寸为= =3，可按窄式连接计算=150 mm , =4(502+1502)=100000 mm2
翼缘板角点螺栓的最大内应力为
=
=
=2980 N
角点螺栓顺梁轴的内力和为
=+
=2980+49825.2
=52805.2 N
水平剪切力由接缝一边翼缘上的螺栓平均承受，一个螺栓的受力为
===2980 N
角点螺栓的合成内力为
=
=
=52884.2 N
选精制螺栓M20 mm，孔21mm, =8mm
一个螺栓的许用承载力为
剪切[]=
=
=96981 N
承压 =
=2181.8
=52920 N
<1.05=55566 N （仍属合格）
由对腹板产生的轴力为
=
=